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LED光源


贡献者:sylar    浏览:2981次    创建时间:2009-06-01

引言Top

  就是发光二极管(LED)为发光体的光源。发光二极管发明于20世纪60年代,在随后的数十年中,其基本用途是作为收录机等电子设备的指示灯。这种灯泡具有效率高、寿命长的特点,可连续使用10万小时,比普通白炽灯泡长100倍。科学家预测,在未来5年,这种灯泡很可能成为下一代照明的主流产品。
  发光二极管灯泡无论在结构上还是在发光原理上,都与传统的白炽灯有着本质的不同。发光二极管是由数层很薄的搀杂半导体材料制成,一层带过量的电子,另一层因缺乏电子而形成带正电的“空穴”,当有电流通过时,电子和空穴相互结合并释放出能量,从而辐射出光芒。
  长期以来,人们之所以没有将发光二极管用于照明,主要是因为发光二极管通常只能发出红色光或黄色光,要想获得白色光,还必须制造出能发出蓝光的发光二极管。这样,红、黄、蓝三种光“混合”后,就产生出白光。 科学家发现了一种新型半导体材料―――氮化镓,它在经过适当处理后就能发出蓝光。发蓝光的问题解决后,发白光的问题就有了希望。英国剑桥大学材料系的柯林.翰弗莱斯称,他们在实验中已研制出可发白光的发光二极管灯泡,这种灯泡发出的光线与阳光十分接近,具有良好的应用前景。他说,发光二极管灯泡以半导体为材料,因此,这种发光装置可以做的很小,只有几毫米,将其安装在墙壁或天花板上,如果不开灯,几乎察觉不到它们的存在,这样就免去了普通白炽灯需配上灯罩以防光线刺眼睛的麻烦。另外,这种灯泡的寿命很长,安上后几乎不用更换,今后人们也许会忘记换灯泡是怎么一回事。目前,他正在呼吁英国政府增加投入,以保证英国能在这一技术领域走在前列。
  除经久耐用外,这种灯泡在节能方面也有很大潜力。
发光原理Top

  要了解二极管的发光原理,首先要了解半导体的基本知识。半导体材料的导电性质介于导体和绝缘体材料之间,它的独特之处在于:当半导体受到外界光和热条件的刺激时,它的导电能力会发生显著的变化;在纯净的半导体中加入微量的杂质,其导电能力也会显著的增加。在近代电子学中用得最多的半导体就是硅(Si)和锗(Ge),它们的最外层电子都是4个,在硅或者锗原子组成晶体时相邻的原子相互影响,使外侧电子变成两个原子共有的,这就形成了晶体中的共价键结构,这是一种约束能力很小的分子结构。在室温(300K)情况下,由于受到热激发就会使一些最外层电子获得足够的能量而脱离共价键束缚变成自由电子,这个过程叫做本征激发。在电子摆脱束缚成为自由电子后,共价键中会留下一个空位,这个空位称为空穴,空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特征。
  由于共价键出现了空穴,在外加电场或者其他的能源作用下,邻近的价电子就会填补这个空穴,而这个电子的原来位置上又形成新的空穴,以后其他电子再转移到这个新的空穴上。这样就产生了一定的电荷转移我们可以用以下公式对本征半导体中的自由电子的浓度进行计算:
  ni(T)=AT3/2e-EG/2kT式中,
  EG——电子挣脱共价键束缚所需要的能量,单位是eV(电子伏),又被称为禁带宽度;
  T——温度;
  A——系数;
  k——波耳兹曼常数(1.38×10-23J/K);
  e——自然对数的底。
  由于在本征半导体中自由电子和空穴是成对出现的,所以这个计算公式也可以用来表示空穴的浓度。在半导体中自由电子(或空穴)的浓度越高,导电能力越强,在常温附近,温度每升高8℃,硅的自由电子浓度增加1倍;温度每升高12℃,锗的自由电子浓度升高1倍。
  在本征半导体中加入少量的五价元素杂质如磷等,它在与其他半导体原子结成共价键以后会有一个多余的电子,这个多余的电子只需要非常小的能量就能摆脱束缚成为自由电子,这类杂质半导体被称为电子半导体(N型半导体)。而在本征半导体中加入少量的三价元素杂质(如硼等),因为它外层只有三个电子,在与周围的半导体原子组成共价键以后会在晶体中产生一个空位,这类杂质半导体被称为空穴半导体(P型半导体)。在N型和P型半导体结合后,在它们的交界处就会出现自由电子和空穴的浓度差别,于是电子和空穴都要向浓度低的地方扩散,留下了一些带电却不能移动的离子,从而破坏了N区和P区原来的电中性。这些不能移动的带电粒子通常被称为空间电荷,它们集中在N区和P区交界面附近形成了一个很薄的空间电荷区,这就是我们所说的PN结。
  在PN结的两端加上正向偏置电压(P型的一边加正电压)后,空穴和自由电子就会相互移动,形成一个内电场。随后新注入的空穴和自由电子再重新复合,复合的同时有时会以光子的形式释放多余能量,这就是我们所见到的LED发出的光。这样的光谱范围是比较窄的,由于每种材料的禁带宽度不相同,所以释放出的光子波长也不同,所以LED发光的颜色由所使用的基本材料决定.
LED主要优点Top

  1、节能环保
  LED的发光原理与白炽灯和气体放电灯的发光原理都不同,LED光源的能量转化效率非常高,理论上可以达到白炽灯10%的能耗,LED相比荧光灯也可以达到50%的节能效果。节能效果显著,这对能源十分紧张的中国来说,无疑具有十分重要的意义。LED还可以与太阳能电池结合起来应用,节能又环保。其本身不含有毒有害物质(如:汞),避免了荧光灯管破裂溢出汞的二次污染,同时又没有干扰辐射。
  2、寿命长
  正常情况下使用LED,其光衰可以减到70%的标称寿命10万小时,减少了更换频率和其他维护工作。
  3、光色纯正
  由于典型的LED的光谱范围都比较窄,不像白炽灯那样拥有全光谱。因此,LED可以随意进行多样化的搭配组合,特别适用于装饰等方面。
  4、防潮、抗震动
  由于LED的外部多采用环氧树脂来保护,所以密封性能和抗冲击的性能都很好,不容易损坏。它可以应用于水下照明。
  还有其他优点如:低热量、小型化、响应时间短等,这些都使LED光源具有很大的优势,为应用于实际生产生活中创造了有利条件。


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电子    半导体    二极管    

参考资料
http://baike.baidu.com/view/1468011.html?fromTaglist

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sylar    


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