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解读2014物理诺奖 精选

已有 5353 次阅读 2014-10-8 21:01 |个人分类:物理新视点|系统分类:论文交流

解读2014物理诺奖 

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蓝光LED的发光原理

                                     晏成和

今年的诺贝尔物理奖奖给了发明蓝色发光二极管（LED）的三位工程物理研究者。蓝色发光二极管为什么可获如此褒奖？

现在我们手机的屏幕、电脑、彩电的屏幕都是LED彩屏。而在以前的手机都是单色屏、彩电、电脑是等离子屏或液晶屏，不仅耗能高，而且工艺复杂、性能不稳定。为什么当时不用LED？是因为早期的发光二极管（LED）只能发出红光、黄光，不能形成三原色制成彩屏，也不能制成白色的LED节能灯。

是今年获奖的三位探索者锲而不舍，用了近20年的努力，终于找到了蓝色发光二极管的配方。于是我们才有了能耗低、性能稳定、甚至可转曲的彩屏，有了广泛使用的节能灯。

有人纠制作结蓝色的LED属于技术发明，得科学奖有点勉强。其实科学、技术的界分本来就不是泾渭之分，获奖者给人类带来了这么多的方便和实惠，也的确是实至名归。

要解读今年的蓝光LED诺贝尔物理奖，有必要从光的形成说起。

 发光二极管，也就是LED，是继油灯、白炽灯和荧光灯之后照明技术的又一次突破。油灯、白炽灯能够发光，自然界这些光是哪里来的？

  现代研究表明，光是电磁波。红光、橙光、蓝光各是不同频率的电磁波。而油灯、白炽灯丝是由原子组成，原子是由原子核与核外运转着的电子组成。物质原子中的电磁波是哪里来的？电磁波难道会无中生有？

 

奥斯特实验发现了直流导线的周围产生磁场，探究其微观机理是：电子的运动（直线运动、转动）伴生着磁场。

电子的绕核转动及在导电内的流动是线性运动，线性运动所伴生的电磁波是磁场。此外，与发光息息相关的是电子的振动，电子的振动使电磁脱离场源形成辐射的电磁波（发光）。

当温度较高时，电子绕核运转同时的跃迁运动是一种振动；电子在强磁场或高压电场作用下也会发生振动，电子振动所伴生的电磁波的宏观表现是辐射不同频率的光。

于是，光是从哪里来的？光是怎样形成的？就有了答案：电子在运动时伴生着电磁场，电子的振动使伴生的电磁脱离场源形成辐射的电磁波。光的形成就是由于电子振动所辐射的电磁波。而不是所谓的光子。

 

电子振动由三种原因所引发：一是高温物质核外电子跃迁所引发的振动，这种振动需要物质的温度高于环境温度，运转速率很高的核外电子的跃迁运动，才能辐射达到可见光的频率，我们把这种高温物质核外电子的跃迁辐射所形成发光叫热发光，其光源叫热光源。岩浆、铁水、火焰、灯丝等高温物质的发光，就来自于高温物质核外电子的跃迁运动，跃迁是核外电子在能级间的跳动，是一种振动，热发光就是高温物质运转着的核外电子跃迁所辐射的电磁波。

二是电子在磁场或强电场的作用下引发的电子受激振动，这样的电子振动与温度无关、与核外电子运转速率无关，我们把这种不需要高温而使电子振动所形成电磁波辐射叫冷光源。

三是半导体发光，是在4价晶体（硅、锗）中通过参杂、形成了电子运动的紊乱，一些电子因外来电子的干扰，形成不了绕核电子而发生振动。PN结内没有归宿的电子的较高频振动辐射出电磁波使得半导体发光。LED属于冷光。

 

热光源：

物质的温度越高，核外电子的速率就高，电子跃迁所辐射的频率就越高。于是我们就看到了热物质的发光。如：火光、烛光、白炽灯的灯光。

火光为什么是红的？因为这些物质的温度在800-1000℃左右，核外电子的速率在红色、橙色频率附近，所以核外电子跃迁时辐射出橙红色的光。而白炽灯的灯丝温度在2500℃，其光色显得白亮（其中多了橙、黄、绿的成分）。热光源一般是多种频率共存，除了橙光、红光，还有大量的红外波、微波，这些波是热辐射，我们的眼睛看不见，热光源的发光伴生大量的热辐射，所以效率很低（白炽灯的发光效率仅有7%）。

 

冷光源 

     冷光源是在强电场、磁场作用下电子受激振动所辐射出的高频率电磁波。这里，电子是指自然界游离电子及非跃迁运动的原子外层电子。

因为冷光源的发光是电子在磁场或电场作用下发生振动所辐射的电磁波，这种高频振动与电子绕核运转的速率无关、与物质温度无关，仅仅与电子受激振动的频率、振幅相关，发光时不会伴有强烈的发热，不会伴有大量的红外波、微波。所以发光效率极高，能节约大量的能源。如：荧光灯、节能灯、极光、生物（如萤火虫）的发光、半导体发光（LED）等。

荧光灯：也叫日光灯，是在高电压电场作用下，电子穿过水银蒸汽和氖气混合气体时使得这些气体表层电子发生强烈的振动，电子的高频振动伴生着紫外线（高频电磁波），紫外线在管壁的荧光物质作用下，形成了近似日光的明亮灯光。荧光灯发热极少，所以人们把日光灯叫做冷光源，其发光效率较高。

霓虹灯：霓虹灯的发光原理与日光灯相似，也是在高电压的作用下，电子穿过气体，引起气体表层电子发生振动而发光。如果在灯管中充氖气则发红光，充氩气则发紫光，充水银蒸汽则发灰绿色的光，于是城市的夜空就有了这五颜六色的光彩闪耀。不同的光彩是不同频率的电磁波，霓虹灯向我们昭示：不同元素的气体其核外电子的速率是各不相同的，其振动的频率是稳定的。

极光：极光是在地球两极附近大自然所发出的彩色天光。极光发生在100至300公里的高空，电离层游离电子在运动时所伴生的磁场与地球磁场相互作用，使电子发生激烈振动而伴生的电磁波。极光也是冷光，极光的发生与高空电子流运动的方向、速度与地球磁力线的相互作用相关。所以极光能呈现多种频率、绚丽多彩。并能发生流光溢彩的色彩变换。

 

半导体发光（LED）：近年来，半导体发光以发光效率高（90%）、能有各种色彩、响应快、能制成各种形状而深受人们的青睐。

半导体是在4价晶体（硅、锗）中通过参杂、组合而具有特殊效能的电器原件，如二极管、三极管，LED就是一种发光二极管。

发光二极管的工艺是：在纯的半导体晶体中参入少量的3价元素，形成Ｐ型（缺少电子或带正电型）晶体；在纯的半导体晶体中参入少量的5价元素，形成Ｎ型（多出电子或带负电型）晶体；在Ｐ型晶体与Ｎ型晶体结合处就形成ＰＮ结。

当电流从Ｎ流向Ｐ，在PN结处因有多出和缺少电子相连，形成了电子运动的紊乱，一些电子因外来电子的干扰，形成不了绕核电子而发生振动。电子的低频振动发出红外线，半导体发热；PN结内没有归宿的电子的较高频振动辐射出电磁波使得半导体发光。

依照参杂的材料不同，发光二极管能够辐射出不同频率（色彩）的亮光。早期的发光二极管（LED）因为参杂材料的频率所限，只能发出红外线、红光，后来发明了黄光的参杂材料。而蓝色光频率最高（在三原色中），需要找到核外电子速率很高的参杂材料。寻找蓝色参杂材料极为困难，经过20年的努力，试验了数千种材料，终于找到了核外电子速率很高的氮化材料，这种参杂材料在PN结内能够以极高的频率振动，辐射出电磁波频率达到蓝光、紫光，终于制成高亮度的蓝色LED。

因为这种半导体发光电子的振动不是跃迁运动，所以发光二极管属冷光源，发光效率很高，能制成节能灯。而且这种发光能够随电流的变化而立即改变，响应达到毫秒级，因而能制成高质量的显示器。

2014-10-8

相关专题：2014年诺贝尔奖
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[9]N2N2  2014-10-15 18:24

那些讽刺新思维新思想者，实乃真正一知半解之人。
三个好皮匠，赛过诸葛亮。旗帜鲜明支持博主晏成和先生。

[8]N2N2  2014-10-15 18:20

那些讽刺新思维新思想者，实乃真正一知半解之人。
三个好皮匠，赛过诸葛亮。旗帜鲜明支持博主晏成和先生。

[7]dawnlight  2014-10-12 11:53

我怀疑博主没有学过固体物理。应该好好看看，搞清楚发光机理再说。

[6]何海平  2014-10-11 09:43

同意1楼观点，错误太多了，这个文章怎么还精选？一例：楼主不知从哪里抄来Si,Ge的掺杂，直接就套到LED上。都不知道Si,Ge是间接带隙半导体，发光效率极低；LED通常用直接带隙半导体，蓝光二极管用的是GaN，哪里是什么4价晶体？

[5]Zjinney  2014-10-9 21:03

   憋不住了

[4]Zjinney  2014-10-9 20:03

电子振动是个啥意思。

博主回复(2014-10-9 20:46)：你先要知道振动是个啥意思。

[3]张林  2014-10-9 16:15

作者显然是个外行，有点民科的味道！

博主回复(2014-10-9 17:01)：各抒己见。

[2]卢文全  2014-10-9 00:43

博主拿诺奖项目"蓝光LED"的发光原理为题,在胡扯自己并未搞得太清楚的各种发光原理.

博主回复(2014-10-9 09:16)：以诺奖项目"蓝光LED"为契机，在大家对物理光学感兴趣时，发表了发光原理的文章，取得了很好的效果。

[1]mirrorliwei  2014-10-8 23:01

没有细读，但是原理的解说错误很多，甚至一半儿以上都是错的。等有时间再细论吧。

博主回复(2014-10-9 08:45)：愿闻其详。