施克孝

（中廣國(guó)際建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100034）

可見(jiàn)光、電磁波及原子的發(fā)光原理
——LED知識(shí)（一）

施克孝

（中廣國(guó)際建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100034）

編者按：

近年來(lái)，LED燈具在照明領(lǐng)域應(yīng)用得越來(lái)越多，像建筑照明、景觀照明、家居照明、路燈、汽車(chē)燈等；并開(kāi)始作為效果光、人物光等，用于電視和舞臺(tái)演出中。很多讀者尤其是青年讀者對(duì)LED很感興趣，希望多了解一些LED光源和燈具方面的知識(shí)。為此，我們特別邀請(qǐng)施克孝老師就LED光源的基本知識(shí)、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向等主題撰寫(xiě)系列文章，以期普及LED知識(shí)，對(duì)讀者有所幫助。

介紹了可見(jiàn)光、電磁波及原子發(fā)光原理等光學(xué)的基本知識(shí)。

LED；可見(jiàn)光；電磁波；原子的發(fā)光原理

1 序言

LED（Light Emitting Diode 三個(gè)單詞的詞頭縮寫(xiě)，即發(fā)光二極管）是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的固態(tài)半導(dǎo)體器件，發(fā)明于20世紀(jì)60年代。以LED為發(fā)光體的光源稱為L(zhǎng)ED光源，涉及光學(xué)、材料學(xué)、電子技術(shù)、制造工藝等多方面的技術(shù)。目前，圍繞LED產(chǎn)品已經(jīng)形成了一個(gè)很大的產(chǎn)業(yè)鏈。上游產(chǎn)業(yè)是 LED襯底晶片及襯底的生產(chǎn)，中游產(chǎn)業(yè)是LED芯片的設(shè)計(jì)及制造，下游產(chǎn)業(yè)是LED的封裝、應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)等。

對(duì)于從事影視、舞臺(tái)燈光工作的人員而言，學(xué)習(xí)LED知識(shí)應(yīng)該側(cè)重應(yīng)用性，多學(xué)習(xí)與應(yīng)用有關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括了解一些關(guān)鍵技術(shù)。這樣，就不會(huì)喧賓奪主，而能把勁兒使在“刀刃上”。

在學(xué)習(xí)LED的基本知識(shí)時(shí)，一定要學(xué)習(xí)光學(xué)的某些最基本的概念，例如原子發(fā)光原理、半導(dǎo)體材料，及P-N結(jié)的基本知識(shí)、光源的光效、顯色指數(shù)、光譜分布及色溫等；LED的導(dǎo)電特性；發(fā)熱及散熱的基本知識(shí)；調(diào)光電路的PWM（脈寬調(diào)制）技術(shù)等。電視、舞臺(tái)燈光工作者要學(xué)習(xí)一些各自領(lǐng)域的有關(guān)知識(shí)。雖然這要花費(fèi)一些時(shí)間，但對(duì)深入學(xué)習(xí)LED的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)是非常有益的。

要了解光學(xué)的基本概念，讓我們先從可見(jiàn)光說(shuō)起。

2 關(guān)于可見(jiàn)光及電磁波的基本知識(shí)

電磁波是一個(gè)大家族，可見(jiàn)光只是這個(gè)大家族中的一員。宇宙射線、γ射線、X射線、紫外線、可見(jiàn)光、紅外線以及雷達(dá)、GPS衛(wèi)星定位、電視廣播、調(diào)頻廣播、中短波廣播、音頻、電力傳輸?shù)榷际沁@個(gè)大家族的成員，如圖1所示。

從圖1可以看出，可見(jiàn)光只是這個(gè)大家族中的一員。

在電磁波這個(gè)家族中，是按波長(zhǎng)來(lái)區(qū)分它們的。波長(zhǎng)不同，它們的性質(zhì)也就不同。在圖1的排列中可以看出，宇宙射線的波長(zhǎng)最短，電力傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)最長(zhǎng)?？梢?jiàn)光的波長(zhǎng)范圍是從380 nm～780 nm。nm（納米）是長(zhǎng)度單位，1 nm等于十億分之一米，即1 nm = 10-9m。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，波長(zhǎng)不同，光的顏色也不同?？梢?jiàn)光波長(zhǎng)范圍為380 nm～780 nm，它們的顏色分別是紫、藍(lán)、青、綠、黃、橙、紅。

在研究可見(jiàn)光的時(shí)候，我們可以把可見(jiàn)光的范圍，即從380 nm～780 nm的范圍叫做“內(nèi)”；把可見(jiàn)光以外，即比380 nm更短的波長(zhǎng)和比780 nm更長(zhǎng)的波長(zhǎng)都叫“外”。比380 nm波長(zhǎng)更短的電磁波是看不見(jiàn)的，因?yàn)樗谧瞎獾耐膺?，因此叫紫外線。同樣的道理，波長(zhǎng)比780 nm更長(zhǎng)的電磁波也是看不見(jiàn)的，因?yàn)樗诩t光的外邊，因此叫紅外線。原則上，看得見(jiàn)的叫“光”，看不見(jiàn)的叫“線”。因此有紅光、綠光、藍(lán)光以及紫外線、X射線、宇宙射線等說(shuō)法。因?yàn)樽贤饩€和紅外線除看不見(jiàn)以外，其他許多性質(zhì)都和可見(jiàn)光一樣或接近，因此近些年有的書(shū)中也把紫外線和紅外線叫做紫外光和紅外光。

大家知道，光在真空中的傳播速度是3×108m/s，這是一個(gè)不變的常數(shù)，用大寫(xiě)字母C表示。這個(gè)速度也適合所有電磁波家族，而且它等于波長(zhǎng)與頻率的乘積，如公式（1）。由公式（1）可以導(dǎo)出公式（2）和（3）。

圖1 電磁波家族

既然電磁波在真空中的速度是一個(gè)常數(shù)，它又等于頻率和波長(zhǎng)的乘積，這就說(shuō)明頻率越高，波長(zhǎng)越短；頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)。例如，波長(zhǎng)為500 nm的可見(jiàn)光，它的頻率是6×1014Hz；北京交通臺(tái)的廣播頻率是103.9 MHz，它對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是2.9 m；我國(guó)電力傳輸?shù)念l率50 Hz ，波長(zhǎng)是6 000 km。

3 關(guān)于原子的發(fā)光原理

我們知道，人造地球衛(wèi)星是圍著地球轉(zhuǎn)的。人造地球衛(wèi)星距離地面的高度是可以人為控制的。發(fā)射時(shí)給它的能量越大，它的飛行軌道就越高。相反，發(fā)射時(shí)能量小一些，衛(wèi)星的飛行軌道就低一些。如果把原子放得很大，與上述情況極其相似。原子核就像地球，圍繞它旋轉(zhuǎn)的電子就像人造地球衛(wèi)星。電子的“飛行”軌道越高（離原子核越遠(yuǎn)），它帶有的能量就越大；電子的“飛行”軌道越低（離原子核越近），它帶有的能量就越小。但是，原子與地球也有不同之處。原子中的電子軌道高度不是任意的，它只能處于某個(gè)高度的軌道。電子或者處于較低能級(jí)的軌道E1，或者處于較高能級(jí)的軌道E2，而不能處于中間的其他軌道。

電子一般處在E1軌道，這是基本狀態(tài)?？梢哉f(shuō)，E1軌道是它的“家”。電子在吸收一定的能量后，就從軌道E1躍升到E2，如圖2所示。但是，電子是“戀家的”，E2軌道不是它的家。E2軌道是不穩(wěn)定狀態(tài)，電子要“回家”，回到E1軌道。電子在“回家”的時(shí)候，就是從E2軌道降低到E1軌道的時(shí)候，要放出它原來(lái)吸收的能量，放出能量的形式就是發(fā)光——發(fā)射一個(gè)光子，如圖3所示。

圖2 電子升高軌道

LED發(fā)光器件包括基板、P-N結(jié)、電極、封裝材料等，是一個(gè)很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。但其核心結(jié)構(gòu)——P-N結(jié)就像一個(gè)三明治，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間有一個(gè)發(fā)光層，如圖4所示，在P型半導(dǎo)體加直流正電壓，N型半導(dǎo)體加直流負(fù)電壓的情況下，電子在從N型半導(dǎo)體奔向P型半導(dǎo)體的過(guò)程中，不斷吸收電能躍升軌道，又不斷回到原軌道而發(fā)出光子。不同材料電子躍升的軌道高度不同，能量不同，發(fā)出光的波長(zhǎng)不同，因此，顏色也不一樣。

這里還有一個(gè)小常識(shí)，當(dāng)初規(guī)定電流從正極流向負(fù)極的時(shí)候，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)電子。后來(lái)才知道，在電場(chǎng)的作用下，電子總是從負(fù)極流向正極的，與電流方向正好相反。電流從正極流向負(fù)極的規(guī)定方向?yàn)槭裁礇](méi)有改呢？這是因?yàn)楹髞?lái)人們又發(fā)現(xiàn)氣體和液體中，在一定條件下，會(huì)產(chǎn)生正離子和負(fù)離子。在電場(chǎng)的作用下，正離子從正極流向負(fù)極，負(fù)離子從負(fù)極流向正極。如果我們把電子、正離子、負(fù)離子都看成帶電的粒子，并不是所有的帶電粒子都從負(fù)極流向正極。而是有的粒子（正離子）從正極流向負(fù)極，有的粒子（負(fù)離子、電子）從負(fù)極流向正極。既然這樣，電流方向也就沒(méi)必要再做改動(dòng)了。

前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，電子從E2軌道回到E1軌道的時(shí)候，要發(fā)射一個(gè)光子。那么這個(gè)光子的能量有多大呢？如式（4）所示。

式中：

E12——光子的能量，J（焦耳）；

E2——電子在E2軌道的能量，J；

E1——電子在E1軌道的能量，J；

H ——普朗克常數(shù)6.626 1×10-34J·s（焦耳·秒）；

C——光速3×108m/s；

υ ——頻率，Hz；

λ ——波長(zhǎng)，m。

從公式中可以看出，光子的能量大小與光的波長(zhǎng)成反比。這一點(diǎn)非常重要。這就是說(shuō)，光的波長(zhǎng)越短，光子的能量越大。紫外線的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光的波長(zhǎng)短，紫外線的光子能量比可見(jiàn)光的光子能量大；可見(jiàn)光的波長(zhǎng)比紅外線短，可見(jiàn)光的光子能量比紅外線的光子能量大；在可見(jiàn)光范圍，紫光比綠光的波長(zhǎng)短，紫光的光子能量比綠光的光子能量大；綠光比紅光的波長(zhǎng)短，綠光的光子能量比紅光的光子能量大。正因?yàn)槿绱?，在LED光源中，總是用紫外線激發(fā)熒光粉，而得到白光（可見(jiàn)光），或用紫光激發(fā)熒光粉，得到黃光或紅光等。這一規(guī)律是科學(xué)家斯托克斯發(fā)現(xiàn)的，因此叫斯托克斯定律。熒光粉在把波長(zhǎng)較短的光轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光時(shí)要有一部分能量損失。

［1］鄭少波，趙清. 物理光學(xué)基礎(chǔ). 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009

［2］施克孝，于寶富. 彩色電視照明原理與布光技巧.北京農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，1988

（編輯 張 淼 張冠華）

The Mechanism of Light-emitting for Visible Light Electromagnetic Wave and Atoms PartⅠ Concept of LED

SHI Ke-xiao
(CRTV Architecture Design Institute, Beijing 100034, China)

The basic optics knowledge was introduced of the mechanism of light-emitting for visible light, electromagnetic wave and atoms.

LED; Visible light; Electromagnetic wave; Light-emitting principle of atoms

10.3969/j.issn.1674-8239.2011.04.006