可見光、電磁波及原子的發光原理
——LED知識（一）

施克孝

（中廣國際建筑設計研究院，北京 100034）

可見光、電磁波及原子的發光原理
——LED知識（一）

施克孝

（中廣國際建筑設計研究院，北京 100034）

編者按：

近年來，LED燈具在照明領域應用得越來越多，像建筑照明、景觀照明、家居照明、路燈、汽車燈等；并開始作為效果光、人物光等，用于電視和舞臺演出中。很多讀者尤其是青年讀者對LED很感興趣，希望多了解一些LED光源和燈具方面的知識。為此，我們特別邀請施克孝老師就LED光源的基本知識、關鍵技術及發展方向等主題撰寫系列文章，以期普及LED知識，對讀者有所幫助。

介紹了可見光、電磁波及原子發光原理等光學的基本知識。

LED；可見光；電磁波；原子的發光原理

1 序言

LED（Light Emitting Diode 三個單詞的詞頭縮寫，即發光二極管）是一種能夠將電能轉化為可見光的固態半導體器件，發明于20世紀60年代。以LED為發光體的光源稱為LED光源，涉及光學、材料學、電子技術、制造工藝等多方面的技術。目前，圍繞LED產品已經形成了一個很大的產業鏈。上游產業是 LED襯底晶片及襯底的生產，中游產業是LED芯片的設計及制造，下游產業是LED的封裝、應用技術的研發等。

對于從事影視、舞臺燈光工作的人員而言，學習LED知識應該側重應用性，多學習與應用有關的基礎知識，包括了解一些關鍵技術。這樣，就不會喧賓奪主，而能把勁兒使在“刀刃上”。

在學習LED的基本知識時，一定要學習光學的某些最基本的概念，例如原子發光原理、半導體材料，及P-N結的基本知識、光源的光效、顯色指數、光譜分布及色溫等；LED的導電特性；發熱及散熱的基本知識；調光電路的PWM（脈寬調制）技術等。電視、舞臺燈光工作者要學習一些各自領域的有關知識。雖然這要花費一些時間，但對深入學習LED的基本原理和關鍵技術是非常有益的。

要了解光學的基本概念，讓我們先從可見光說起。

2 關于可見光及電磁波的基本知識

電磁波是一個大家族，可見光只是這個大家族中的一員。宇宙射線、γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線以及雷達、GPS衛星定位、電視廣播、調頻廣播、中短波廣播、音頻、電力傳輸等都是這個大家族的成員，如圖1所示。

從圖1可以看出，可見光只是這個大家族中的一員。

在電磁波這個家族中，是按波長來區分它們的。波長不同，它們的性質也就不同。在圖1的排列中可以看出，宇宙射線的波長最短，電力傳輸的波長最長。可見光的波長范圍是從380 nm～780 nm。nm（納米）是長度單位，1 nm等于十億分之一米，即1 nm = 10-9m。在可見光范圍內，波長不同，光的顏色也不同。可見光波長范圍為380 nm～780 nm，它們的顏色分別是紫、藍、青、綠、黃、橙、紅。

在研究可見光的時候，我們可以把可見光的范圍，即從380 nm～780 nm的范圍叫做“內”；把可見光以外，即比380 nm更短的波長和比780 nm更長的波長都叫“外”。比380 nm波長更短的電磁波是看不見的，因為它在紫光的外邊，因此叫紫外線。同樣的道理，波長比780 nm更長的電磁波也是看不見的，因為它在紅光的外邊，因此叫紅外線。原則上，看得見的叫“光”，看不見的叫“線”。因此有紅光、綠光、藍光以及紫外線、X射線、宇宙射線等說法。因為紫外線和紅外線除看不見以外，其他許多性質都和可見光一樣或接近，因此近些年有的書中也把紫外線和紅外線叫做紫外光和紅外光。

大家知道，光在真空中的傳播速度是3×108m/s，這是一個不變的常數，用大寫字母C表示。這個速度也適合所有電磁波家族，而且它等于波長與頻率的乘積，如公式（1）。由公式（1）可以導出公式（2）和（3）。

圖1 電磁波家族

既然電磁波在真空中的速度是一個常數，它又等于頻率和波長的乘積，這就說明頻率越高，波長越短；頻率越低，波長越長。例如，波長為500 nm的可見光，它的頻率是6×1014Hz；北京交通臺的廣播頻率是103.9 MHz，它對應的波長是2.9 m；我國電力傳輸的頻率50 Hz ，波長是6 000 km。

3 關于原子的發光原理

我們知道，人造地球衛星是圍著地球轉的。人造地球衛星距離地面的高度是可以人為控制的。發射時給它的能量越大，它的飛行軌道就越高。相反，發射時能量小一些，衛星的飛行軌道就低一些。如果把原子放得很大，與上述情況極其相似。原子核就像地球，圍繞它旋轉的電子就像人造地球衛星。電子的“飛行”軌道越高（離原子核越遠），它帶有的能量就越大；電子的“飛行”軌道越低（離原子核越近），它帶有的能量就越小。但是，原子與地球也有不同之處。原子中的電子軌道高度不是任意的，它只能處于某個高度的軌道。電子或者處于較低能級的軌道E1，或者處于較高能級的軌道E2，而不能處于中間的其他軌道。

電子一般處在E1軌道，這是基本狀態。可以說，E1軌道是它的“家”。電子在吸收一定的能量后，就從軌道E1躍升到E2，如圖2所示。但是，電子是“戀家的”，E2軌道不是它的家。E2軌道是不穩定狀態，電子要“回家”，回到E1軌道。電子在“回家”的時候，就是從E2軌道降低到E1軌道的時候，要放出它原來吸收的能量，放出能量的形式就是發光——發射一個光子，如圖3所示。

圖2 電子升高軌道

LED發光器件包括基板、P-N結、電極、封裝材料等，是一個很復雜的結構。但其核心結構——P-N結就像一個三明治，在P型半導體和N型半導體之間有一個發光層，如圖4所示，在P型半導體加直流正電壓，N型半導體加直流負電壓的情況下，電子在從N型半導體奔向P型半導體的過程中，不斷吸收電能躍升軌道，又不斷回到原軌道而發出光子。不同材料電子躍升的軌道高度不同，能量不同，發出光的波長不同，因此，顏色也不一樣。

這里還有一個小常識，當初規定電流從正極流向負極的時候，還沒有發現電子。后來才知道，在電場的作用下，電子總是從負極流向正極的，與電流方向正好相反。電流從正極流向負極的規定方向為什么沒有改呢？這是因為后來人們又發現氣體和液體中，在一定條件下，會產生正離子和負離子。在電場的作用下，正離子從正極流向負極，負離子從負極流向正極。如果我們把電子、正離子、負離子都看成帶電的粒子，并不是所有的帶電粒子都從負極流向正極。而是有的粒子（正離子）從正極流向負極，有的粒子（負離子、電子）從負極流向正極。既然這樣，電流方向也就沒必要再做改動了。

前面已經說過，電子從E2軌道回到E1軌道的時候，要發射一個光子。那么這個光子的能量有多大呢？如式（4）所示。

式中：

E12——光子的能量，J（焦耳）；

E2——電子在E2軌道的能量，J；

E1——電子在E1軌道的能量，J；

H ——普朗克常數6.626 1×10-34J·s（焦耳·秒）；

C——光速3×108m/s；

υ ——頻率，Hz；

λ ——波長，m。

從公式中可以看出，光子的能量大小與光的波長成反比。這一點非常重要。這就是說，光的波長越短，光子的能量越大。紫外線的波長比可見光的波長短，紫外線的光子能量比可見光的光子能量大；可見光的波長比紅外線短，可見光的光子能量比紅外線的光子能量大；在可見光范圍，紫光比綠光的波長短，紫光的光子能量比綠光的光子能量大；綠光比紅光的波長短，綠光的光子能量比紅光的光子能量大。正因為如此，在LED光源中，總是用紫外線激發熒光粉，而得到白光（可見光），或用紫光激發熒光粉，得到黃光或紅光等。這一規律是科學家斯托克斯發現的，因此叫斯托克斯定律。熒光粉在把波長較短的光轉換成波長較長的光時要有一部分能量損失。

［1］鄭少波，趙清. 物理光學基礎. 北京：國防工業出版社，2009

［2］施克孝，于寶富. 彩色電視照明原理與布光技巧.北京農業大學出版社，1988

（編輯 張 淼 張冠華）

The Mechanism of Light-emitting for Visible Light Electromagnetic Wave and Atoms PartⅠ Concept of LED

SHI Ke-xiao
(CRTV Architecture Design Institute, Beijing 100034, China)

The basic optics knowledge was introduced of the mechanism of light-emitting for visible light, electromagnetic wave and atoms.

LED; Visible light; Electromagnetic wave; Light-emitting principle of atoms

10.3969/j.issn.1674-8239.2011.04.006