Sažetak
U 2014. godini Isamu Akasaki, Hiroshi Amano i Shuji Nakamura dobili su Nobelovu nagradu za fiziku za svoje stvaranje učinkovitih dioda koje emitiraju plavu svjetlu, što je olakšalo razvoj svijetlih i energetski učinkovitih izvora bijele svjetlosti. Posljednjih godina,Diode koje emitiraju svjetlost (LED) sve više prodiru u sektor kućne rasvjete i druga masovna tržišta. Ovaj članak nastoji pružiti pregled fizike LED -ova, glavnih proboja koji su kulminirali Nobelovom nagradom 2014. i potencijalom za uštedu energije koji LED mogu olakšati.
1. Uvod
Diode koje emitiraju svjetlo (LED) integralne su u svakodnevnom životu nekoliko desetljeća, podrijetlom s indikatorskim svjetiljkama i infracrvenim daljinskim upravljačem u 1960-ima. Međutim, Nobelova nagrada za fiziku dodijeljena je 2014. godine posebno za plave LED -ove, što je u konačnici omogućilo proizvodnju bijele svjetlosti. Ovaj članak ima za cilj razjasniti temeljnu LED fiziku kako bi pokazao svoj potencijal superiornih svjetlosnih emitiranja, posebno za rasvjetu. Također će pružiti kratku povijest izuma koji su pridonijeli modernim LED -ovima i objasniti obrazloženje Nobelove nagrade za fiziku 2014. godine dodijeljenu Akasakiju, Amanu i Nakamuri. U konačnici, ispitat ću da li suvremene LED -ove istinski rezultiraju uštedom energije, i pragmatičnije, ako je ekonomski razumno da pojedini potrošači kupujuLED žaruljeza kućno osvjetljenje.
2. Kako funkcioniraju poluvodički LED -ovi?
Ovaj će odjeljak pružiti kratak pregled povijesti elektroluminiscencije, koncentrirajući se na elektroluminiscenciju anorganskih poluvodiča, nakon čega slijedi opis fizike u osnovi suvremenih LED -ova. Elektroluminiscencija je fenomen u kojem se emitira svjetlost kada električna struja prolazi kroz tvar. Može se tvrditi da su žarulje sa žarnom niti (žarulja "Edison") elektroluminescentne; Međutim, u ovom scenariju, struja protoka zagrijava materijal, a emisija svjetlosti rezultira isključivo iz povišene temperature filamenta. Stoga je preciznije odnositi se na elektroluminiscenciju kada struja protoka izravno olakšava mehanizam emisije svjetlosti. Početna dokumentacija elektroluminiscencije dogodila se 1907. HJ Round, zaposlen u tvrtki Marconi. Pristrao je uzorak silicij -karbida (tada se naziva Carborundum) i promatrao svjetlost različitih boja u skladu s postavljanjem elektroda i primijenjenim naponom. U to vrijeme nije shvatio fenomen. Dva desetljeća kasnije, Oleg Losev, mladi ruski tehničar u Radio Laboratoriju Nizhny Novgorod, postigao je značajan napredak u eksperimentalnom promatranju i razumijevanju dioda silicijanskog karbida. Konkretno, podnio je patent 1929. godine koji je obuhvatio naknadni zahtjev: "Predloženi izum koristi utvrđeni fenomen luminiscencije u detektoru karborunda i podrazumijeva korištenje takvog detektora u optički relej koji je omogućio brza telegrafska i telefonska komunikacija, gdje je i slika, gdje je i slika, i drugi aplikacija, i drugi princip za kontakt, i drugi aplikacija, i drugom aplikatima, i snimka prijenosa slike, gdje je i slikala u kontaktu, i drugom aplikatu, i snimka prijenosa slike, i drugo krug. " To je zaista izvanredno: {26- godišnji radnik s ograničenim formalnim obrazovanjem iz fizike patentirao je visoki prijenos podataka pomoću električne modulacije izvora svjetlosti poluvodiča 1929. godine. Inovativne publikacije i patenti LosV-a, međutim, ostale su u velikoj mjeri u desetljećima. U četrdesetima, poboljšano razumijevanje i kontrola poluvodiča rezultiralo je stvaranjem prvog P -N spoja, nakon čega je uslijedio izum prvog tranzistora. Početne LED-ove koje koriste dobro razvijene P-I-N spojeve stoga bi se mogle proizvesti i poboljšati.
Poluvoditelj je tvar čija se vodljivost može izmijeniti uvođenjem nečistoća poznatih kao dopants. Anorganski poluvodiči su kristalni materijali poput silicija (SI), galija arsenida (GAAS), indija fosfida (INP) i galija nitrida (GAN), karakterizirani energetskim pojasom za elektrone. Najviše zauzeti energetski pojas naziva se valentnim pojasom, koji je ispunjen elektronima u nedostižnom poluvodiču, ali naknadni pojas veće energije, poznat kao opseg provodljivosti, ostaje u potpunosti prazan u nedoličnom poluvodiču. Energetska razlika između minimuma provodljivog benda i najviših valentnih pojasa naziva se razmakom benda poluvodiča. Proces svjetlosti-emisije u poluvodiču je jednostavan: kada elektron zauzima opseg provodljivosti i slobodno radno mjesto postoji u valentnom pojasu (nazvano rupa), elektron provodljivog pojasa može preći u zauzimanje slobodnog stanja u opsegu valentnosti, oslobađajući energetsku razliku (pojas GAP-a) kao emitiranog fotona (Sl. 1). Elektron i rupa rekombiniraju, što rezultira emisijom fotona. Taj se postupak događa u većini poluvodiča, s značajnim iznimkama poznatim kao neizravni poluvodiči, poput silicija ili germanija, gdje emisija fotona nije izravno dopuštena, što rezultira značajnom neučinkovitošću. Za izradu poluvodičkog LED -a, neophodno je istodobno postaviti elektrone u opsegu provodljivosti i rupe u valentnom pojasu unutar materijala. Tu doping pretpostavlja značaj. Intrinzični poluvodič funkcionira kao izolator, jer elektroni u valentnom pojasu ostaju nepokretni zbog nepostojanja dostupnih stanja za elektroničko kretanje; Ipak, poluvodiči mogu biti dopirani u dva različita načina. Kad se nečistoće ugrađuju u kristal s dodatnim elektronom po atomu, ti višak elektrona prelaze u opseg provođenja. Na primjer, zamjena nekih GA atoma SI atomima u GAAS kristalu rezultira dopingom N-tipa, karakteriziranom prisutnošću elektrona u opsegu provođenja. Suprotno tome, mogu se uvesti nečistoće lišene elektrona, što rezultira dopingom P-tipa, karakteriziranim postojanjem rupa u valentnom pojasu. Ključni je aspekt da dopanti čine manjinske atome unutar kristalne strukture: jedan doping atom među milijun standardnih atoma može značajno poboljšati električnu vodljivost. Savladavanje razine dopinga ključno je za prilagođavanje električnih karakteristika poluvodiča. Ova stručnost, koja je započela u četrdesetima i 1950 -ima, istaknula je revolucije u mikroelektronici i optoelektronici. Temeljna konfiguracija za emisiju svjetlosti iz poluvodiča uključuje integraciju N-tipa (s elektronima u opsegu provodljivosti) i P-tipa (s rupama ili odsutnosti elektrona u valentnom pojasu) materijala. Kad su podvrgnuti električnom pristranosti, elektronima i rupama, koji prelaze u suprotnim smjerovima-gdje rupa za lijevu krenu u valentnom pojasu odgovara elektronima koji kreću u desnoj strani na PN spoju, što rezultira rekombinacijom koja emitira fotone (Sl. 2). Nakon razumijevanja istraživačke zajednice, postala je očita potrebna radnja: sposobnost sinteze visokokvalitetnih kristala s precizno kontroliranim dopingom P-tipa i N-tipa. Inauguralni GAAS infracrveni LED izložen je 1962. godine, a potom su naslijedili početne vidljive LED -ove koje su razvili drugi timovi. N. holonyak, istraživač iz General Electric -a, zalagao se za leguru GAASP -a, omogućujući mu da pokaže inauguralni vidljivi poluvodički diodni laser. Važno je priznati N. holonyak, koji je, između ostalog, značajno napredovao razumijevanje i kontrolu nad poluvodičkim svjetlosnim emitirama. 1963. godine Nick Holonyak predvidio je u Reader's Digest -u da će poluvodičke LED -ove na kraju zamijeniti sve žarulje za opće primjene rasvjete, usprkos početnim LED -ovima poluvodiča koje emitiraju vrlo prigušeno svjetlo i pokazuju učinkovitost samo frakcija od postotka postotka zbog inferiorne kvalitete materijala. Koje je kriterije koristio za generiranje ovog predviđanja? Holonyak je prepoznao da žarulje sa žarnom niti funkcioniraju slično kao i emiteri crnog tijela, stvarajući spektralnu krivulju u korelaciji s temperaturom niti; Kako se temperatura povećava, spektar emisije pomiče se prema kraćim valnim duljinama. Najučinkovitije žarulje sa žarnom niti uglavnom emitiraju infracrveno svjetlo, što je neučinkovito za osvjetljenje i umjesto toga funkcionira kao izvor topline. Pretvorba električne energije u vidljivu optičku snagu inherentno je ograničena na oko 5%. U poluvodičkim LED -ovima, fizika se značajno razlikuje: gotovo 100% električne energije može se transformirati u optičku snagu, s dobro reguliranom emisijskom valnom duljinom (osobito, jaz opsega određuje energiju i posljedično valnu duljinu emitiranog fotona). Može se zamisliti uređaj opremljen LED -ovima koji emitiraju nekoliko vidljivih valnih duljina, a svaka pokazuje visoku učinkovitost pretvorbe (po mogućnosti jedinstva), što omogućava emisiju vidljive bijele svjetlosti (ili bilo koje odabrane kombinacije vidljivih boja) bez toplinskih gubitaka (Sl. 3). To bi u teoriji trebalo funkcionirati; Jedini izazov je u postizanju tehnološke zrelosti potrebne za izradu izuzetno učinkovitih LED -ova na određenim valnim duljinama. Ovaj nastojanje zauzimao je istraživače poluvodiča sljedećih desetljeća i na kraju je rezultirao2014. Nobelova nagrada.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd osnovana je 2010. godine. To je nacionalno visokotehnološko poduzeće za integriranje dizajna, istraživanja i razvoja, proizvodnje i prodaje proizvoda za rasvjetu u zatvorenom i vanjskom prostoru, a također može učiniti i OEM, ODM. Za više detalja o našoj ponudi, molimo kontaktirajte nas na ubwzm18@ledbenweilighting.com
