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LED光源
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義烏禮品城
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2010-9-7 10:9:0
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就是發(fā)光二極管(LED)為發(fā)光體的光源。發(fā)光二極管發(fā)明于20世紀(jì)60年代,在隨后的數(shù)十年中,其基本用途是作為收錄機(jī)等電子設(shè)備的指示燈。這種燈泡具有效率高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn),可連續(xù)使用10萬(wàn)小時(shí),比普通白熾燈泡長(zhǎng)100倍。科學(xué)家預(yù)測(cè),在未來5年,這種燈泡很可能成為下一代照明的主流產(chǎn)品。
發(fā)光二極管燈泡無論在結(jié)構(gòu)上還是在發(fā)光原理上,都與傳統(tǒng)的白熾燈有著本質(zhì)的不同。發(fā)光二極管是由數(shù)層很薄的攙雜半導(dǎo)體材料制成,一層帶過量的電子,另一層因缺乏電子而形成帶正電的“空穴”,當(dāng)有電流通過時(shí),電子和空穴相互結(jié)合并釋放出能量,從而輻射出光芒。
長(zhǎng)期以來,人們之所以沒有將發(fā)光二極管用于照明,主要是因?yàn)榘l(fā)光二極管通常只能發(fā)出紅色光或黃色光,要想獲得白色光,還必須制造出能發(fā)出藍(lán)光的發(fā)光二極管。這樣,紅、黃、藍(lán)三種光“混合”后,就產(chǎn)生出白光。 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新型半導(dǎo)體材料―――氮化鎵,它在經(jīng)過適當(dāng)處理后就能發(fā)出藍(lán)光。發(fā)藍(lán)光的問題解決后,發(fā)白光的問題就有了希望。英國(guó)劍橋大學(xué)材料系的柯林.翰弗萊斯稱,他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中已研制出可發(fā)白光的發(fā)光二極管燈泡,這種燈泡發(fā)出的光線與陽(yáng)光十分接近,具有良好的應(yīng)用前景。他說,發(fā)光二極管燈泡以半導(dǎo)體為材料,因此,這種發(fā)光裝置可以做的很小,只有幾毫米,將其安裝在墻壁或天花板上,如果不開燈,幾乎察覺不到它們的存在,這樣就免去了普通白熾燈需配上燈罩以防光線刺眼睛的麻煩。另外,這種燈泡的壽命很長(zhǎng),安上后幾乎不用更換,今后人們也許會(huì)忘記換燈泡是怎么一回事。目前,他正在呼吁英國(guó)政府增加投入,以保證英國(guó)能在這一技術(shù)領(lǐng)域走在前列。
除經(jīng)久耐用外,這種燈泡在節(jié)能方面也有很大潛力。
極管發(fā)光原理
要了解二極管的發(fā)光原理,首先要了解半導(dǎo)體的基本知識(shí)。半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性質(zhì)介于導(dǎo)體和絕緣體材料之間,它的獨(dú)特之處在于:當(dāng)半導(dǎo)體受到外界光和熱條件的刺激時(shí),它的導(dǎo)電能力會(huì)發(fā)生顯著的變化;在純凈的半導(dǎo)體中加入微量的雜質(zhì),其導(dǎo)電能力也會(huì)顯著的增加。在近代電子學(xué)中用得最多的半導(dǎo)體就是硅(Si)和鍺(Ge),它們的最外層電子都是4個(gè),在硅或者鍺原子組成晶體時(shí)相鄰的原子相互影響,使外側(cè)電子變成兩個(gè)原子共有的,這就形成了晶體中的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),這是一種約束能力很小的分子結(jié)構(gòu)。在室溫(300K)情況下,由于受到熱激發(fā)就會(huì)使一些最外層電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵束縛變成自由電子,這個(gè)過程叫做本征激發(fā)。在電子擺脫束縛成為自由電子后,共價(jià)鍵中會(huì)留下一個(gè)空位,這個(gè)空位稱為空穴,空穴的出現(xiàn)是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一個(gè)重要特征。
由于共價(jià)鍵出現(xiàn)了空穴,在外加電場(chǎng)或者其他的能源作用下,鄰近的價(jià)電子就會(huì)填補(bǔ)這個(gè)空穴,而這個(gè)電子的原來位置上又形成新的空穴,以后其他電子再轉(zhuǎn)移到這個(gè)新的空穴上。這樣就產(chǎn)生了一定的電荷轉(zhuǎn)移我們可以用以下公式對(duì)本征半導(dǎo)體中的自由電子的濃度進(jìn)行計(jì)算:
?。睿椋ǎ裕剑粒裕?2e-EG/2kT式中,
?。牛恰娮訏昝摴矁r(jià)鍵束縛所需要的能量,單位是eV(電子伏),又被稱為禁帶寬度;
?。浴獪囟?;
?。痢禂?shù);
?。搿ǘ澛?shù)(1.38×10-23J/K);
e——自然對(duì)數(shù)的底。
由于在本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的,所以這個(gè)計(jì)算公式也可以用來表示空穴的濃度。在半導(dǎo)體中自由電子(或空穴)的濃度越高,導(dǎo)電能力越強(qiáng),在常溫附近,溫度每升高8℃,硅的自由電子濃度增加1倍;溫度每升高12℃,鍺的自由電子濃度升高1倍。
在本征半導(dǎo)體中加入少量的五價(jià)元素雜質(zhì)如磷等,它在與其他半導(dǎo)體原子結(jié)成共價(jià)鍵以后會(huì)有一個(gè)多余的電子,這個(gè)多余的電子只需要非常小的能量就能擺脫束縛成為自由電子,這類雜質(zhì)半導(dǎo)體被稱為電子半導(dǎo)體(N型半導(dǎo)體)。而在本征半導(dǎo)體中加入少量的三價(jià)元素雜質(zhì)(如硼等),因?yàn)樗鈱又挥腥齻€(gè)電子,在與周圍的半導(dǎo)體原子組成共價(jià)鍵以后會(huì)在晶體中產(chǎn)生一個(gè)空位,這類雜質(zhì)半導(dǎo)體被稱為空穴半導(dǎo)體(P型半導(dǎo)體)。在N型和P型半導(dǎo)體結(jié)合后,在它們的交界處就會(huì)出現(xiàn)自由電子和空穴的濃度差別,于是電子和空穴都要向濃度低的地方擴(kuò)散,留下了一些帶電卻不能移動(dòng)的離子,從而破壞了N區(qū)和P區(qū)原來的電中性。這些不能移動(dòng)的帶電粒子通常被稱為空間電荷,它們集中在N區(qū)和P區(qū)交界面附近形成了一個(gè)很薄的空間電荷區(qū),這就是我們所說的PN結(jié)。
在PN結(jié)的兩端加上正向偏置電壓(P型的一邊加正電壓)后,空穴和自由電子就會(huì)相互移動(dòng),形成一個(gè)內(nèi)電場(chǎng)。隨后新注入的空穴和自由電子再重新復(fù)合,復(fù)合的同時(shí)有時(shí)會(huì)以光子的形式釋放多余能量,這就是我們所見到的LED發(fā)出的光。這樣的光譜范圍是比較窄的,由于每種材料的禁帶寬度不相同,所以釋放出的光子波長(zhǎng)也不同,所以LED發(fā)光的顏色由所使用的基本材料決定.
LED主要優(yōu)點(diǎn)
1、節(jié)能環(huán)保
LED的發(fā)光原理與白熾燈和氣體放電燈的發(fā)光原理都不同,LED光源的能量轉(zhuǎn)化效率非常高,理論上可以達(dá)到白熾燈10%的能耗,LED相比熒光燈也可以達(dá)到50%的節(jié)能效果。節(jié)能效果顯著,這對(duì)能源十分緊張的中國(guó)來說,無疑具有十分重要的意義。LED還可以與太陽(yáng)能電池結(jié)合起來應(yīng)用,節(jié)能又環(huán)保。其本身不含有毒有害物質(zhì)(如:汞),避免了熒光燈管破裂溢出汞的二次污染,同時(shí)又沒有干擾輻射。
2、壽命長(zhǎng)
正常情況下使用LED,其光衰可以減到70%的標(biāo)稱壽命10萬(wàn)小時(shí),減少了更換頻率和其他維護(hù)工作。
3、光色純正
由于典型的LED的光譜范圍都比較窄,不像白熾燈那樣擁有全光譜。因此,LED可以隨意進(jìn)行多樣化的搭配組合,特別適用于裝飾等方面。
4、防潮、抗震動(dòng)
由于LED的外部多采用環(huán)氧樹脂來保護(hù),所以密封性能和抗沖擊的性能都很好,不容易損壞。它可以應(yīng)用于水下照明。
還有其他優(yōu)點(diǎn)如:低熱量、小型化、響應(yīng)時(shí)間短等,這些都使LED光源具有很大的優(yōu)勢(shì),為應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生活中創(chuàng)造了有利條件。
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