发光二极管是如何发光的？
要了解发光二极管的工作原理，我们首先应该理解一个问题，那就是为什么有些材料能够导电，而另外一些却不行。一种材料能导电，必须有足够多的、能自由活动的电子。可是，在原子和分子中，电子总是呆在属于自己的固定位置上；大部分材料的电子需要很大的能量才能挣脱束缚，自由活动。这样的能量一般情况下并不存在，自然没有自由活动的电子，这些材料也就不能导电，这就是通常所说的绝缘体。少数材料如金属、盐的水溶液等，由于结构特殊，有大量的电子可以自由活动，这就是导体。
还有一些材料则比较特别，例如硅。在室温下，它们的电子和绝缘体类似，只能呆在自己的位置上，不像金属的电子那样能够自由活动。但与大部分绝缘体不同的是，硅中的电子不需要很高的能量就能脱离自己固有的位置，于是硅的导电性能就高于一般的绝缘体。特别是温度升高后，这个能量变得更小，于是这些电子就更容易自由活动。这种导电能力介于导体和绝缘体之间的材料，我们称之为半导体。
不过在实际应用中，让硅导电并不需要加热，而是通过“掺杂”。也就是向硅中引入别的元素，让它们的原子占据硅原子本来的位置。那么掺杂是如何提高硅的导电能力的呢？
我们知道，一个原子要想与另一个原子结合形成分子，一般来说两个原子需要各自拿出一个电子互相结合，形成化学键。每个硅原子总共有14个电子，但只有4个电子可以拿出来与别的原子结合，这意味着硅原子在形成晶体时，每个原子刚好可以与另外4个硅原子互相结合。如果硅中掺杂磷或砷，这两种元素都有5个电子可以和别的原子结合，而周围的硅原子却只需要4个电子，于是多出来的那个电子不受约束，就可以在硅的晶体中随意走动。如果掺杂的磷原子足够多，就会有大量的电子在硅的晶体中自由活动，硅的导电性就随之上升。像这样通过掺杂产生自由电子的半导体，我们称之为N型半导体。
如果向硅中掺杂的是硼或者镓呢？这两种元素都只能拿出3个电子，可硅需要4个电子，因此总会有某个硅原子得不到足够的电子，这就形成了一个空穴。要想把这个空穴填上，唯一的办法是“拆东墙补西墙”——从旁边的硅原子那里抢一个电子过来。可空穴又在旁边产生了，这个新的空穴自然又会从旁边的硅原子那里把电子挖过来——这样不停地折腾，相当于空穴在硅的晶体中不停地移动，也相当于有电子在自由活动，硅也因此变得可以导电。像这样通过掺杂产生移动空穴的半导体，我们称之为P型半导体。
如果让一块N型半导体和一块P型半导体相接触，再把电源的正极与P型半导体相连，负极与N型半导体相连，构成一个完整的电路；那么N型半导体中存在的大量带负电的自由电子，会穿过P型半导体向电源正极移动。同样，P型半导体中的带正电的空穴会穿过N型半导体向电源负极移动。在这两种半导体交界处，电子和空穴相遇了。
N型半导体中自由活动的电子处在能量相对较高的位置，而P型半导体中空穴却处在能量相对较低的位置；当它们相遇，电子会占据空穴原来的位置，这就好比足球从二楼落到了一楼，多出了能量；而某些半导体材料多余的能量恰好可以以光的形式释放出来，于是，一支发光二极管就诞生了。
发光二极管的基本原理与荧光灯相同，都是冷发光现象；但是发光二极管发光效率比荧光灯还要高，可以将30%或者更高的电能转化为光能，而研究人员更是希望将这个比例提高到60%。荧光灯点亮时虽然不像白炽灯那样烫手，还是能明显地让我们感觉到它在发热；而把手放在一盏发光二极管灯具上时，我们几乎感觉不到发热，显然这意味着更少的电能被变成热能浪费掉。发光二极管的使用寿命也长于荧光灯，可以持续使用20,000小时不会损坏，有些更是可以达到50,000小时。
除了比荧光灯更加节能，发光二极管还由于不需要使用有毒的汞，避免了汞释放带来的环境危害。另外，发光二极管的构造也比荧光灯简单，因此更加小巧；由此带来的使用上的便利以及降低运输过程中的能源消耗也不可忽视。比比看，你的电脑显示器的背光源从荧光灯替换到发光二极管后是不是轻薄了许多？
冷发光如何发出白光？
细心的朋友可能注意到了，与白炽灯相比，冷发光虽然有许多优点，但是也有一个问题，那就是只能发出一种颜色的光。对于指示灯、信号灯等用途，单色灯已经足够了，然而如果用于室内照明，单色光会让人觉得很不舒服。那么怎样才能让荧光灯和发光二极管发出柔和的白光呢？
大家知道，白光是可见光中不同颜色的光混合的结果，所以要想利用冷发光得到白光，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，可以站在不同层高的二楼让足球落下——层高不同，足球可以释放的能量也不同。同理也可以通过改变分子结构来调整电子所处的“层高”。我们之所以能够看到不同颜色的萤光棒，就是因为其中添加了“层高”不同的分子，发出的光自然就迥异了。
有了发出不同颜色的光的荧光灯或者发光二极管，我们就可以将它们组合起来形成白光，但实际上白光中虽然包含了许多不同颜色的光，但我们的眼睛只对其中红、绿、蓝最为敏感，因此只需要将这三种颜色的光按照一定比例混合，就会产生白光的效果。而红光和绿光混合又会产生黄光，所以要想产生白光效果，可以直接将黄光和蓝光混合，这种混合后能产生白光效果的两种颜色就是通常所说的互补色。荧光灯和发光二极管就是利用互补色来产生白光。
荧光管的内壁通常涂有两种不同的荧光材料，受到紫外线照射时，它们分别发出黄色和蓝色的荧光，混合之后就达到了白色的效果。而常见的白光发光二极管则是将蓝光发光二极管封装到内壁涂有黄色荧光材料的灯管中——发光二极管产生的蓝光激发荧光材料产生黄光，二者混合之后达到白光的效果——这种白光发光二极管实际上相当于发光二极管与荧光灯的混合体。另一种常见的白光发光二极管，则是将发出红、绿和蓝这三种颜色的发光二极管封装在一起，从而达到白色的效果。不过，严格地说，荧光灯和白光发光二极管发出的并非真正的白光，而是通过巧妙的方式欺骗了我们的眼睛，让我们觉得与真正的白光并无二致。
让数字说话
前面介绍了发光二极管这么多的优点，那么用发光二极管代替白炽灯或者荧光灯到底能够为我们节省多少呢？让我们来看一看根据美国的情况做出的估算。
假设我们有一盏功率为60瓦的白炽灯，要达到与它同样的照明效果，荧光灯和发光二极管分别只需要14瓦、10瓦的功率就够了。如果用这三种灯具持续提供5万小时，也就是在每天照明6小时的情况下使用20多年，各自需要多少支出呢？
白炽灯提供5万小时的照明需要耗去300美元的电费；另外，白炽灯的寿命一般只有1,000小时，这意味着在这20多年里我们需要更换40多只灯泡。尽管三种灯具中白炽灯最便宜，更换这么多灯泡仍然是一笔不小的支出，要50多美元，总的成本超过了350美元。荧光灯提供5万小时照明只需要70美元的电费，虽然它比白炽灯要贵，但由于使用寿命长，我们只需要花不到20美元买5只灯具就够了，因此总的支出大大降低，只有不到90美元。发光二极管提供5万小时的照明需要消耗的电费更低，只有50美元，可惜由于目前发光二极管灯具仍然比较贵，节省的电费大部分被额外的灯具支出抵消。不过即便如此，用发光二极管提供照明的总支出也只有约86美元，仍然低于荧光灯。可见，白炽灯电能浪费严重，效率最为低下，而用荧光灯和发光二极管提供照明则能明显节约能源和资源。随着发光二极管生产技术的不断改进，相信发光二极管的成本还会大幅下降，到那时它还能够为我们带来更多的实惠。
也许你会觉得一盏灯的差别微不足道，可是不要忘记，全世界范围内有不计其数的灯具在提供照明。仅在美国，每年就有超过10%的电力用于照明，如果效率都能够得以提升，带来的能源和资源的节约将是非常可观的。无数的研究人员致力于开发比传统灯具更加节能环保的发光二极管，正是为了我们能够在享受美好生活的同时更好地保护我们的家园。
（作者：嵌段共聚物）
【参考文献】
https://pveducation.org/pvcdrom/pn-junction/doping
Colin J. Humphreys, “Solid-State Lighting”, MRS Bulletin, 2008, 33, 459
https://www.energyintelite.com/sunlight-and-led-lighting/
