為什麼LED燈更環保?(下)

發光二極體是如何發光的？

要了解發光二極體的工作原理，我們首先應該理解一個問題，那就是為什麼有些材料能夠導電，而另外一些卻不行。一種材料能導電，必須有足夠多的、能自由活動的電子。可是，在原子和分子中，電子總是呆在屬於自己的固定位置上；大部分材料的電子需要很大的能量才能掙脫束縛，自由活動。這樣的能量一般情況下並不存在，自然沒有自由活動的電子，這些材料也就不能導電，這就是通常所說的絕緣體。少數材料如金屬、鹽的水溶液等，由於結構特殊，有大量的電子可以自由活動，這就是導體。

還有一些材料則比較特別，例如矽。在室溫下，它們的電子和絕緣體類似，只能呆在自己的位置上，不像金屬的電子那樣能夠自由活動。但與大部分絕緣體不同的是，矽中的電子不需要很高的能量就能脫離自己固有的位置，於是矽的導電性能就高於一般的絕緣體。特別是溫度升高後，這個能量變得更小，於是這些電子就更容易自由活動。這種導電能力介於導體和絕緣體之間的材料，我們稱之為半導體。

不過在實際應用中，讓矽導電並不需要加熱，而是通過「摻雜」。也就是向矽中引入別的元素，讓它們的原子佔據矽原子本來的位置。那麼摻雜是如何提高矽的導電能力的呢？

我們知道，一個原子要想與另一個原子結合形成分子，一般來說兩個原子需要各自拿出一個電子互相結合，形成化學鍵。每個矽原子總共有14個電子，但只有4個電子可以拿出來與別的原子結合，這意味著矽原子在形成晶體時，每個原子剛好可以與另外4個矽原子互相結合。如果矽中摻雜磷或砷，這兩種元素都有5個電子可以和別的原子結合，而周圍的矽原子卻只需要4個電子，於是多出來的那個電子不受約束，就可以在矽的晶體中隨意走動。如果摻雜的磷原子足夠多，就會有大量的電子在矽的晶體中自由活動，矽的導電性就隨之上升。像這樣通過摻雜產生自由電子的半導體，我們稱之為N型半導體。

如果向矽中摻雜的是硼或者鎵呢？這兩種元素都只能拿出3個電子，可矽需要4個電子，因此總會有某個矽原子得不到足夠的電子，這就形成了一個空穴。要想把這個空穴填上，唯一的辦法是「拆東牆補西牆」——從旁邊的矽原子那裡搶一個電子過來。可空穴又在旁邊產生了，這個新的空穴自然又會從旁邊的矽原子那裡把電子挖過來——這樣不停地折騰，相當於空穴在矽的晶體中不停地移動，也相當於有電子在自由活動，矽也因此變得可以導電。像這樣通過摻雜產生移動空穴的半導體，我們稱之為P型半導體。

如果讓一塊N型半導體和一塊P型半導體相接觸，再把電源的正極與P型半導體相連，負極與N型半導體相連，構成一個完整的電路；那麼N型半導體中存在的大量帶負電的自由電子，會穿過P型半導體向電源正極移動。同樣，P型半導體中的帶正電的空穴會穿過N型半導體向電源負極移動。在這兩種半導體交界處，電子和空穴相遇了。

N型半導體中自由活動的電子處在能量相對較高的位置，而P型半導體中空穴卻處在能量相對較低的位置；當它們相遇，電子會佔據空穴原來的位置，這就好比足球從二樓落到了一樓，多出了能量；而某些半導體材料多餘的能量恰好可以以光的形式釋放出來，於是，一支發光二極體就誕生了。

發光二極體的基本原理與螢光燈相同，都是冷發光現象；但是發光二極體發光效率比螢光燈還要高，可以將30%或者更高的電能轉化為光能，而研究人員更是希望將這個比例提高到60%。螢光燈點亮時雖然不像白熾燈那樣燙手，還是能明顯地讓我們感覺到它在發熱；而把手放在一盞發光二極體燈具上時，我們幾乎感覺不到發熱，顯然這意味著更少的電能被變成熱能浪費掉。發光二極體的使用壽命也長於螢光燈，可以持續使用20,000小時不會損壞，有些更是可以達到50,000小時。

除了比螢光燈更加節能，發光二極體還由於不需要使用有毒的汞，避免了汞釋放帶來的環境危害。另外，發光二極體的構造也比螢光燈簡單，因此更加小巧；由此帶來的使用上的便利以及降低運輸過程中的能源消耗也不可忽視。比比看，你的電腦顯示器的背光源從螢光燈替換到發光二極體後是不是輕薄了許多？

冷發光如何發出白光？

細心的朋友可能注意到了，與白熾燈相比，冷發光雖然有許多優點，但是也有一個問題，那就是只能發出一種顏色的光。對於指示燈、信號燈等用途，單色燈已經足夠了，然而如果用於室內照明，單色光會讓人覺得很不舒服。那麼怎樣才能讓螢光燈和發光二極體發出柔和的白光呢？

大家知道，白光是可見光中不同顏色的光混合的結果，所以要想利用冷發光得到白光，首先需要產生不同顏色的光。如果想改變足球從二樓落地的速度，可以站在不同層高的二樓讓足球落下——層高不同，足球可以釋放的能量也不同。同理也可以通過改變分子結構來調整電子所處的「層高」。我們之所以能夠看到不同顏色的螢光棒，就是因為其中添加了「層高」不同的分子，發出的光自然就迥異了。

有了發出不同顏色的光的螢光燈或者發光二極體，我們就可以將它們組合起來形成白光，但實際上白光中雖然包含了許多不同顏色的光，但我們的眼睛只對其中紅、綠、藍最為敏感，因此只需要將這三種顏色的光按照一定比例混合，就會產生白光的效果。而紅光和綠光混合又會產生黃光，所以要想產生白光效果，可以直接將黃光和藍光混合，這種混合後能產生白光效果的兩種顏色就是通常所說的互補色。螢光燈和發光二極體就是利用互補色來產生白光。

螢光管的內壁通常塗有兩種不同的螢光材料，受到紫外線照射時，它們分別發出黃色和藍色的螢光，混合之後就達到了白色的效果。而常見的白光發光二極體則是將藍光發光二極體封裝到內壁塗有黃色螢光材料的燈管中——發光二極體產生的藍光激發螢光材料產生黃光，二者混合之後達到白光的效果——這種白光發光二極體實際上相當於發光二極體與螢光燈的混合體。另一種常見的白光發光二極體，則是將發出紅、綠和藍這三種顏色的發光二極體封裝在一起，從而達到白色的效果。不過，嚴格地說，螢光燈和白光發光二極體發出的並非真正的白光，而是通過巧妙的方式欺騙了我們的眼睛，讓我們覺得與真正的白光並無二致。

讓數字說話

前面介紹了發光二極體這麼多的優點，那麼用發光二極體代替白熾燈或者螢光燈到底能夠為我們節省多少呢？讓我們來看一看根據美國的情況做出的估算。

假設我們有一盞功率為60瓦的白熾燈，要達到與它同樣的照明效果，螢光燈和發光二極體分別只需要14瓦、10瓦的功率就夠了。如果用這三種燈具持續提供5萬小時，也就是在每天照明6小時的情況下使用20多年，各自需要多少支出呢？

白熾燈提供5萬小時的照明需要耗去300美元的電費；另外，白熾燈的壽命一般只有1,000小時，這意味著在這20多年裡我們需要更換40多隻燈泡。儘管三種燈具中白熾燈最便宜，更換這麼多燈泡仍然是一筆不小的支出，要50多美元，總的成本超過了350美元。螢光燈提供5萬小時照明只需要70美元的電費，雖然它比白熾燈要貴，但由於使用壽命長，我們只需要花不到20美元買5隻燈具就夠了，因此總的支出大大降低，只有不到90美元。發光二極體提供5萬小時的照明需要消耗的電費更低，只有50美元，可惜由於目前發光二極體燈具仍然比較貴，節省的電費大部分被額外的燈具支出抵消。不過即便如此，用發光二極體提供照明的總支出也只有約86美元，仍然低於螢光燈。可見，白熾燈電能浪費嚴重，效率最為低下，而用螢光燈和發光二極體提供照明則能明顯節約能源和資源。隨著發光二極體生產技術的不斷改進，相信發光二極體的成本還會大幅下降，到那時它還能夠為我們帶來更多的實惠。

也許你會覺得一盞燈的差別微不足道，可是不要忘記，全世界範圍內有不計其數的燈具在提供照明。僅在美國，每年就有超過10%的電力用於照明，如果效率都能夠得以提升，帶來的能源和資源的節約將是非常可觀的。無數的研究人員致力於開發比傳統燈具更加節能環保的發光二極體，正是為了我們能夠在享受美好生活的同時更好地保護我們的家園。

（作者：嵌段共聚物）

【參考文獻】

http://pveducation.org/pvcdrom/pn-junction/doping

Colin J. Humphreys, 「Solid-State Lighting」, MRS Bulletin, 2008, 33, 459

http://www.energyintelite.com/sunlight-and-led-lighting/

http://eartheasy.com/live_led_bulbs_comparison.html

http://www.eia.gov/tools/faqs/faq.cfm?id=99&t=3