Kako deluje LED?
Kljub temu, da se svetleče-diode (LED) uporabljajo v številnih vidikih sodobnega življenja, na primer za razsvetljavo naših domov, napajanje zaslonov pametnih telefonov in usmerjanje prometa, se zaradi svoje sofisticirane polprevodniške fizike razlikujejo od bolj običajnih tehnologij razsvetljave, kot so žarnice z žarilno nitko ali fluorescentne žarnice.LED diodeuporabite postopek, znan kot elektroluminiscenca, ki je emisija fotonov (svetlobnih delcev), ko električni tok teče skozi posebej izdelan polprevodniški material. To je v nasprotju z žarnicami z žarilno nitko, ki proizvajajo svetlobo s segrevanjem žarilne nitke, ali fluorescencami, ki uporabljajo plin in UV-sevanje. Najprej moramo preučiti osnove polprevodnikov, zasnovo LED in zaporedni postopek, ki pretvarja elektriko v vidno svetlobo, da bi razumeli, kako se to zgodi.
Osnova: energijski pasovi in polprevodniki
Vsako LED diodo napaja polprevodnik, snov, ki prevaja elektriko slabše od prevodnikov (kot je baker), a bolje kot izolatorji (kot je steklo). Elektronski energijski pasovi-energijska območja, ki jih elektroni lahko zasedejo-, so bistvenega pomena za razločno vedenje polprevodnika. Elektroni imajo različne energijske ravni v vseh materialih, toda v trdnih snoveh se te ravni združijo in tvorijo dva glavna pasova: prevodni pas in valenčni pas.
Atome materiala držijo skupaj v kristalni strukturi elektroni v valenčnem pasu, ki so trdno pritrjeni na atome. Električno prevodnost omogočajo elektroni v prevodnem pasu, ki prosto tečejo skozi snov. Pasovna vrzel, obseg energije, ki ga elektroni ne morejo naseliti, obstaja med tema pasovoma. Velikost pasovne vrzeli materiala določa, ali je izolator, prevodnik ali polprevodnik: polprevodniki imajo majhno, merljivo pasovno vrzel (elektroni lahko prečkajo vrzel z majhnim vnosom energije, kot električni tok), prevodniki nimajo pasovne vrzeli (elektroni se prosto gibljejo med pasovi), izolatorji pa imajo zelo velike pasovne vrzeli (zaradi česar elektroni težko preskočijo na prevodni pas).
Polprevodnik, ki se uporablja v LED diodah, je "dopiran", kar je postopek, ki spremeni električne lastnosti materiala z dodajanjem sledi nečistoč. Polprevodniki tipa n-in p-tipa so proizvedeni z dopiranjem. Ko se elementi z dodatnimi elektroni, kot je fosfor, dopirajo v polprevodnike tipa N-, se lahko prosto gibljejo v prevodnem pasu in materialu dajo neto negativni naboj. Elementi z manj elektroni, kot je bor, se uporabljajo za dopiranje polprevodnikov tipa P-. Posledica tega so "luknje" ali manjkajoči elektroni v valenčnem pasu, ki delujejo kot pozitivni naboji in lahko prehajajo skozi material, ko jih elektroni napolnijo. LED deluje zaradi p-n spoja, ki je presečišče teh dveh dopiranih regij.
Struktura LED: od svetlobne moči do spoja P-N
Enostavna, a natančna zasnova LED poveča svetlobni izhod in hkrati zmanjša izgubo energije. Njegov p-n spoj se nahaja v tanki plasti polprevodniškega materiala, običajno na osnovi galija, kot sta galijev arzenid ali galijev nitrid. Ta polprevodniška plast je pritrjena na substrat, temeljni material, ki zagotavlja podporo in pomaga pri odvajanju toplote. To je pomembno, saj lahko pregrevanje skrajša življenjsko dobo LED.
Ena elektroda je pritrjena na območje tipa p- (anoda, pozitivni terminal), druga pa na območje tipa n- (katoda, negativni terminal) na vrhu polprevodniške plasti. Električno polje nastane preko p-n spoja, ko se napetost dovaja čez te elektrode (katoda je negativna, anoda pa pozitivna). Proste elektrone polprevodnika tipa n- to polje potiska proti spoju, medtem ko so luknje polprevodnika tipa p- narisane v isto smer.
Da lahko svetloba, ki nastane na p-n spoju, uide, mora biti polprevodniška plast prozorna ali pol-prosojna (ali imeti na eni strani odbojno plast). ModernoLED diodeuporabljajo materiale, kot je galijev nitrid (GaN), ki so prozorni za vidno svetlobo in zagotavljajo, da večina fotonov doseže površino, v nasprotju s zgodnjimi LED, ki so pogosto uporabljale neprozorne polprevodniške materiale, ki so omejevali izhod svetlobe. P-n-stičišče polprevodnika je mesto, kjer poteka proces-generiranja primarne svetlobe, čeprav imajo nekatere svetleče diode tudi lečo ali prevleko za fokusiranje svetlobe ali spreminjanje njene barve.
1. korak: Uporaba rekombinacije elektronov-lukenj in napetosti
Zunanja napetost, ki je dana na elektrode LED, sproži proces oddajanja svetlobe z vzpostavitvijo prednapetosti, ki je pravilna smer toka zaLEDdelovati; obratna prednapetost pa ustavi tok in ne proizvaja svetlobe. Prosti elektroni iz območja tipa n- se pospešijo v območje tipa p-, luknje iz območja tipa p- pa se pospešijo v območje tipa n- z električnim poljem čez p-n spoj, ko je uporabljena prednapetost.
Ti elektroni in luknje se sčasoma združijo na p-n spoju ali blizu njega, ko potujejo v isti smeri. Prosti elektron iz območja prevodnega pasu tipa n- "pade" v luknjo, ko trči v luknjo iz valenčnega pasu območja tipa p-, pri čemer preide iz višjega energijskega stanja v prevodnem pasu v nižjo energijsko raven v valenčnem pasu. Elektron in luknja se med tem prehodom, ki je znan kot rekombinacija, izničita, dodatna energija, ki jo izgubita, pa se odda kot foton.
Velikost prepovedanega pasu polprevodnika neposredno vpliva na energijo tega fotona, ki daje svetlobi njeno barvo. Foton z višjo energijo (in krajšo valovno dolžino, kot je modra ali vijolična svetloba) nastane, ko se elektron rekombinira z luknjo in izgubi več energije zaradi širše vrzeli v pasu. Foton z daljšo valovno dolžino, kot je rdeča ali oranžna svetloba, in manj energije proizvaja manjša vrzel v pasu.
Na primer:
Galijev arzenid (GaAs) zaradi svoje ozke vrzeli v pasu oddaja rdečo svetlobo z valovno dolžino okoli 650 nm. Zaradi širše vrzeli v pasu oddaja galijev nitrid (GaN) modro ali vijolično svetlobo z valovno dolžino okoli 450 nm.
Proizvajalci lahko spremenijo pasovno vrzel za proizvodnjo LED, ki ustvarjajo zeleno, rumeno ali celo belo svetlobo, s kombiniranjem različnih polprevodniških materialov (kot je galijev indijev nitrid ali InGaN) (več o belih LED diodah spodaj).
2. korak: Učinkovitost in odvajanje svetlobe
Nekatere fotone, ki nastanejo pri rekombinaciji, absorbira sam polprevodniški material, medtem ko se drugi odbijejo od elektrod ali p-n spoja in se sprostijo kot toplota. Vsi ti fotoni ne zapustijoLEDkot vidna svetloba. Oblikovalci LED uporabljajo številne strategije za izboljšanje "odvajanja svetlobe", da bi optimizirali učinkovitost:
Substrati, ki so prozorni: večino svetlobe so ujeli neprozorni substrati (kot je germanij), ki so bili uporabljeni v zgodnjih LED. Prozorni substrati, kot sta silicijev karbid ali safir, se uporabljajo v sodobnih LED diodah, da fotoni dosežejo površino.
Teksturirane površine: Da bi zmanjšali količino svetlobe, ki se odbija nazaj v material, je površina polprevodnika pogosto vgravirana z majhnimi vzorci, kot so izbokline ali utori. S spreminjanjem kota, pod katerim svetloba pade na površino, to poveča verjetnost, da bo ušla, namesto da bi se odbila nazaj.
Odsevne plasti: Hrbtna stran polprevodnika je prekrita s tanko plastjo odseva, ki je pogosto sestavljena iz kovine, kot sta aluminij ali srebro. Ta plast poveča količino svetlobe, ki zapusti LED, tako da odbija fotone, ki bi se sicer izgubili skozi substrat, nazaj proti sprednjemu delu LED.
Čeprav veliko manj kot pri žarnicah z žarilno nitko, se kljub tem napredkom nekaj energije še vedno izgubi kot toplota. Samo 10–25 % energije se izgubi kot toplota pri LED diodah, pri čemer se 75–90 % energije pretvori v svetlobo, v primerjavi z 90–95 % pri žarnicah z žarilno nitko. LED diode zaradi svoje odlične učinkovitosti porabijo veliko manj energije kot običajne luči.
Kako delujejo bele LED diode: edinstvena situacija
Večina LED-diod oddaja le enobarvno ali monokromatsko svetlobo, vendar bele LED-diode, ki se uporabljajo v žarometih, televizorjih in domači razsvetljavi, potrebujejo drugačno strategijo, ker ni polprevodniškega materiala s pasovno vrzeljo, ki neposredno ustvarja belo svetlobo. Namesto tega bele LED uporabljajo eno od dveh osnovnih tehnik:
Pretvorba fosforja: modraLED(iz galijevega nitrida), prekrita z rumenim fosforjem-snov, ki absorbira svetlobo ene valovne dolžine in oddaja svetlobo druge-se uporablja v najbolj priljubljeni tehniki. Fosfor absorbira nekaj modrih fotonov, ki jih oddaja modra LED, in ponovno-oddaja rumene fotone. Naše oči interpretirajo preostale modre fotone kot belo svetlobo, ko se združijo z rumenimi fotoni. Proizvajalci premazu dodajo rdeče ali zelene fosforje v sledovih, da spremenijo barvno temperaturo ali "toploto" ali "hladnost" bele svetlobe. Na primer, dodajanje dodatne modre svetlobe proizvede hladno belo svetlobo (5000K–6500K), medtem ko dodajanje rdečega fosforja proizvede toplo belo svetlobo (2700K–3000K).
Mešanje RGB: ta manj priljubljena tehnika združuje tri različne LED-rdečo, zeleno in modro-v en paket. Tri barve se kombinirajo, da ustvarijo belo svetlobo (ali kateri koli drug odtenek vidnega spektra) s spreminjanjem svetlosti vsake LED. Čeprav je ta tehnika dražja od pretvorbe fosforja, se uporablja v situacijah, ki zahtevajo natančno upravljanje barv, kot je odrska osvetlitev ali vrhunski-zasloni.
Razlike med LED in konvencionalno razsvetljavo
Če vemo, kako delujejo LED diode, lažje ugotovimo, zakaj delujejo bolje kot fluorescentne in žarnice z žarilno nitko v skoraj vseh kategorijah:
Energijska učinkovitost: LED diode uporabljajo elektroluminiscenco, ki je naravno učinkovita; za razliko od žarnic z žarilno nitko, ki porabljajo energijo za segrevanje žarilne nitke, fluorescence ne trošijo energije za ustvarjanje UV-sevanja.
Dolga življenjska doba: LED diode ne izgorijo zlahka, ker nimajo gibljivih delov ali občutljivih filamentov. Za razliko od žarnic z žarilno nitko, katerih življenjska doba je 1.000–2.000 ur, imajo LED diode življenjsko dobo 50.000–100.000 ur zaradi izjemno postopne razgradnje polprevodniškega materiala skozi čas.
Takojšnji vklop/izklop: za razliko od fluorescentnih sijalk, ki potrebujejo nekaj sekund, da popolnoma zasvetijo, LED-diode nimajo časa za-ogrevanje in se takoj aktivirajo do polne svetlosti.
Trajnost: KerLED diodeso polprevodni-elektronika, lahko prenesejo udarce, tresljaje in visoke temperature, zaradi česar so popolni za uporabo na prostem ali v težkih okoljih (kot so avtomobili ali tovarne).
Prihodnost LED tehnologije
Nova dognanja povečujejo potencial tehnologije LED, saj jo raziskovalci in inženirji še naprej izboljšujejo. Na primer:
QLED ali LED s kvantnimi pikami: izboljšajo svetlost in barvno natančnost z uporabo kvantnih pik, ki so majhni polprevodniški delci. Raziskovalci poskušajo narediti QLED bolj energetsko-učinkovite za splošno razsvetljavo in trenutno jih najdemo v-televizorjih višjega cenovnega razreda.
Mikro diode LED: te neverjetno majhne diode LED, ki merijo le nekaj mikrometrov, je mogoče združiti v goste nize, da ustvarijo prilagodljivo osvetlitev ali zaslone z visoko{0}}ločljivostjo. Pričakuje se, da bodo prihodnji pametni telefoni in televizorji uporabljali mikro LED namesto OLED zaradi njihove daljše življenjske dobe in boljšega izhoda.
Perovskite LED: V primerjavi z običajnimi materiali-na osnovi galija je perovskit nova vrsta polprevodniškega materiala, katerega proizvodnja je cenejša. Raziskovalci poskušajo povečati stabilnost perovskitnih LED za komercialno uporabo, saj so dokazale obetavnost pri zagotavljanju svetle in učinkovite svetlobe.
Za zaključek
LED diodeso zelo enostavne naprave, izdelane iz dopiranega polprevodnika z ap-n spojem, ki uporablja rekombinacijo elektronov-lukenj za pretvorbo električne energije v svetlobo. So med najučinkovitejšimi in najbolj prilagodljivimi svetlobnimi tehnologijami, kar jih je bilo kdaj razvito, vendar njihova preprostost prikriva kompleksnost njihove konstrukcije, ki vključuje vse od inženiringa odvajanja svetlobe do natančne regulacije pasovne vrzeli. Poznavanje delovanja LED diod nam omogoča, da dojamemo tako prefinjeno znanost, ki jih podpira, kot tudi njihove uporabne prednosti (daljša življenjska doba, nižji stroški energije). Ko se bo tehnologija LED še bolj razvijala, bo verjetno še bolj prispevala k zmanjšanju globalne porabe energije, zaustavitvi podnebnih sprememb in vplivanju na oblikovanje razsvetljave v prihodnosti-, kar dokazuje, da včasih najpomembnejši preboji izvirajo iz najbolj temeljnih znanstvenih načel.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd
Telefon: +86 0755 27186329
Mobilni (+86)18673599565
Whatsapp: 19113306783
E-pošta:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
Splet:www.benweilight.com
