上一篇中我们聊了聊利用『热辐射发光』的白炽灯,和利用『气体放电发光』的荧光灯,接下便是利用『固体电致发光』的 LED 灯

固体电致发光的 LED 灯

灯泡系列:光从何处来?(下)-器物与我一种灯泡形 LED 的各组件,来源:mashable.com

电致发光(Electroluminescence),简而言之,就是一种把电能直接转化为光能的发光方式。
因为一般是用『固体材料』在『电场』激发下发光,所以也叫做也叫做『电激发光』、『场致发光』。
除开 LED 灯,利用电致发光的还有『OLED 灯』和『EL 灯』。

LED 是什么?

灯泡系列:光从何处来?(下)-器物与我LED 的各式用途,来源:《LED封装技术》 - 苏永道

LED 就是『发光二极管』(Light Emitting Diode),它有许多种,用途不一,本文说的只是用于照明的白光 LED 灯泡。
需要注意的是,通常所谓的 LED 灯是灯泡整体,而非 LED 的发光芯片,发光芯片才是 LED 的本体。

灯泡系列:光从何处来?(下)-器物与我传统 LED 灯的构造,来源:《LED封装技术》 - 苏永道

白光 LED 的构造比白炽灯和荧光灯复杂得多,一般包含散热基板、半导体晶片、荧光体、树脂材料、封装材料、光学透镜等等。
上图看不清?我们再放大看看:

灯泡系列:光从何处来?(下)-器物与我传统 LED 的构造,来源:《LED照明驱动电源与灯具设计》 - 毛兴武

上图描绘的只是传统 LED 灯的构造,同是白光 LED,类型和样式也有多种:

灯泡系列:光从何处来?(下)-器物与我各式 LED 灯,来源:LED封装技术 苏永道

LED 怎么发光?

LED 的发光原理用一种简单的方式概括就是:
拿出两个半导体,电子多的为 N 型(Negative,负的),空穴多的为 P 型(Positive,正的)。
把它俩挨在一起,中间有个叫『 PN 结』的区域。
接下来通电,N 型半导体上的『电子』与 P 型半导体上的『空穴』相对流动。
两者在 PN 结上一结合,便发射出『光子』,电能就此转换为光能。
PS:『空穴』(Electron Hole),也叫『电洞』,电子流失留下的空位,可视为带正电;电子带负电。

灯泡系列:光从何处来?(下)-器物与我LED 发光原理示意,来源:《LED封装技术》 - 苏永道

我们拆分来看

第一步,拿出两种半导体,一个种为 P 型,另一种为 N 型。

灯泡系列:光从何处来?(下)-器物与我来源:youtube.com

第二步,把两个挨在一起,通电。

灯泡系列:光从何处来?(下)-器物与我来源:youtube.com

第三步,N 型半导体身上的『电子』,P 型半导体身上的『空穴』,两者相对运动:

灯泡系列:光从何处来?(下)-器物与我来源:youtube.com

最后,发出『光线』(光子):

灯泡系列:光从何处来?(下)-器物与我来源:youtube.com

让我们再从外到内看一遍:

灯泡系列:光从何处来?(下)-器物与我从 LED 灯外面进入里面,来源:youtube.com

灯泡系列:光从何处来?(下)-器物与我带电子(负电荷)与带空穴(正电荷)的两种半导体,来源:youtube.com

灯泡系列:光从何处来?(下)-器物与我电子与空穴结合发光,来源:youtube.com

看描述挺简单是吧,其实不是,原理简单的东西,实现起来不一定简单,更何况是我这种极度简化的陈述。
不信?下面便是两种 LED 芯片的构造:

灯泡系列:光从何处来?(下)-器物与我两种 LED 芯片的构造,《LED封装技术》 - 苏永道

LED 怎么发白光?

标题没打重复,刚才是『LED怎么发光?』,现在是『LED怎么发白光?』。
没错,能发光,不代表能发出我们需要的白光,这也是为什么直到 90 年代蓝光 LED出现,才有了白光 LED。
白有多种类型,也有很多种实现方式。
白炽灯通过热辐射发光,只要把灯丝加热到一定温度就会发出『白光』。
荧光灯通过激发水银蒸汽发出紫外线,只需加上荧光体就可以把『紫外线』变成『白光』。
你也许听说过三原色按照一定比例混合就能产生白色,也就是说想要白光,可以用红光、蓝光和绿光混合。
LED 芯片的颜色通常只有一个颜色,怎么产生白色呢?

灯泡系列:光从何处来?(下)-器物与我《照明基础知识》 - 飞利浦照明

解决方法之一就是在单色 LED 芯片上方加入其他颜色的荧光体:

灯泡系列:光从何处来?(下)-器物与我三种实现白光 LED 的方式,来源:《白光LED照明技术》- 田民波、朱焰焰

蓝光 LED + 黄色荧光体,就有了近似白光的、质量一般的白光。
蓝光 LED + 红色荧光体 + 绿色/黄色荧光体,有了质量较高的白光。
紫外线 LED +红色荧光体 + 绿色荧光体 +蓝色荧光灯,产生的就是高质量的白光。
(这里说的质量,主要是指『显色性』,它是什么、如何衡量,留待另一篇探讨。)
你也许会奇怪,为什么『蓝光 LED + 黄色荧光灯体』就可以产生『白光』,因为对于人的眼睛来说,蓝光和黄光混合可以看到近似白光的光线。

灯泡系列:光从何处来?(下)-器物与我蓝光 LED + 黄色荧光体产生白光,来源:edisontechcenter.org

其实还有一种方式,就是直接用三种颜色的 LED 灯,混合而成白光。

灯泡系列:光从何处来?(下)-器物与我三色 LED 混合产生白光,《LED封装技术》 - 苏永道

OK,以上便是 LED 的发光原理,至于三种灯泡的比较,以及各式光学参数,留待下回分解。

主要信息来源

edisontechcenter.org
popularmechanics.com
howstuffworks.com
youtube.com
《照明手册》- 日本照明学会
《照明设计手册》 - 北京照明学会
《白光LED照明技术》- 田民波、朱焰焰
《LED封装技术》 - 苏永道