LED 燈中隱藏的大學問

●文/劉玉柱 南京信息工程大學教授、博導，江蘇省科普作家協會會員 蔡津竺 南京信息工程大學

夜晚，霓虹燈絢麗、璀璨，流光溢彩，一座座城市被裝點得格外美麗、夢幻。而這些璀璨燈光的背后，LED 燈是頭等功臣！

其實，生活中到處都有LED 燈的身影，同學們對它也一定非常熟悉。那么，LED 燈到底靠什么原理發光？它和普通的白熾燈又有什么區別呢？

LED燈的組成及發光原理

LED的全稱是Light Emitting Diode，是發光二極管的英文縮寫。簡單來說，它是一種可以將電能直接轉化為可見光的半導體材料器件，能發出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫以及白色的光。

它的內部半導體晶片結構由兩部分組成——N 型半導體和P 型半導體。N 型半導體中主要含有電子，而P 型半導體中空穴占主導地位。當這兩部分半導體連接在一起的時候，它們就形成了“PN 結”。電流通過這個PN 結時，電子和空穴相結合，產生自發輻射光。而二極管的材料不同，產生的光的顏色就不同，也便成了我們所看到的各種顏色的LED 燈，這便是LED 燈的發光原理。這半導體晶片是它的“心臟”所在。

3 種燈的光譜波長范圍

但是，我們平時最常見到的白光不是那么容易就能獲得的。最簡單的一種方式就是利用紅、綠、藍三色混合產生白光，這種方式可以輕松調出所需的色溫、色光，但在電源供應設計方面比較復雜，并且存在不均勻發光問題。此外，我們還可以利用熒光粉涂層方式，發光效率強，但是白光均勻度易受到多種因素的影響。

生活中，我們還能看到另外一種由特殊芯片構成的LED燈能發出白光，它們由GaN 芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起構成。GaN 芯片發出藍光后，一部分藍光將YAG 熒光粉激發，使其發出黃色光，另一部分藍光與熒光粉發出的黃光混合，從而得到白光。我們可以通過改變熒光粉的化學組成和厚度，來獲得不同類型的白光。

LED燈如何省電節能

LED 燈能在燈泡市場的更新迭代中成為勝者，將白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈等成員一一淘汰，一定有它獨有的優勢所在，那就是節能性！

自從愛迪生改良燈泡以來，白熾燈一直占據著主要市場，但是它的光電轉換效率只有2%～4%。在全面普及節能減排、綠色環保的今天，LED 燈無疑是時代的寵兒，它在發光強度、使用時間以及發光效率方面都呈現出較明顯的優勢特點，發光效率的實際值可以高達90%。在同等光亮強度的條件下，LED 燈只需要損耗白熾燈發光電能的1/10，1 000 小時僅耗幾千瓦時電，這樣的節能差距之大顯而易見。不僅如此，LED 燈的使用壽命也非常長，可以達到10 萬小時。

而普通的日光燈，它的兩端各有一燈絲，燈管內充有微量的氬和稀薄的汞蒸氣，燈管壁上涂有熒光粉，兩根燈絲之間的氣體導電時發出紫外線，讓熒光粉發出可見光。這種燈具的特點在于，它在使用前需要一個很高的電壓來激發，正常發光時又只允許通過不大的電流，這種電壓的不穩定性不僅耗電，還增加了它本身的損壞率。

而LED 燈的工作電壓較低，低于人體安全電壓，比普通民用電源更為安全可靠，也非常適用于公共場合的照明。不僅如此，LED 燈無燈絲，靠半導體芯片發光，不受振動影響，也不隨外部電壓和環境溫度的改變而改變。同時，它的光線中不含紫外線和紅外線，不產生輻射，對人體更健康。在一些邊遠地區，LED 燈同樣具有很大優勢，它可以通過直流供電。電池和太陽能都能為其供電，在野外也能使用。

LED燈的廣泛應用

可以毫不夸張地說，LED燈在我們的生活中隨處可見，幾乎所有的光亮之處都有它的身影。在專賣店和大型商場，商家針對某些特殊產品的展示光源偏好，用LED 燈營造出其他傳統照明光源無法比擬的高質量光環境；在博物館、美術陳列館等對照明環境要求較高的特殊場合，展品的特殊性要求照明光源不含紫外線，沒有熱輻射，LED 燈很好地滿足了這一要求……當然，在我們的家中也有它們的存在，客廳里的吊燈、房間里的照明燈大部分都是由LED 燈組成的。

LED 燈的前景也是一片光明，我們可以通過計算機編程的方式來實現芯片間的連接，逐步實現數字化、智能化，同時也致力于在省電性能上做進一步的提升。我們一起期待它的燦爛未來吧！