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LED
原理与应用
杨 先
（广州市高级技工学校，广东 广州 510410）
【摘 要】节能环保是当今社会发展的热点，各种节能措施和技术不断涌出。文章详细介绍了LED 技术的发光和节能基本原理，并阐述其在日常生产生活中的实际应用。
集飞行器
【关键词】节能；PN 节；LED；应用 【中图分类号】TM923 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2010)12-0114-02
节能、环保、减排是当今社会发展的热点问题。这里所要讲述的是节能领域中一种新的产品发光二极管（Light Emitting Diode，简称写为LEDn）。与普通的白炽灯、日光灯相比，要达到相同的照明效果或亮度，其能耗只有后者的1/10，而寿命确能达到后者的10倍。在能源供应日趋紧张的今天具有十分重要的意义。我国目前照明消耗的电能约占电力总消耗量的1/6，若是其中之1/3的白炽灯被LED 代替，则每年可节约用电1011度，这相当于三峡电站一年的发电量[1] 。而在美国若其白炽灯中的50%用LED 代替，则每年可以节约
350亿美元，减少7.5亿吨二氧化碳的排放。因此LED 被誉为
21世纪最具竞争力的固体光源。
（一）LED 的原理
简单地说在一块本征半导体的两边通过不同的掺杂分别
做成P 型和N 型半导体。P 型半导体中空穴为多数载流子，N
型半导体中电子为多数载流子。由于浓度差，这两种载流子
会自发向对方区域扩散。因为空穴带正电，电子带负电，所
以两种载流子会在交界面复合，从而在交界面两侧形成一个
空间电荷区，其电场方向由N 指向P，这就是PN 节。这个内
电场的形成阻碍了多数载流子的扩散运动，因此一定温度下PN 节的尺度是确定的(见图1)。 当PN 节外加正向电压时（P 型半导体接电源正极，N 型半导体接电源负极），外电场与内电场作用，总的效果是削弱内电场，从而空穴和电子可以再向对方区域扩散形成稳定的电流。此时高能态的电子与空穴复合时就把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转化成光能（见图2）。当然在发光二极管的PN 节上加反向电压（P 型半导体接电源负极，N 型半导体接电源正极），由于内电场被加强，所以进一步阻止了多数载流子的扩散运动，电路不能导通就不能发光。
图1 图2
图3
值得注意的是，不是所有的半导体材料都能用来做成发
光二极管的，目前用得较多的是GaP(磷化稼)，GaAsP(磷砷化稼)等。通常的LED 结构见图3。 （二）LED 的优势 与目前大量使用的白炽灯、日光灯、高压汞（钠）灯等相比，LED 具有以下的优势： 1.发光效率高节能效果明显。要达到相同的照明度，LED 消耗的电能只有白炽灯的10%，在能源紧缺的今天具有较大的
经济效益。
2.使用寿命长。传统的马路照明使用的高压灯一年半左右要更换一次，而大功率的LED 光源则可以使用10年以上，使用寿命是普通照明灯具的10倍。
3.安全可靠。LED 具有工作电压较低、密封性好、体积小、没有易碎的玻璃、抗震性好等特点，因此使用时安全可靠；
4.单性强、无频闪现象。目前在这一领域中已开发出单性好的红、橙、黄、蓝、绿LED，应用于
交通指示、夜景装饰照明等有特殊需要的场合，不久前高亮度的白LED 也研发成功，可用于普通照明领域。由于其发光时无频闪现象，能有效保护人的视力。 （三）LED 的应用 LED 作为新型、高效、节能、环保的产品，正悄然走进人
们的生产生活。在许多领域都得到了广泛的应用[4][5][6][7][8]。 1.交通指示信号 在交通指挥中，要大量用到红、黄、绿的信号灯，LED 的单性能满足这一要求。目前这一邻域的大部分灯具都是LED 的产品（见图4）。
提前放电避雷针
图4 LED 交通指示灯
2.夜景照明
在城市中，一些重要的建筑、商业中心、休闲娱乐场所等在夜间需要用各种不同颜的灯光进行装饰。以前大量使用的是霓红灯，存在制作工艺难度大、玻璃部件过多易碎、工作电压高、能耗大等弊端和安全隐患。现在在政府的大力推动下，越来越多的LED 产品应用到夜景照明中。如上海的东方明珠电视塔，全塔的光导点现已换成了LED 灯，且夜间光彩依旧，每天因此而节约下来的电够800多户居民使用4小时。
【收稿日期】2010-08-30 【作者简介】杨先（1977－），女（白族），云南大理人，广州市高级技工学校教师，从事电子技术教学和研究。
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3.特种照明
在一些特殊场场合，如军事和医疗上，需要光源无红外辐射和热辐射。若采用普通的光源则很难达到要求，采用LED 后则可以消除这些弊端。采用LED 照明的军用车辆，能在夜间行使时更具隐蔽性和安全性。手术室的照明若采用LED 则能满足不发热、无重影的良好效果（见图5）
。
图5 LED 医用无影灯
4.作为背光源
在液晶电视、手机等显示屏后大多采用LED 作为背光源。普通萤光灯、日光灯发光响应时间一般为毫秒级，而LED 则能达到纳秒级，从而使电视图象看起来更加流畅和鲜明。并且能有效节约用60%以上的电能（见图6）
。
图6 LED 背光源电视
5.城市道路照明
LED 在开始研发阶段其功率只有几毫瓦，而目前国内的很多LED 产家都能生产出单灯功率超过200瓦的产品。上海、北京、杭州等城市已决意采用高效节能的LED 来代替传统的高压钠（汞）灯做为夜间道路的照明（见图7）
。
图7 LED 背光源电视
6.电子广告牌
在机场、地铁等地经常看到利用电子牌提示的相关信息、
为出行的人提供相关的信息，给大家带来方便。其实这种电子牌就是利用LED 来制作的。在一些商业区，户外的电子广告墙小的有几平米，大到几十平米，其基本元件也是LED，通过相应的控制电路，让这数千数万个LED 发出不同颜的光，就能显示出很流畅的图像（见图8）
。
图7 LED 电子广告牌
值得一提的是近年来该领域发展的一种新思路—太阳能
翻转立方体
与LED 的结合。在一些生活小区、公园、景区等地，已出现利用太阳能电池板对LED 进行供电的示范工程。这种照明是独立成系统，不需要从电网获得能量。从而进一步拓宽了太阳能和LED 的应用，能取得更好的节能效果（见图8）
。
图8 LED 与太阳能结合照系统明
【参考文献】
[1] 吕慧敏，蔡永泉.节能高手——LED 的应用[J].现代显示
2006,70:49-51.徐山泉
[2] 刘向阳.发光二极管（LED）和背光源透视[J].光源与照
明,2008,4:14-17.
[3] 屠大维，吴仍茂，杨恒亮，等. LED 封装光学结构对光强分布
的影响[J].光学精密工程2008,16(5):833-837.
[4] 王春丽.LED 光源的电视应用[J].信息通讯,2008,5:75-77.
[5] 孙建领.LED 光源在矿井工作面照明灯中的应用[J].半导体
技术,2008,33(12):1062-1065.
切纸刀片>电极糊（上接第122页）事物以便学生形成表象。演示能使学生从感性上认识一定的客观事物，为理性认识打下基础。演示分为静物演示和动态现象演示，前者包括实物、模型、图片等的演示，后者包括实验演示、活动图像演示。问题方法：学习的过程实际上是一个提出问题、分析问题和解决问题的过程。学习应该从提出问题开始，在分析问题过程中得以发展，并从解决问题中获得能力。问题的提出一般有两种方式，一种是由教师提出的。教师根据教学需要和教学内容的特点精心设计问题，诱导学生深入思考；另一种由学生提出，教师应鼓励和提倡，并有意识培养学生大胆提问。物理学是一门以实验为基础的自然科学，物理教学也应以实验为基础，应重视为学生的学习创造一个良好的物理环境，将有关的物理现象和过程充分地、真实地展现于学生面前，让学生感知，以激发学生学习物理的兴趣，培养学生动手操作、运用实验方法研究物理问题等方面的能力。在课堂教学中要自始至终
贯彻启发式教学思想，其目的就是充分调动学生课堂思维的积极性，掌握物理思维的基本方法，培养和发展学生质疑提问、求异思维的能力，培养其科学素养和学科精神。
（四）物理教师自身的素养
作为一名物理教师不但要有丰富的知识，有娴熟的教学技能和方法，还应当有良好的素养。不但以物理知识和教学方法来征服学生，赢得学生的尊重和信赖，还应当以个人魅力来赢得学生的喜爱。
【参考文献】
[1] 阎金铎，田世昆.中学物理教学概论[M].高等教育出版
社,1990.
[2] 阎金铎.中学物理教材教法[M].北京师大出版社,2002. [3] 许国梁.中学物理教学法[M].人民教育出版社,1980.
