Yhteenveto
Vuonna 2014 Isamu Akasaki, Hiroshi Amano ja Shuji Nakamura saivat fysiikan Nobel-palkinnon tehokkaiden sinisen valoa säteilevien diodien luomisesta, jotka helpottivat kirkkaiden ja energiatehokkaiden valkoisen valonlähteiden kehitystä. Viime vuosina,Valoa säteilevät diodit (LED) ovat tunkeutuneet yhä enemmän kodin valaistusalalle ja muille massamarkkinoille. Tämän artikkelin tarkoituksena on antaa yleiskuva LED -fysiikasta, tärkeimmistä läpimurtoista, jotka huipentuivat vuoden 2014 Nobel -palkinnolle ja energiansäästöjen potentiaalista, jota LEDit voivat helpottaa.
1. Johdanto
Light-säteilevät diodit (LED) ovat olleet olennaisia päivittäiseen elämään useita vuosikymmeniä, jotka ovat peräisin indikaattorilamppuista ja infrapunakaukosäätimistä 1960-luvulla. Fysiikan Nobel -palkinto myönnettiin kuitenkin vuonna 2014 erityisesti sinille LEDille, mikä lopulta mahdollisti valkoisen valon tuotannon. Tämän artikkelin tavoitteena on selvittää perustavanlaatuiset LED -fysiikan osoittamaan potentiaalinsa ylivoimaisina valopäästöinä, etenkin valaistussovelluksissa. Se tarjoaa myös lyhyen historian keksinnöistä, jotka osallistuivat nykyaikaisisiin LEDiin ja selittävät vuoden 2014 Fysiikan Nobel -palkinnon perusteet Akasakille, Amanolle ja Nakamuroille. Viime kädessä tutkin, johtaako nykyaikaiset LEDit aidosti energiansäästöön, ja käytännöllisemmin, jos yksittäisten kuluttajien on taloudellisesti järkevää ostaaLED -lamputkodin valaistukseen.
2. Kuinka puolijohde LEDit toimivat?
Tämä osa tarjoaa lyhyen yleiskuvan elektroluminesenssin historiasta, joka keskittyy epäorgaanisten puolijohteiden elektroluminesenssiin, jota seuraa kuvaus nykyaikaisten LEDien taustalla olevista fysiikasta. Elektroluminesenssi on ilmiö, jossa valoa säteilee, kun sähkövirta kulkee aineen läpi. Voidaan väittää, että hehkulamput ("Edison" -polttimo) ovat elektroluminesensseja; Tässä skenaariossa nykyinen virtaus lämmittää materiaalia ja kevyet päästöt johtuvat yksinomaan filamentin kohotetusta lämpötilasta. Siten on tarkempaa viitata elektroluminesenssiin, kun virtavirtaus helpottaa suoraan valonpäästömekanismia. Marconi Company -yrityksen palveluksessa on vuonna 1907 alkuperäistä elektroluminesenssin dokumentaatiota vuonna 1907. Hän painotti piiharbidinäytettä (jota sitten viitataan nimellä Carborundum) ja havaitsi eri värien valon elektrodin sijoittamisen ja levitetyn jännitteen mukaan. Hän ei ymmärtänyt ilmiötä tuolloin. Kaksi vuosikymmentä myöhemmin Nizhny Novgorod -radiolaboratorion nuori venäläinen teknikko Oleg Losdv saavutti merkittäviä edistyksiä piilarbidivalaisimien säteilevien diodien kokeellisessa havainnoinnissa ja ymmärtämisessä. Erityisesti hän lähetti patentin vuonna 1929, joka käsitti seuraavan väitteen: "Ehdotetussa keksinnössä käytetään vakiintunutta luminonssin ilmiötä Carborundum -ilmaisimessa ja edellyttää tällaisen ilmaisimen käytön optisessa releessä, jolla helpottaa puhelinsoitto- ja puhelinlähdettä, ja muita sovelluksia, joissa valaistuspisteen liiton ja muiden hakemusten yhdistämisen liminssipisteen liiton ja muiden hakemusten välinen yhteys piiri. " Tämä on todella merkittävää: 26--vuotias työntekijä, jolla on rajoitettu muodollinen koulutus fysiikassa, patentoi tiedonsiirton korkean asteen siirron käyttämällä puolijohdevalonlähdettä sähköistä modulaatiota vuonna 1929. Innovatiiviset julkaisut ja menetyspatentit pysyivät suurelta osin epäselvinä vuosikymmenien ajan. 1940 -luvulla puolijohteiden parantunut ymmärtäminen ja hallinta johti ensimmäisen P - N -risteyksen luomiseen, jota seurasi ensimmäisen transistorin keksintö. Alkuperäiset LEDit, jotka hyödyntävät hyvin kehittyneitä P-I-N-risteyksiä, voitiin siten valmistaa ja parantaa.
Puolijohde on aine, jonka johtavuutta voidaan muuttaa lisäämällä epäpuhtauksia, jotka tunnetaan nimellä Dopants. Epäorgaaniset puolijohteet ovat kiteisiä materiaaleja, kuten piitä (SI), gallium -arsenidi (GAAS), indiumfosfidi (INP) ja galliumnitridi (GAN), jolle on ominaista elektronien energiakaistat. Ylimmän miehitetyn energiakaistan viitataan nimellä Valence Band, joka on täynnä elektroneja nostamattomassa puolijohteessa, mutta myöhempi korkeampi energiakaista, joka tunnetaan nimellä johtavuuskaista, pysyy täysin vapaana aloittamattomassa puolijohteessa. Kasvatuskaistan minimin ja valenssikaistan korkeimman energiaeron viitataan puolijohteen band -aukkoon. Puolijohteessa oleva kevytpäästöprosessi on suoraviivainen: Kun elektroni käyttää johtavuuskaistan ja valenssikaistalla (kutsutaan reikään) avoimeen työhön, johtamiskaistan elektroni voi siirtyä miehittämään valenssikaistan tyhjän tilan vapauttaen energiaeron (kaistavara) emittoituneen fotonin (kuva 1). Elektroni ja reikä yhdistyvät, mikä johtaa fotonin päästöön. Tämä prosessi esiintyy suurimmassa osassa puolijohteita, huomattavia poikkeuksia, joita kutsutaan epäsuoriksi puolijohteiksi, kuten pii tai germanium, jossa fotonipäästöt eivät ole suoraan sallittuja, mikä johtaa merkittävään tehottomuuteen. Puolijohde LED: n valmistamiseksi on välttämätöntä asentaa elektroneja samanaikaisesti johtamiskaistalle ja reikiä materiaalin valenssikaistalla. Tässä dopingilla on merkitys. Luonnollinen puolijohde toimii eristimenä, koska valenssikaistan elektronit pysyvät liikkumattomina johtuen käytettävissä olevista tiloista elektronista liikettä; Siitä huolimatta puolijohteita voidaan seosia kahdessa erillisessä käytöksessä. Kun epäpuhtaudet sisällytetään kiteeseen ylimääräisellä elektronilla atomia kohden, nämä ylijäämäelektronit siirtyvät johtamiskaistalle. Esimerkiksi joidenkin GA-atomien korvaaminen GAAS-kidessä johtaa N-tyyppiseen dopingiin, jolle on ominaista elektronien läsnäolo johtamiskaistalla. Päinvastoin, epäpuhtaudet, joissa ei ole elektronia, voidaan ottaa käyttöön, mikä johtaa P-tyypin dopingiin, jolle on ominaista reikien olemassaolo valenssikaistalla. Tärkeä näkökohta on, että lisäaineet muodostavat vähemmistöatomit kiderakenteen sisällä: yksi miljoonan standardiatomin yksi dopingtomi voi parantaa merkittävästi sähkönjohtavuutta. Dopingitason hallitseminen on välttämätöntä puolijohteiden sähköisten ominaisuuksien mukauttamiseksi. Tämä 1940- ja 1950 -luvulla alkanut asiantuntemus sai aikaan mikroelektroniikan ja optoelektroniikan kierrokset. Puolijohdun kevyiden säteilyjen peruskokoonpanoon sisältyy N-tyypin integrointi (elektronien kanssa johtamiskaistalla) ja P-tyypin (reikillä tai elektronien puuttuessa valenssikaistalla). Sähköpoikkeaman, elektronien ja reikien altistuessa, jotka kulkevat vastakkaisiin suuntiin-missä vasemmistolainen liikkuvaa reikää valenssinauhassa vastaa oikealla kulkevia elektronien mukauttamista PN-risteyksessä, mikä johtaa fotoneihin emittimeen rekombinaatioon (kuva 2). Tutkimusyhteisön ymmärtämisen jälkeen tarvittava toiminta tuli ilmeiseksi: kyky syntetisoida korkealaatuisia kiteitä tarkasti kontrolloidulla P-tyypin ja N-tyypin dopingilla. GAAS -infrapuna -LED: n avajainen näyttely oli vuonna 1962, myöhemmin muiden joukkueiden kehittämät alkuperäiset näkyvät LEDit. General Electricin tutkija N. Holonyak kannatti GAASP -seokselle, jonka avulla hän voi esitellä avajaista näkyvää puolijohde -diodilaseria. On välttämätöntä tunnustaa N. Holonyak, joka on muun muassa edistänyt merkittävästi puolijohdevalojen päästöjen ymmärtämistä ja hallintaa. Vuonna 1963 Nick Holonyak ennusti Reader's Digestissä, että puolijohde LEDit korvaisivat lopulta kaikki hehkulamput yleisiin valaistussovelluksiin huolimatta alkuperäisestä puolijohde LEDistä, jotka säteilevät hyvin hämärää valoa ja joilla on vain prosenttien fraktioiden tehokkuus alemman materiaalin laadun vuoksi. Mitä kriteerejä hän käytti tämän ennusteen luomiseen? Holonyak tunnusti, että hehkulamppujen hehkulamput toimivat samalla tavalla kuin mustan kehon emitterit, mikä tuottaa spektrikäyrän, joka korreloi filamentin lämpötilan kanssa; Lämpötilan noustessa emissiospektri siirtyy kohti lyhyempiä aallonpituuksia. Tehokkaimmat hehkulamput lähettävät enimmäkseen infrapunavaloa, mikä on tehoton valaistukselle ja toimii sen sijaan lämmön lähteenä. Sähkötehon muuntaminen näkyvään optiseen tehona on luonnostaan rajoitettu noin 5%: iin. Puolijohde -LEDissä fysiikka poikkeaa merkittävästi: Lähes 100% sähkövoimasta voidaan muuttaa optiseksi tehoksi hyvin säädetyllä emissio -aallonpituudella (etenkin kaistaväli määrittää energian ja siten emittoitun fotonin aallonpituuden). Voidaan kuvitella laite, joka on varustettu LEDillä, jotka säteilevät useiden näkyvien aallonpituuksien yli, jokaisella on korkea (edullisesti yhtenäisyys) muuntamistehokkuus, mikä mahdollistaa näkyvän valkoisen valon (tai minkä tahansa valittujen näkyvien värien yhdistelmän), ilman lämpöhäviöitä (kuva 3). Tämän pitäisi teoriassa toimia; Ainoa haaste on saavuttaa teknologinen kypsyys, jota tarvitaan erittäin tehokkaiden LEDien valmistukseen tietyillä aallonpituuksilla. Tämä pyrkimys miehitti puolijohdetutkijat seuraavina vuosikymmeninä ja lopulta johti2014 Nobel -palkinto.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd perustettiin vuonna 2010. Se on kansallinen huipputeknologian yritys, joka integroi suunnittelu-, tutkimus- ja kehitys-, tuotanto- ja myynti- ja ulkovalaistustuotteet ja voi myös tehdä OEM: n, ODM: n. Lisätietoja tarjouksistamme, ota meihin yhteyttä osoitteessabwzm18@ledbenweilighting.com
