Shrnutí
V roce 2014 získali Isamu Akasaki, Hiroshi Amano a Shuji Nakamura Nobelovu cenu za fyziku za vytvoření efektivních modrých světelných emitujících diod, což usnadnilo vývoj jasných a energeticky účinných zdrojů bílého světla. V posledních letech,Diody emitující světlo (LED) stále častěji pronikli do sektoru domácího osvětlení a dalších hromadných trhů. Tento článek se snaží poskytnout přehled o fyzice LED dioda, hlavních průlomů, které vyvrcholily v Nobelově ceně 2014, a potenciál pro úsporu energie, kterou LED diody mohou usnadnit.
1. Úvod
Diody emitující světlo (LED) byly po několik desetiletí nedílnou součástí každodenního života a v šedesátých letech pocházejí z indikátorových lamp a infračervených dálkových kontrol. Nobelova cena ve fyzice však byla udělena v roce 2014 speciálně pro modré LED, což nakonec umožnilo produkci bílého světla. Cílem tohoto článku je objasnit základní fyziku LED k demonstraci jejich potenciálu jako nadřazených světelných emitorů, zejména pro aplikace osvětlení. Poskytne také krátkou historii vynálezů, které přispěly k moderním LED diody, a vysvětlí zdůvodnění Nobelovy ceny 2014 ve fyzice udělené Akasaki, Amano a Nakamura. Nakonec prozkoumám, zda současné LED diody skutečně vedou k úsporám energie a pragmatičtěji, pokud je pro jednotlivé spotřebitele ekonomicky rozumné koupitLED žárovkyPro domácí osvětlení.
2. Jak fungují polovodičové LED?
Tato část poskytne stručný přehled o historii elektroluminiscence, soustředí se na elektroluminiscenci anorganických polovodičů, následuje popis fyziky, která je základem současných LED. Elektroluminiscence je jev, ve kterém je emitováno světlo, když elektrický proud prochází látkou. Lze tvrdit, že žárovky („Edison“ žárovka) jsou elektroluminiscenční; V tomto scénáři však současný tok zahřívá materiál a emise světla je výsledkem pouze zvýšené teploty vlákna. Je tedy přesnější odkazovat na elektroluminiscenci, když proudový tok přímo usnadňuje mechanismus emise světla. Počáteční dokumentace elektroluminiscence nastala v roce 1907 HJ Round, která byla zaměstnána společností Marconi. Předpovídal vzorek karbidu křemíku (poté označovaný jako karborundum) a pozoroval světlo různých barev podle umístění elektrody a napětí. V té době tento jev nerozuměl. O dvě desetiletí později, Oleg Losev, mladý ruský technik v rozhlasové laboratoři Nizhny Novgorod, dosáhl významného pokroku v experimentálním pozorování a porozumění dioDům emitujícím křemíkový karbid. Konkrétně předložil patent v roce 1929 zahrnující následné tvrzení: „Navrhovaný vynález využívá zavedený jev luminiscence v detektoru uplatnění a sděluje využití takového detektoru v optickém přenosu s modulovaným proudem, který je přímým propojeným zdrojem, který je přímým propojeným zdrojem, který je přímým propojeným zdrojem, který je přímým propojeným zdrojem, který je přímým propojeným proudem, který je přímým propojeným proudem. obvod. “ To je skutečně pozoruhodné: A 26- starý pracovník s omezeným formálním vzděláváním ve fyzice patentoval vysoký přenos dat pomocí elektrické modulace zdroje světelného světelného zdroje v roce 1929. Inovativní publikace a patenty ztráty však zůstaly po desetiletí do značné míry nejasně nejasné. Ve 40. letech 20. století vyústilo v porozumění a kontrola polovodičů k vytvoření prvního křižovatky P - N, následovaného vynálezem prvního tranzistoru. Počáteční LED diody využívající dobře vyvinuté křižovatky P-I-N by mohly být následně vyrobeny a vylepšeny.
Polovodič je látka, jejíž vodivost může být změněna zavedením nečistot známých jako Dopants. Anorganické polovodiče jsou krystalické materiály, jako je křemík (SI), arzenid gallium (GaAS), fosfid india (INP) a nitrid gallia (GAN), charakterizované energetickými pásy pro elektrony. Nejvyšší okupovaná energetická pásmo je označována jako valenční pásmo, která je naplněna elektrony v nezveřejněném polovodiči, ale následné vyšší energetické pásmo, známé jako vodivé pásmo, zůstává zcela neobsazená v nedopovaném polovodiči. Disparita energie mezi minimem vodivého pásma a nejvyšší valenční pásmo je označována jako mezera polovodiče. Proces emise světla v polovodiči je jednoduchý: když elektroron zaujímá vodivé pásmo a ve valenčním pásmu existuje volné místo (nazývané díra), může elektron vodivý pás přejít tak, aby obsadil neobsazený stav ve valenčním pásmu, uvolňuje energetický rozdíl (mezera pásma) jako emitovaný foton (obr. 1). Elektron a díra rekombinují, což má za následek emise fotonu. K tomuto procesu dochází ve většině polovodičů, s pozoruhodnými výjimkami známými jako nepřímé polovodiče, jako je křemík nebo germanium, kde emise fotonu není přímo povolena, což má za následek významnou neefektivnost. K výrobě polovodičového LED je nezbytné současně umístit elektrony ve vodivém pásmu a dírách ve valenčním pásmu v materiálu. To je místo, kde doping předpokládá význam. Vnitřní polovodič funguje jako izolátor, protože elektrony ve valenčním pásmu zůstávají imobilní kvůli nepřítomnosti dostupných stavů pro elektronický pohyb; Nicméně polovodiče mohou být dopovány dvěma odlišnými způsoby. Když jsou nečistoty začleněny do krystalu s dalším elektronem na atom, tyto přebytečné elektrony přecházejí na vodivé pásmo. Například nahrazení některých atomů GA atomy Si v krystalu GaAS vede k dopingu typu N, charakterizované přítomností elektronů ve vodivém pásmu. Naopak lze zavést nečistoty bez elektronu, což má za následek doping typu p, charakterizovaného existencí otvorů ve valenčním pásmu. Klíčovým aspektem je, že dopanty tvoří atomy menšin uvnitř krystalové struktury: jediný atomy dopingů mezi miliony standardních atomů může výrazně zvýšit elektrickou vodivost. Zvládnutí úrovně dopingu je nezbytné pro přizpůsobení elektrických charakteristik polovodičů. Tato odbornost, která začala ve 40. a 50. letech 20. století, vyvolala revoluce v mikroelektronice a optoelektronice. Základní konfigurace pro emise světla z polovodiče zahrnuje integraci typu N (s elektrony ve vodivém pásmu) a typu p (s otvory nebo nepřítomností elektronů, ve valenčním pásmu). Když jsou podrobeny elektrickému zkreslení, elektronů a děr, které procházejí protichůdnými směry-kde doleva se pohybující díra ve valenčním pásmu odpovídá vpravo se pohybujícím elektrony na křižovatce PN, což vede k rekombinaci, která vydává fotony (obr. 2). Po pochopení výzkumné komunity se ukázala potřebná akce: schopnost syntetizovat vysoce kvalitní krystaly s přesně kontrolovaným dopingem typu P a N. Inaugurační infračervená LED GaAS byla vystavena v roce 1962, následně následovala počáteční viditelné LED diody vyvinuté jinými týmy. N. Holonyak, výzkumný pracovník společnosti General Electric, obhajoval slitinu GAASP, což mu umožnilo předvést inaugurační viditelný polovodičový diodový laser. Je nezbytné uznat N. Holonyaka, který mimo jiné výrazně pokročil porozumění a kontrolu polovodičových světelných emitorů. V roce 1963 Nick Holonyak v Reader's Digest předpověděl, že polovodičové LED diody by nakonec nahradily všechny žárovky pro obecné aplikace osvětlení, navzdory počátečním polovodičovým LED diokům, které vyzařují velmi tlumené světlo a vykazují efektivitu pouze frakcí procenta v důsledku nižší kvality materiálu. Jaká kritéria použil k vytvoření této předpovědi? Holonyak rozpoznal, že žárovky fungují podobně jako emitory černého těla a vytvářejí spektrální křivku korelovanou s teplotou vlákna; Jak se teplota zvyšuje, emisní spektrum se posune směrem k kratším vlnovým délkám. Nejúčinnější žárovky většinou vyzařují infračervené světlo, které je neúčinné pro osvětlení a místo toho funguje jako zdroj tepla. Přeměna elektrické energie na viditelný optický výkon je ze své podstaty omezena přibližně 5%. U polovodičových LED LED se fyzika výrazně liší: téměř 100% elektrické energie může být transformováno na optickou energii, s dobře regulovanou emisní vlnovou délkou (zejména mezera pásma určuje energii a vlnovou délku emitovaného fotonu). Lze si představit zařízení vybavené LED diodami, které vyzařují několik viditelných vlnových délek, z nichž každá vykazuje vysokou (nejlépe jednotní) účinnost přeměny, což umožňuje emisi viditelného bílého světla (nebo jakékoli vybrané kombinace viditelných barev) bez tepelných ztrát (obr. 3). To by mělo teoreticky fungovat; Jedinou výzvou je dosáhnout technologické zralosti potřebné k výrobě extrémně účinných LED diody na určitých vlnových délkách. Toto úsilí okupovalo polovodičové výzkumné pracovníky po následujících desetiletích a nakonec vyústilo v2014 Nobelova cena.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd byl založen v roce 2010. Jedná se o národní high-tech podnikový integrační design, výzkum a vývoj, výroba a prodej indoor a venkovních osvětlovacích produktů a také může dělat OEM, ODM. Pro více podrobností o našich nabídkách nás prosím kontaktujte, kontaktujte nás nabwzm18@ledbenweilighting.com
