Összefoglalás
2014-ben Isamu Akasaki, Hiroshi Amano és Shuji Nakamura a Nobel-díjat a fizikában elnyerték a hatékony, kék fénykibocsátó diódák létrehozásáért, amelyek megkönnyítették a fényes és energiahatékony fehér fényforrások kialakulását. Az utóbbi években,Fénykibocsátó diódák (LED-ek) egyre inkább behatoltak az otthoni világítási ágazatba és más tömegpiacokba. Ez a cikk arra törekszik, hogy áttekintést nyújtson a LED -ek fizikájáról, a legfontosabb áttörésekről, amelyek a 2014. évi Nobel -díjat eredményeznek, és az energiatakarékossági lehetőségeket, amelyeket a LED -ek megkönnyíthetnek.
1. Bevezetés
A fénykibocsátó diódák (LED-ek) több évtizedek óta szerves részét képezik, indikátorlámpákkal és infravörös távvezérlőkkel az 1960-as években. A Nobel -fizika -díjat azonban 2014 -ben adták ki, kifejezetten a Blue LED -ek számára, ami végül lehetővé tette a fehér fény előállítását. Ez a cikk célja az alapvető LED -fizika tisztázása, hogy igazolják a kiváló fénykibocsátóként való potenciáljukat, különösen a megvilágítási alkalmazásokhoz. Ezenkívül rövid történetet fog adni azokról a találmányokról is, amelyek hozzájárultak a modern LED -ekhez, és elmagyarázzák az Akasaki, Amano és Nakamura számára odaítélt 2014. évi Nobel -fizika -díj mögött rejlő indokot. Végül megvizsgálom, hogy a kortárs LED -ek valóban energiamegtakarítást eredményeznek -e, és pragmatikusabban, ha az egyéni fogyasztók számára gazdasági szempontból ésszerű a vásárláshozLED -izzókotthoni megvilágításhoz.
2. Hogyan működnek a félvezető LED -ek?
Ez a szakasz rövid áttekintést nyújt az elektrolumineszcencia történetéről, amely a szervetlen félvezetők elektrolumineszcenciájára koncentrál, majd a kortárs LED -ek alapjául szolgáló fizika leírását követi. Az elektroluminumineszcencia az a jelenség, amelyben a fényt bocsátják ki, amikor egy elektromos áram áthalad egy anyagon. Azt állíthatjuk, hogy az izzólámpák (az "Edison" izzó) elektrolumineszcensek; Ebben a forgatókönyvben azonban az áramáram melegíti az anyagot, és a fénykibocsátás kizárólag az izzószál megemelkedett hőmérséklete alapján eredményez. Ezért pontosabb az elektrolumineszcenciára utalni, amikor az áram áramlása közvetlenül megkönnyíti a fénykibocsátási mechanizmust. Az elektrolumineszcencia kezdeti dokumentációja 1907 -ben történt, a HJ Round, a Marconi Company alkalmazottja. Elmerült egy szilícium -karbidmintát (majd Carborundumnak nevezve), és a különböző színek fényét megfigyelte az elektróda elhelyezése és az alkalmazott feszültség alapján. Akkoriban nem értette a jelenséget. Két évtizeddel később Oleg Losev, a Nizhny Novgorod Radio Laboratory fiatal orosz technikus, jelentős előrelépéseket ért el a szilícium-karbid-fényszóró diódák kísérleti megfigyelésében és megértésében. Konkrétan, 1929 -ben szabadalmat nyújtott be, amely a későbbi állításra támaszkodik: "A javasolt találmány a karborundum -detektorban alkalmazott lumineszcencia jelenségét alkalmazza, és egy ilyen detektor felhasználását magában foglalja egy optikai relékben, hogy a gyors távírási és a modulált áramköröket, és egy lumines kapcsolattartási pontot, mint a Fight Force -t. Ez valóban figyelemre méltó: egy 26- éves munkavállaló, korlátozott formális fizikai oktatással, szabadalmaztatta az adatok nagy sebességű átvitelét egy félvezető fényforrás elektromos modulációjával 1929-ben. Az innovatív publikációk és a LOSEV szabadalmai azonban évtizedek óta nagymértékben homályosak maradtak. Az 1940 -es években a félvezetők fokozott megértése és ellenőrzése az első P - N csomópont létrehozását eredményezte, amelyet az első tranzisztor találmánya követ. Következésképpen a jól fejlett P-I-N csomópontokat használó kezdeti LED-eket előállíthatják és továbbfejleszthetik.
A félvezető egy olyan anyag, amelynek vezetőképességét meg lehet változtatni az adalékanyagnak nevezett szennyeződések bevezetésével. A szervetlen félvezetők kristályos anyagok, mint a szilícium (SI), a gallium -arzenid (GAAS), az indium -foszfid (INP) és a gallium -nitrid (GAN), amelyeket az elektronok energia sávjai jellemeznek. A legfelsõbb elfoglalt energia sávot valencia sávnak nevezzük, amelyet egy nem fel nem műsorban tele van elektronokkal, de az azt követő magasabb energiatartalmú sáv, az úgynevezett vezetési sáv néven teljesen megüresedett egy nem fel nem szereplő félvezetőben. A vezetési sáv minimum és a valencia zenekar legmagasabb közötti energiaszendetlenségét a félvezető zenekarrésnek nevezzük. A félvezetőben a fény-kibocsátási folyamat egyértelmű: amikor egy elektron elfoglalja a vezetési sávot, és a valencia sávban (lyuknak nevezve) van egy üres hely, akkor a vezetőképes-sáv átmenetet képes elfoglalni a valencia sávban lévő üres állapot elfoglalására, és az energiakülönbséget (a sávrést) emelt fotonként szabadíthatja fel (1. ábra). Az elektron és a lyuk rekombinál, ami egy foton kibocsátását eredményezi. Ez a folyamat a félvezetők többségében zajlik, figyelemre méltó kivételekkel, amelyeket közvetett félvezetőknek neveznek, mint például a szilícium vagy a germánium, ahol a fotonkibocsátás nem engedélyezett, ami jelentős hatékonyságot eredményez. A félvezető LED elkészítéséhez elengedhetetlen, hogy az elektronok egyidejűleg elhelyezzék a vezetőképességet és az anyagban lévő valencia sáv lyukait. A dopping itt feltételezi a jelentőségét. A belső félvezető szigetelőként működik, mivel a valencia sávban lévő elektronok mozdulatlanok maradnak, mivel nincsenek az elektronikus mozgáshoz rendelkezésre álló állapotok; Ennek ellenére a félvezetők két különálló modorba adhatók. Ha a szennyeződéseket beépítik a kristályba egy további elektronnal, atomonként, akkor ezek a többlet elektronok a vezetőképes sávra kerülnek. Például, ha egyes GA-atomokat Si atomokkal helyettesítenek egy GAAS kristályban, N-típusú doppingot eredményeznek, amelyet az elektronok jelenléte jellemez a vezetőképes sávban. Ezzel szemben az elektron nélküli szennyeződések bevezethetők, amelyek p-típusú doppingot eredményeznek, amelyet a valencia sávban lyukak létezése jellemez. Alapvető szempont az, hogy az adalékanyagok kisebbségi atomokat képeznek a kristályszerkezetben: az egy millió standard atom egyik dopping -atomja jelentősen javíthatja az elektromos vezetőképességet. A doppingszint elsajátítása elengedhetetlen a félvezetők elektromos tulajdonságainak testreszabásához. Ez az 1940 -es és 1950 -es években megkezdett szakértelem a mikroelektronika és az optoelektronika forradalmait váltotta ki. A félvezetőből származó fénykibocsátás alapvető konfigurációja magában foglalja az N-típusú (elektronokkal a vezetőképes sávban) és a P-típusú (lyukakkal vagy az elektronok hiányával történő) integrációját. Ha elektromos torzításnak, elektronoknak és lyukaknak van kitéve, amelyek ellentétes irányban haladnak, ahol a valencia sávban a bal oldali mozgó lyuk megfelel a jobb oldalról mozgó elektronok-konvertációnak a PN csomóponton, és olyan rekombinációt eredményez, amely fotonokat bocsát ki (2. ábra). A kutató közösség megértése után a szükséges intézkedés nyilvánvalóvá vált: a jó minőségű kristályok szintetizálásának képessége pontosan szabályozott P-típusú és N-típusú dopping segítségével. A GAAS infravörös LED -jét 1962 -ben mutatták be, amelyet később a többi csapatok által kidolgozott kezdeti látható LED -ek követtek el. N. Holonyak, a General Electric kutatója, a GAASP ötvözet támogatta, lehetővé téve számára, hogy bemutassa a látható félvezető dióda lézerét. Alapvető fontosságú N. Holonyak elismerése, aki többek között jelentősen továbbfejlesztette a félvezető fénykibocsátók megértését és irányítását. 1963 -ban Nick Holonyak az Reader's Digest -ben azt jósolta, hogy a félvezető LED -ek végül az összes izzót kiszorítják az általános világítási alkalmazásokhoz, annak ellenére, hogy a kezdeti félvezető LED -ek nagyon homályos fényt bocsátanak ki, és a nem megfelelő anyagminőség miatt csak százalékos frakciók hatékonyságát mutatják. Milyen kritériumokat alkalmazott ennek az előrejelzésnek a generálására? A Holonyak felismerte, hogy az izzólámpák hasonlóan működnek a fekete test kibocsátókhoz, és spektrális görbét hoznak létre az izzószál hőmérsékletével; A hőmérséklet növekedésével az emissziós spektrum a rövidebb hullámhossz felé halad. A leghatékonyabb izzólámpák többnyire infravörös fényt bocsátanak ki, amely nem hatékony a megvilágításra, és ehelyett hőforrásként működik. Az elektromos energia látható optikai teljesítménygé történő átalakítását lényegében 5%-on korlátozzák. A félvezető LED -eknél a fizika jelentősen eltér: az elektromos energia közel 100% -a átalakítható optikai teljesítménygé, jól szabályozott emissziós hullámhosszmal (nevezetesen, a sávrés meghatározza az energiát és következésképpen a kibocsátott foton hullámhosszát). Elképzelheti a LED -ekkel felszerelt eszközt, amelyek több látható hullámhosszon bocsátanak ki, mindegyik magas (lehetőleg egység) konverziós hatékonysággal rendelkezik, így lehetővé teszi a látható fehér fény (vagy a látható színek bármely kiválasztott kombinációjának) kibocsátását hőtöltség nélkül (3. ábra). Ennek elméletileg működnie kell; Az egyetlen kihívás a rendkívül hatékony LED -ek bizonyos hullámhosszon történő előállításához szükséges technológiai érettség elérése. Ez a törekvés a következő évtizedekig elfoglalta a félvezető kutatókat, és végül a2014 -es Nobel -díj.
A Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd-t 2010-ben alapították. Ez egy nemzeti csúcstechnikai vállalkozás, amely integrálja a tervezést, a K + F-t, a beltéri és a kültéri világítási termékek gyártását és értékesítését, valamint az OEM, ODM részleteit is.bwzm18@ledbenweilighting.com
