为什么LED灯更环保？(下)

要了解发光二极管的工作原理，首先要了解一个问题，就是为什么有的材料能导电，有的材料不能。一种材料可以导电，必须有足够多的可以自由移动的电子。然而，在原子和分子中，电子总是停留在自己固定的位置上；大多数材料中的电子需要大量的能量才能挣脱束缚，自由运动。一般这样的能量是不存在的。自然，没有自由电子，这些材料就不能导电，也就是通常所说的绝缘体。少数材料，如金属、盐溶液等。，由于其特殊的结构，具有大量可以自由移动的电子。这是售票员。

其他材料比较特殊，比如硅。在室温下，它们的电子类似绝缘体，只能呆在自己的位置上，不像金属电子可以自由移动。但与大多数绝缘体不同的是，硅中的电子不需要很高的能量就可以离开它们的自然位置，所以硅的导电性比普通绝缘体高。尤其是温度升高后，这个能量变小了，所以这些电子更容易自由移动。这种在导体和绝缘体之间具有导电性的材料叫做半导体。

但在实际应用中，让硅导电并不需要加热，而是通过“掺杂”。即在硅中引入其他元素，使其原子占据硅原子原来的位置。那么掺杂是如何提高硅的导电性的呢？

我们知道，如果一个原子要和另一个原子结合形成一个分子，一般来说，两个原子需要拿出一个电子来相互结合形成化学键。每个硅原子总共有14个电子，但只能取出4个电子与其他原子结合，也就是说当硅原子形成晶体时，每个原子正好可以与其他4个硅原子结合。如果在硅中掺杂磷或砷，这两种元素都有五个电子可以与其他原子结合，而周围的硅原子只需要四个电子，因此多余的电子不受约束，可以在硅的晶体中自由行走。如果掺杂足够多的磷原子，大量的电子会在硅的晶体中自由移动，硅的电导率也会相应增加。像这样通过掺杂产生自由电子的半导体叫做N型半导体。

如果在硅中掺入硼或镓会怎样？这两种元素只能取出三个电子，而硅需要四个电子，所以总会有一个硅原子得不到足够的电子，这就形成了空穴。填补这个漏洞的唯一方法是“拆东墙补西墙”——从附近的硅原子中攫取一个电子。但是旁边产生了空穴，这个新的空穴自然会从旁边的硅原子中挖电子出来——这种不断的折腾相当于硅的晶体中空穴的不断运动，相当于电子的自由运动，这样硅就可以导电了。像这样通过掺杂产生移动空穴的半导体被称为P型半导体。

如果N型半导体与P型半导体接触，那么电源的正极与P型半导体连接，负极与N型半导体连接，形成一个完整的电路；那么N型半导体中大量带负电的自由电子将通过P型半导体移动到电源的正极。类似地，P型半导体中带正电荷的空穴将通过N型半导体移动到电源的负极。在这两种半导体的结合处，电子和空穴相遇。

N型半导体中的自由移动电子处于相对高的能量位置，而P型半导体中的空穴处于相对低的能量位置。当它们相遇时，电子会占据空穴原来的位置，就像足球从二楼掉到一楼，能量更多；一些半导体材料多余的能量正好可以以光的形式释放出来，于是就诞生了发光二极管。

发光二极管的基本原理和荧光灯一样，都是发冷光现象；然而，发光二极管的发光效率高于荧光灯，可以将30%或更多的电能转化为光能，研究人员希望将这一比例提高到60%。日光灯虽然没有白炽灯热，但能明显让我们感觉到它在加热；当我们把手放在发光二极管灯上时，我们几乎感觉不到热量，这显然意味着更少的电能被浪费为热能。发光二极管的使用寿命也比荧光灯长，可以持续20000小时不损坏，有的甚至可以达到50000小时。

除了比荧光灯更节能之外，发光二极管还避免了汞释放带来的环境危害，因为它们不需要使用有毒的汞。另外，发光二极管的结构比荧光灯简单，所以更紧凑；使用的便利性和运输过程中能耗的降低也不容忽视。相比之下，你的电脑显示器用发光二极管代替荧光灯后背光是不是薄了很多？

冷光是如何发出白光的？

细心的朋友可能已经注意到，冷光和白炽灯相比，有很多优点，但是也有一个问题，就是只能发出一种颜色的光。单色光对于指示灯和信号灯的用途已经足够，但是如果用于室内照明，单色光会让人感觉很不舒服。那么如何才能让荧光灯和发光二极管发出柔和的白光呢？

众所周知，白光是可见光中不同颜色的光混合的结果，所以如果想通过冷光得到白光，首先需要产生不同颜色的光。如果想改变足球从二楼落地的速度，可以站在不同楼层的二楼，让足球落地——不同楼层释放的能量不同。同样，电子的“层高”可以通过改变分子结构来调节。之所以能看到不同颜色的荧光棒，是因为其中加入了不同“高度”的分子，发出的光自然也就不一样了。

用发出不同颜色光的荧光灯或发光二极管，我们可以把它们组合起来形成白光，但实际上，虽然白光包含了许多不同颜色的光，但我们的眼睛只对红、绿、蓝三种颜色的光最敏感，所以我们只需要把这三种颜色的光按一定的比例混合起来，就可以产生白光的效果。红光和绿光的混合会产生黄光，所以如果想产生白光效果，可以直接混合黄光和蓝光。混合后能产生白光效果的两种颜色，俗称互补色。荧光灯和发光二极管利用互补色产生白光。

阴极荧光灯的内壁通常涂有两种不同的荧光材料。受紫外线照射时，分别发出黄色和蓝色荧光，混合后达到白色效果。常见的白光发光二极管是将蓝光发光二极管封装在内壁涂有黄色荧光材料的灯管内——发光二极管产生的蓝光激发荧光材料产生黄光，两者混合达到白光的效果——这种白光发光二极管实际上相当于发光二极管和荧光灯的混合体。另一种常见的白光发光二极管是将发出红、绿、蓝三种颜色的发光二极管进行封装，从而达到白光的效果。但严格来说，荧光灯和白光发光二极管并不是发出真正的白光，而是用巧妙的方式欺骗了我们的眼睛，让我们感觉和真正的白光一样。

让数字说话

发光二极管的优点那么多，那么用发光二极管代替白炽灯或者荧光灯能省多少钱呢？我们来看看根据美国的情况做出的估计。

假设我们有一盏功率为60瓦的白炽灯。要达到和它一样的照明效果，荧光灯和发光二极管分别只需要14瓦和10瓦。如果用这三盏灯连续提供5万小时，也就是在每天照明6小时的情况下使用20年以上，需要多少？

用白炽灯提供5万小时的照明需要300美元。另外，白炽灯的寿命一般只有1000小时，也就是说这20年我们需要更换40多个灯泡。虽然白炽灯是三种灯中最便宜的，但是更换这么多灯泡还是一笔不小的开支，要50多美元，总成本超过350美元。荧光灯提供50，000小时的照明，电费仅为70美元。虽然比白炽灯贵，但由于使用寿命长，我们只需要花不到20美元就可以买到5盏灯，所以总支出大大减少到90美元以下。发光二极管(led)提供5万小时的照明，耗电量更低，只有50美元。不幸的是，由于LED灯目前仍然很贵，所以大部分节省的电力都被额外的灯抵消了。然而，即便如此，使用发光二极管照明的总成本也只有86美元左右，仍然低于荧光灯。可以看出，白炽灯浪费很多电，效率最低，而荧光灯和发光二极管显然可以节约能源和资源。随着发光二极管生产技术的不断提高，相信发光二极管的成本会大大降低，进而给我们带来更多的收益。

你可能认为一盏灯之间的差别可以忽略不计，但不要忘记，全世界有无数盏灯提供照明。仅在美国，每年就有超过10%的电力用于照明。如果能提高效率，节约的能源和资源将是可观的。众多研究人员致力于开发比传统灯具更节能环保的发光二极管，正是为了在享受美好生活的同时更好地保护我们的家园。

(作者:block * * *聚合物)

参考

/阳光和led照明/

/live _ led _ bullets _ comparison . html

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