可见光、电磁波及原子的发光原理——LED知识（一）

施克孝

（中广国际建筑设计研究院，北京 100034）

可见光、电磁波及原子的发光原理
——LED知识（一）

施克孝

（中广国际建筑设计研究院，北京 100034）

编者按：

近年来，LED灯具在照明领域应用得越来越多，像建筑照明、景观照明、家居照明、路灯、汽车灯等；并开始作为效果光、人物光等，用于电视和舞台演出中。很多读者尤其是青年读者对LED很感兴趣，希望多了解一些LED光源和灯具方面的知识。为此，我们特别邀请施克孝老师就LED光源的基本知识、关键技术及发展方向等主题撰写系列文章，以期普及LED知识，对读者有所帮助。

介绍了可见光、电磁波及原子发光原理等光学的基本知识。

LED；可见光；电磁波；原子的发光原理

1 序言

LED（Light Emitting Diode 三个单词的词头缩写，即发光二极管）是一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器件，发明于20世纪60年代。以LED为发光体的光源称为LED光源，涉及光学、材料学、电子技术、制造工艺等多方面的技术。目前，围绕LED产品已经形成了一个很大的产业链。上游产业是 LED衬底晶片及衬底的生产，中游产业是LED芯片的设计及制造，下游产业是LED的封装、应用技术的研发等。

对于从事影视、舞台灯光工作的人员而言，学习LED知识应该侧重应用性，多学习与应用有关的基础知识，包括了解一些关键技术。这样，就不会喧宾夺主，而能把劲儿使在“刀刃上”。

在学习LED的基本知识时，一定要学习光学的某些最基本的概念，例如原子发光原理、半导体材料，及P-N结的基本知识、光源的光效、显色指数、光谱分布及色温等；LED的导电特性；发热及散热的基本知识；调光电路的PWM（脉宽调制）技术等。电视、舞台灯光工作者要学习一些各自领域的有关知识。虽然这要花费一些时间，但对深入学习LED的基本原理和关键技术是非常有益的。

要了解光学的基本概念，让我们先从可见光说起。

2 关于可见光及电磁波的基本知识

电磁波是一个大家族，可见光只是这个大家族中的一员。宇宙射线、γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线以及雷达、GPS卫星定位、电视广播、调频广播、中短波广播、音频、电力传输等都是这个大家族的成员，如图1所示。

从图1可以看出，可见光只是这个大家族中的一员。

在电磁波这个家族中，是按波长来区分它们的。波长不同，它们的性质也就不同。在图1的排列中可以看出，宇宙射线的波长最短，电力传输的波长最长。可见光的波长范围是从380 nm～780 nm。nm（纳米）是长度单位，1 nm等于十亿分之一米，即1 nm = 10-9m。在可见光范围内，波长不同，光的颜色也不同。可见光波长范围为380 nm～780 nm，它们的颜色分别是紫、蓝、青、绿、黄、橙、红。

在研究可见光的时候，我们可以把可见光的范围，即从380 nm～780 nm的范围叫做“内”；把可见光以外，即比380 nm更短的波长和比780 nm更长的波长都叫“外”。比380 nm波长更短的电磁波是看不见的，因为它在紫光的外边，因此叫紫外线。同样的道理，波长比780 nm更长的电磁波也是看不见的，因为它在红光的外边，因此叫红外线。原则上，看得见的叫“光”，看不见的叫“线”。因此有红光、绿光、蓝光以及紫外线、X射线、宇宙射线等说法。因为紫外线和红外线除看不见以外，其他许多性质都和可见光一样或接近，因此近些年有的书中也把紫外线和红外线叫做紫外光和红外光。

大家知道，光在真空中的传播速度是3×108m/s，这是一个不变的常数，用大写字母C表示。这个速度也适合所有电磁波家族，而且它等于波长与频率的乘积，如公式（1）。由公式（1）可以导出公式（2）和（3）。

图1 电磁波家族

既然电磁波在真空中的速度是一个常数，它又等于频率和波长的乘积，这就说明频率越高，波长越短；频率越低，波长越长。例如，波长为500 nm的可见光，它的频率是6×1014Hz；北京交通台的广播频率是103.9 MHz，它对应的波长是2.9 m；我国电力传输的频率50 Hz ，波长是6 000 km。

3 关于原子的发光原理

我们知道，人造地球卫星是围着地球转的。人造地球卫星距离地面的高度是可以人为控制的。发射时给它的能量越大，它的飞行轨道就越高。相反，发射时能量小一些，卫星的飞行轨道就低一些。如果把原子放得很大，与上述情况极其相似。原子核就像地球，围绕它旋转的电子就像人造地球卫星。电子的“飞行”轨道越高（离原子核越远），它带有的能量就越大；电子的“飞行”轨道越低（离原子核越近），它带有的能量就越小。但是，原子与地球也有不同之处。原子中的电子轨道高度不是任意的，它只能处于某个高度的轨道。电子或者处于较低能级的轨道E1，或者处于较高能级的轨道E2，而不能处于中间的其他轨道。

电子一般处在E1轨道，这是基本状态。可以说，E1轨道是它的“家”。电子在吸收一定的能量后，就从轨道E1跃升到E2，如图2所示。但是，电子是“恋家的”，E2轨道不是它的家。E2轨道是不稳定状态，电子要“回家”，回到E1轨道。电子在“回家”的时候，就是从E2轨道降低到E1轨道的时候，要放出它原来吸收的能量，放出能量的形式就是发光——发射一个光子，如图3所示。

图2 电子升高轨道

LED发光器件包括基板、P-N结、电极、封装材料等，是一个很复杂的结构。但其核心结构——P-N结就像一个三明治，在P型半导体和N型半导体之间有一个发光层，如图4所示，在P型半导体加直流正电压，N型半导体加直流负电压的情况下，电子在从N型半导体奔向P型半导体的过程中，不断吸收电能跃升轨道，又不断回到原轨道而发出光子。不同材料电子跃升的轨道高度不同，能量不同，发出光的波长不同，因此，颜色也不一样。

这里还有一个小常识，当初规定电流从正极流向负极的时候，还没有发现电子。后来才知道，在电场的作用下，电子总是从负极流向正极的，与电流方向正好相反。电流从正极流向负极的规定方向为什么没有改呢？这是因为后来人们又发现气体和液体中，在一定条件下，会产生正离子和负离子。在电场的作用下，正离子从正极流向负极，负离子从负极流向正极。如果我们把电子、正离子、负离子都看成带电的粒子，并不是所有的带电粒子都从负极流向正极。而是有的粒子（正离子）从正极流向负极，有的粒子（负离子、电子）从负极流向正极。既然这样，电流方向也就没必要再做改动了。

前面已经说过，电子从E2轨道回到E1轨道的时候，要发射一个光子。那么这个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——电子在E2轨道的能量，J；

E1——电子在E1轨道的能量，J；

H ——普朗克常数6.626 1×10-34J·s（焦耳·秒）；

C——光速3×108m/s；

υ ——频率，Hz；

λ ——波长，m。

从公式中可以看出，光子的能量大小与光的波长成反比。这一点非常重要。这就是说，光的波长越短，光子的能量越大。紫外线的波长比可见光的波长短，紫外线的光子能量比可见光的光子能量大；可见光的波长比红外线短，可见光的光子能量比红外线的光子能量大；在可见光范围，紫光比绿光的波长短，紫光的光子能量比绿光的光子能量大；绿光比红光的波长短，绿光的光子能量比红光的光子能量大。正因为如此，在LED光源中，总是用紫外线激发荧光粉，而得到白光（可见光），或用紫光激发荧光粉，得到黄光或红光等。这一规律是科学家斯托克斯发现的，因此叫斯托克斯定律。荧光粉在把波长较短的光转换成波长较长的光时要有一部分能量损失。

［1］郑少波，赵清. 物理光学基础. 北京：国防工业出版社，2009

［2］施克孝，于宝富. 彩色电视照明原理与布光技巧.北京农业大学出版社，1988

（编辑 张 淼 张冠华）

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