Oversigt
I 2014 blev Isamu Akasaki, Hiroshi Amano og Shuji Nakamura tildelt Nobelprisen i fysik for deres oprettelse af effektive blå lysemitterende dioder, hvilket letter udviklingen af lyse og energieffektive hvide lyskilder. I de senere år,Lysemitterende dioder (LED'er) har i stigende grad trængt hjemmebelysningssektoren og andre massemarkeder. Denne artikel søger at give et overblik over lysdioderne fysik, de største gennembrud, der kulminerede i Nobelprisen i 2014, og potentialet for energibesparelse, som LED'er kan lette.
1. Introduktion
Lysemitterende dioder (LED'er) har været integreret i dagligdagen i flere årtier, der stammer fra indikatorlamper og infrarøde fjernbetjeninger i 1960'erne. Imidlertid blev Nobelprisen i fysik tildelt i 2014 specifikt til blå LED'er, som i sidste ende muliggjorde produktion af hvidt lys. Denne artikel har til formål at belyse grundlæggende LED -fysik for at demonstrere deres potentiale som overlegne lysemittere, især til belysningsapplikationer. Det vil også give en kort historie om de opfindelser, der har bidraget til moderne LED'er og forklare rationalet bag Nobelprisen i 2014 i fysik, der blev tildelt Akasaki, Amano og Nakamura. I sidste ende vil jeg undersøge, om moderne LED'er virkelig resulterer i energibesparelse, og mere pragmatisk, hvis det er økonomisk fornuftigt for de enkelte forbrugere at købeLED -pærertil hjemmebelysning.
2. Hvordan fungerer halvleder -LED'er?
Dette afsnit giver en kort oversigt over elektroluminescenshistorien, der koncentrerer sig om elektroluminescensen af uorganiske halvledere, efterfulgt af en beskrivelse af den fysik, der ligger til grund for moderne LED'er. Elektroluminescens er det fænomen, hvor lys udsendes, når en elektrisk strøm passerer gennem et stof. Det kan hævdes, at glødepærer ("Edison" -pæren) er elektroluminescerende; I dette scenarie opvarmer den aktuelle strømning imidlertid materialet, og lette emission resulterer udelukkende fra filamentets forhøjede temperatur. Det er således mere nøjagtigt at henvise til elektroluminescens, når den aktuelle strøm direkte letter lysemissionsmekanismen. Den indledende dokumentation af elektroluminescens forekom i 1907 af HJ Round, ansat af Marconi Company. Han skævede et siliciumcarbidprøve (derefter omtalt som carborundum) og observerede lys i forskellige farver i henhold til den påførte elektrode og spænding. Han forstod ikke fænomenet på det tidspunkt. To årtier senere opnåede Oleg Losev, en ung russisk tekniker ved Nizhny Novgorod Radio Laboratory, betydelige fremskridt inden for den eksperimentelle observation og forståelse af siliciumcarbidlysemitterende dioder. Specifically, he submitted a patent in 1929 encompassing the subsequent claim: "The proposed invention employs the established phenomenon of luminescence in a carborundum detector and entails the utilisation of such a detector in an optical relay to facilitate rapid telegraphic and telephone communication, image transmission, and other applications, wherein a luminescent contact point serves as the light source directly linked to a modulated current kredsløb. " Dette er virkelig bemærkelsesværdigt: A 26- år gammel arbejdstager med begrænset formel uddannelse i fysik patenterede højhastighedsoverførslen af data ved hjælp af elektrisk modulering af en halvlederlyskilde i 1929. De innovative publikationer og patenter af LOVE forblev dog stort set uklar i årtier. I 1940'erne resulterede forbedret forståelse og kontrol af halvledere i oprettelsen af det første P - N -kryds, efterfulgt af opfindelsen af den første transistor. De indledende LED'er, der bruger veludviklede P-I-N-kryds, kunne følgelig fremstilles og forbedres.
En halvleder er et stof, hvis ledningsevne kan ændres ved introduktionen af urenheder kendt som dopingmidler. Uorganiske halvledere er krystallinske materialer som silicium (SI), galliumarsenid (GAAS), indiumphosphid (INP) og galliumnitrid (GAN), kendetegnet ved energibånd til elektroner. Det øverste besatte energibånd omtales som Valence Band, der er fyldt med elektroner i en udopet halvleder, men det efterfølgende højere energibånd, kendt som ledningsbåndet, forbliver helt ledig i en udopet halvleder. Energiforskellen mellem ledningsbandets minimum og Valence Bands højeste kaldes halvlederens båndgap. Lysemissionsprocessen i en halvleder er ligetil: Når en elektron optager ledningsbåndet, og der findes en ledig stilling i valensbåndet (betegnet et hul), kan ledningsbåndelektronen overgang til at besætte den ledige tilstand i Valence Band, hvilket frigiver energiforskellen (båndgap) som en udsendt foton (fig. 1). Elektronet og hullet rekombin, hvilket resulterer i emission af en foton. Denne proces forekommer i størstedelen af halvledere med bemærkelsesværdige undtagelser kendt som indirekte halvledere, såsom silicium eller germanium, hvor fotonemission ikke er direkte tilladt, hvilket resulterer i betydelig ineffektivitet. For at fremstille en halvleder -LED er det vigtigt at samtidig placere elektroner i ledningsbåndet og huller i valensbåndet i materialet. Det er her doping antager betydning. En iboende halvleder fungerer som en isolator, da elektronerne i valensbåndet forbliver immobile på grund af fraværet af tilgængelige tilstande for elektronisk bevægelse; Ikke desto mindre kan halvledere dopes på to forskellige manerer. Når urenheder indarbejdes i krystallen med et yderligere elektron pr. Atom, overgår disse overskydende elektroner til ledningsbåndet. For eksempel resulterer erstatning af nogle Ga-atomer med Si-atomer i en GaAs-krystal i doping af N-type, kendetegnet ved tilstedeværelsen af elektroner i ledningsbåndet. Omvendt kan urenheder blottet for et elektron indføres, hvilket resulterer i doping af P-type, kendetegnet ved eksistensen af huller i valensbåndet. Et afgørende aspekt er, at dopingmidler udgør mindretalsatomer inde i krystalstrukturen: et enkelt dopingatom blandt en million standardatomer kan øge den elektriske ledningsevne markant. Det er vigtigt at mestre dopingniveauet for at tilpasse de elektriske egenskaber ved halvledere. Denne ekspertise, der begyndte i 1940'erne og 1950'erne, udfældede revolutionerne inden for mikroelektronik og optoelektronik. Den grundlæggende konfiguration til lysemission fra en halvleder involverer integration af N-type (med elektroner i ledningsbåndet) og P-type (med huller eller fravær af elektroner i valensbåndet) materialer. Når de udsættes for elektrisk bias, svarer elektroner og huller, der krydser i modstridende retninger-hvor et venstre-bevægende hul i valensbåndet svarer til højre-bevægende elektroner-konverge ved PN-krydset, hvilket resulterer i rekombination, der udsender fotoner (fig. 2). Efter forståelse fra forskningsfællesskabet blev den nødvendige handling tydelig: evnen til at syntetisere krystaller af høj kvalitet med nøjagtigt kontrolleret P-type og N-type doping. Den indledende GAAS -infrarøde LED blev udstillet i 1962, efterfølgende efterfulgt af de indledende synlige LED'er, der blev udviklet af andre hold. N. Holonyak, en forsker ved General Electric, talte for GAASP -legeringen, hvilket gjorde det muligt for ham at vise det indledende synlige halvlederdiodelaser. Det er vigtigt at anerkende N. Holonyak, der blandt andet har fremmet forståelsen og kontrol af Semiconductor Light -emittere. I 1963 forudsagde Nick Holonyak i Reader's Digest, at Semiconductor -LED'er til sidst ville erstatte alle lyspærer til generelle belysningsapplikationer, på trods af den indledende halvleder -LED'er, der udsender meget svagt lys og udviser effektivitet af kun fraktioner på en procentdel på grund af underordnet materialekvalitet. Hvilke kriterier brugte han til at generere denne forudsigelse? Holonyak erkendte, at glødepærer fungerer på lignende måde som sort-kropsemittere, hvilket producerer en spektral kurve korreleret med filamenttemperaturen; Når temperaturen stiger, skifter emissionsspektret mod kortere bølgelængder. De mest effektive glødepærer udsender for det meste infrarødt lys, hvilket er ineffektivt til belysning og i stedet fungerer som en kilde til varme. Konvertering af elektrisk effekt til synlig optisk effekt er iboende begrænset til ca. 5%. I Semiconductor -LED'er divergerer fysikken signifikant: næsten 100% af den elektriske effekt kan omdannes til optisk effekt, med en godt reguleret emissionsbølgelængde (især bestemmer båndgabet energien og følgelig bølgelængden af den udsendte foton). Man kan forestille sig en enhed udstyret med LED'er, der udsender over flere synlige bølgelængder, der hver udviser en høj (fortrinsvis enhed) konverteringseffektivitet, hvilket tillader emission af synligt hvidt lys (eller en hvilken som helst valgt kombination af synlige farver) uden termiske tab (fig. 3). Dette burde i teorien fungere; Den eneste udfordring er at opnå den teknologiske modenhed, der kræves for at fremstille ekstremt effektive LED'er ved visse bølgelængder. Denne bestræbelse besatte halvlederforskere i efterfølgende årtier og resulterede i sidste ende i2014 Nobelpris.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd blev etableret i 2010. Det er en national højteknologisk virksomheds integrerende design, F&U, produktion og salg af indendørs og udendørs belysningsprodukter og kan også gøre OEM, ODM. For flere detaljer om vores tilbud, kontakt os påbwzm18@ledbenweilighting.com
