蓝光led 2014年10月7日,2014
作者:admin 发布时间:2023-10-05 04:38:15 分类:答疑 浏览:64
2014年10月7日,2014年度诺贝尔物理学奖授予日本名古屋大学的赤崎勇,天野浩以及美国加州大学圣巴巴拉分校的中村修二,以表彰他们在发明一种新型高效节能光源方面的贡献,即蓝色发光二极管(LED)。CFP供图
诺贝尔物理学委员会本来预计北京时间2014年10月7日17:45召开会,我耐心地等。17:45刚过,手机端新闻就跳出一个消息,日本3位物理学家获得今年的诺贝尔物理学奖。腾讯新闻弹出:“日本物理学家赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano)和日裔美籍科学家中村修二(Shuji Nakamur)获奖。”看到这些名字,我知道今年的诺贝尔物理学奖颁给了与发明LED有关的科学家。
什么是LED
LED,这个缩写词的原文是light-emitting diode,对应的中文是“发光二极管”。即使我们用中文,很多人照样不明白其意思。这样说也许大家都会明白:LED就是电视遥控器上那个发出红外信号的灯。这种灯,既不是传统的白炽灯,也不是现在流行的荧光灯(所谓的节能灯也是荧光灯),而是一种半导体做成的灯。
诸位会问,电视遥控器我们也用了二十多年,为什么这么重要的信号发射器现在才获奖?原因很简单,你用的电视遥控器上的发光二极管或LED,只发射红外光线,不发可见光,因此用处有限。所以,要弄明白这次诺奖为什么发给三位日本人,我们需要梳理一下LED的发展史。
二极管的物理原理
在梳理LED发展史之前,我先梳理一下我自己的历史。在我小的时候,那时家里还用效率低下的白炽灯的时候,我就读过与LED多多少少有关的物理,这些物理藏在我妈读中专时的一本教科书中,其中提到了场致发光。可以说,LED的发光原理就是一种场致发光:你将电压加在某种半导体做成二极管上,它就发光了。二极管的材料不同,发出的光就不同。有的发出红外光,有的发出红光,有的发出黄光。而3位日本人的功劳是,发现了发出蓝光的二极管。
那什么是二极管?我们小时候听过半导体收音机的人都知道什么是二极管,现在的年轻人知道的可能不多了。简言之,就是用半导体制成的一种“结”,在结的两端加上电压,如果是正压就会出现电流,如果是负压就不会出现电流(当然你别加得太多,任何东西都会被足够高的电压击穿)。
二极管的单向导电性的原理很简单,就是因为一端有游离的电子,另一端有游离的电子空穴。如果你给二极管加上电压,那么电子向电压高的地方跑,空穴向电压低的地方跑,它们碰到一起就“湮灭”发光。事实是,电子填补了空穴,能量降低了,多余的能量变成光被抛出来了。能量越高,发出的光的波长就越短。也就是说,红外光的能量最小,现在的紫外LED发出的光能量最高。
物理原理很简单,所以LED想要获奖,必须有应用,而且必须是重要应用。物理学奖向来如此,要么发现新的物理学原理,要么得有重要应用。LED的发光原理简简单单,以至于经过半个世纪的努力才最终获得诺贝尔奖的肯定。
LED的发展史
1927年,一向致力于研究半导体的俄国人奥列格?罗塞夫(Oleg Losev)发现第一个LED,但这个发现没有找到任何商业应用。
到了1955年,在美国无线电公司工作的鲁宾?布朗斯坦(Rubin Braunstein)发现砷化镓半导体会发射红外线,可惜他和同伴们没有去找商业应用。
又过了6年,1961年,美国人詹姆斯?毕亚德和加理?皮特曼(James R. Biard,Gary Pittman)发现,砷化镓在加上电流时会发射红外光,他们注册了专利,次年这项发现就投入应用。同样在次年,第一个可见光LED被发现,发出红光。从红外的波长900纳米到了红光的650纳米。再过10年,也就是1972年,第一个黄光LED被发现,同时,LED的亮度被提高了10倍。
蓝光LED的出现与应用
只有红光、黄光和绿光我们无法合成白光,所以我们还需要蓝光。蓝光的波长比较短,只有450纳米左右。直到上世纪末,具体是1994年,在日本日亚化工工作的中村修二用铟氮化镓制出了亮度很高的蓝光LED。中村修二的成就是建立在赤崎勇和天野浩的成就之上的。
赤崎勇是三位获奖人中年纪最大的,出生于1929年,今年85岁了。他23岁本科毕业于京都大学,35岁才在名古屋大学获得博士学位。20世纪60年代末,快40岁的时候,他开始研究基于氮化镓基础上的蓝光LED。20世纪80年代,高质量氮化镓的出现帮助他研究出了实用的蓝光LED。此时,他的学生天野浩加入了他的团队。在3人当中,天野浩最年轻,出生于1960年,而中村修二出生于1954年。
在中村修二之后,由于高亮度蓝光LED的出现,很快出现了白光LED。现在,最流行的白光LED并不是三原色LED的组合,而是在蓝光LED上覆盖一层淡黄色荧光粉涂层。LED与白炽灯相比有几个优点,第一个优点是发光效率高,一个白炽灯的电能转化为光能的转化率在10%左右,而LED的效率高达60%,比荧光灯还高。第二是需要的电压很低,几个伏特就行了。第三是寿命长,白炽灯的寿命是一千小时左右,LED寿命高达十万小时(10年以上)。不过,LED目前用在家庭照明上还不多,主要原因是成本太高。
据说,LED效率的提高速度也遵从摩尔定律,也就是说,每过3年就提高一倍。而成本呢?据说每过10年一个流明的成本就降低10倍,而每个LED封装的亮度提高20倍,这个定律叫海兹定律。如果这个定律继续成立,到了2020年,LED光源将成为最便宜的光源,假如届时全世界都用上LED,全世界用于照明的耗电将减少一半。仅仅为了节省一半照明用电,三位日本人也该获得诺贝尔物理学奖。
最后,我们引用诺贝尔物理委员会的颁奖理由:因为他们发明了蓝光LED,帮助了更亮和更节能的白光光源的出现。
标签:二极管
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