光源燈

發光二極體燈泡無論在結構上還是在發光原理上，都與傳統的白熾燈有著本質的不同。發光二極體是由數層很薄的複雜半導體材料製成，一層帶過量的電子，另一層因缺乏電子而形成帶正電的“空穴”，當有電流通過時，電子和空穴相互結合併釋放出能量，從而輻射出光芒。

長期以來，人們之所以沒有將發光二極體用於照明，主要是因為發光二極體通常只能發出紅色光或黃色光，要想獲得白色光，還必須製造出能發出藍光的發光二極體。這樣，紅、黃、藍三種光“混合”后，就產生出白光。科學家發現了一種新型半導體材料―――氮化鎵，它在經過適當處理后就能發出藍光。發藍光的問題解決后，發白光的問題就有了希望。英國劍橋大學材料系的柯林。翰弗萊斯稱，他們在實驗中已研製出可發白光的發光二極體燈泡，這種燈泡發出的光線與陽光十分接近，具有良好的應用前景。他說，發光二極體燈泡以半導體為材料，因此，這種發光裝置可以做得很小，只有幾毫米，將其安裝在牆壁或天花板上，如果不開燈，幾乎察覺不到它們的存在，這樣就免去了普通白熾燈需配上燈罩以防光線刺眼睛的麻煩。另外，這種燈泡的壽命很長，安上後幾乎不用更換，今後人們也許會忘記換燈泡是怎麼一回事。目前，他正在呼籲英國政府增加投入，以保證英國能在這一技術領域走在前列。

除經久耐用外，這種燈泡在節能方面也有很大潛力。要了解二極體的發光原理，首先要了解半導體的基本知識。半導體材料的導電性質介於導體和絕緣體材料之間，它的獨特之處在於：當半導體受到外界光和熱條件的刺激時，它的導電能力會發生顯著的變化；在純凈的半導體中加入微量的雜質，其導電能力也會顯著的增加。在近代電子學中用得最多的半導體就是硅（Ｓｉ）和鍺（Ｇｅ），它們的最外層電子都是４個，在硅或者鍺原子組成晶體時相鄰的原子相互影響，使外側電子變成兩個原子共有的，這就形成了晶體中的共價鍵結構，這是一種約束能力很小的分子結構。在室溫（３００Ｋ）情況下，由於受到熱激發就會使一些最外層電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵束縛變成自由電子，這個過程叫做本徵激發。在電子擺脫束縛成為自由電子后，共價鍵中會留下一個空位，這個空位稱為空穴，空穴的出現是半導體區別於導體的一個重要特徵。由於共價鍵出現了空穴，在外加電場或者其他的能源作用下，鄰近的價電子就會填補這個空穴，而這個電子的原來位置上又形成新的空穴，以後其他電子再轉移到這個新的空穴上。這樣就產生了一定的電荷轉移我們可以用以下公式對本徵半導體中的自由電子的濃度進行計算：ｎｉ（Ｔ）＝ＡＴ３/２ｅ－ＥＧ/２ｋＴ式中， ＥＧ——電子掙脫共價鍵束縛所需要的能量，單位是ｅＶ（電子伏），又被稱為禁帶寬度； Ｔ——溫度； Ａ——係數； ｋ——波耳茲曼常數（１．３８×１０－２３Ｊ/Ｋ）； ｅ——自然對數的底。由於在本徵半導體中自由電子和空穴是成對出現的，所以這個計算公式也可以用來表示空穴的濃度。在半導體中自由電子（或空穴）的濃度越高，導電能力越強，在常溫附近，溫度每升高８℃，硅的自由電子濃度增加1倍；溫度每升高１２℃，鍺的自由電子濃度升高1倍。在本徵半導體中加入少量的五價元素雜質如磷等，它在與其他半導體原子結成共價鍵以後會有一個多餘的電子，這個多餘的電子只需要非常小的能量就能擺脫束縛成為自由電子，這類雜質半導體被稱為電子半導體（Ｎ型半導體）。而在本徵半導體中加入少量的三價元素雜質（如硼等），因為它外層只有三個電子，在與周圍的半導體原子組成共價鍵以後會在晶體中產生一個空位，這類雜質半導體被稱為空穴半導體（Ｐ型半導體）。在Ｎ型和Ｐ型半導體結合后，在它們的交界處就會出現自由電子和空穴的濃度差別，於是電子和空穴都要向濃度低的地方擴散，留下了一些帶電卻不能移動的離子，從而破壞了Ｎ區和Ｐ區原來的電中性。這些不能移動的帶電粒子通常被稱為空間電荷，它們集中在Ｎ區和Ｐ區交界面附近形成了一個很薄的空間電荷區，這就是我們所說的ＰＮ結。在ＰＮ結的兩端加上正向偏置電壓（Ｐ型的一邊加正電壓）后，空穴和自由電子就會相互移動，形成一個內電場。隨後新注入的空穴和自由電子再重新複合，複合的同時有時會以光子的形式釋放多餘能量，這就是我們所見到的ＬＥＤ發出的光。這樣的光譜範圍是比較窄的，由於每種材料的禁帶寬度不相同，所以釋放出的光子波長也不同，所以ＬＥＤ發光的顏色由所使用的基本材料決定。