Streszczenie
W 2014 r. Isamu Akasaki, Hiroshi Amano i Shuji Nakamura otrzymali nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za tworzenie wydajnych diod emitujących światło, które ułatwiły rozwój jasnych i energooszczędnych źródeł białego światła. W ostatnich latach,Diody emitujące światło (diody LED) Coraz częściej penetrują domowy sektor oświetlenia i inne rynki masowe. W tym artykule ma na celu przedstawienie przeglądu fizyki diod LED, głównych przełomów, które zakończyły się nagrodą Nobla w 2014 r. Oraz potencjał ochrony energii, która może ułatwić LED.
1. Wprowadzenie
Diody emitujące światło (diody LED) są integralną częścią życia codziennego od kilku dziesięcioleci, pochodzącą z lamp wskaźnikowych i zdalnych sterowników w podczerwieni w latach 60. XX wieku. Jednak Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki została przyznana w 2014 r. W szczególności dla niebieskich diod LED, co ostatecznie umożliwiło produkcję białego światła. Ten artykuł ma na celu wyjaśnienie fundamentalnej fizyki LED w celu wykazania ich potencjału jako najwyższych emiterów światła, szczególnie w przypadku zastosowań oświetleniowych. Zapewni to również krótką historię wynalazków, które przyczyniły się do współczesnych diod LED i wyjaśni uzasadnienie nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2014 roku przyznanym Akasaki, Amano i Nakamura. Ostatecznie zbadam, czy współczesne diody LED naprawdę skutkują ochroną energii i bardziej pragmatycznie, jeśli kupowanie poszczególnych konsumentów jest ekonomicznie rozsądneŻarówki LEDdo oświetlenia domu.
2. Jak działają diody półprzewodników?
W tej sekcji zawiera krótki przegląd historii elektroluminescencji, koncentrując się na elektroluminescencji nieorganicznych półprzewodników, a następnie opis fizyki leżących u podstaw współczesnych diod LED. Elektroliminescencja jest zjawiskiem, w którym światło jest emitowane, gdy prąd elektryczny przechodzi przez substancję. Można twierdzić, że żarówki (żarówka „Edison”) są elektroluminesowe; Jednak w tym scenariuszu prąd przepływu ogrzewa materiał, a emisja światła wynika wyłącznie z podwyższonej temperatury włókna. Dlatego dokładniej jest odwoływać się do elektroluminescencji, gdy przepływ prądu bezpośrednio ułatwia mechanizm emisji światła. Początkowa dokumentacja elektroluminescencji miała miejsce w 1907 r. Przez HJ Round, zatrudnioną przez firmę Marconi. Uderzał próbkę z węglików krzemu (następnie określanych jako karborundum) i zaobserwował światło o różnych kolorach zgodnie z zastosowaniem i napięciem elektrody. W tym czasie nie zrozumiał tego zjawiska. Dwie dekady później Oleg Lose, młody rosyjski technik w Nizhny Novgorod Radio Laboratory, osiągnął znaczny postęp w obserwacji eksperymentalnej i zrozumieniu diod światła emitującego węglika krzemu. W szczególności złożył patent w 1929 r. Obejmujący późniejsze twierdzenie: „Proponowany wynalazek wykorzystuje ustalone zjawisko luminescencji w detektorze karborundum i pociąga za sobą wykorzystanie takiego detektora w źródle optycznym, aby ułatwić szybką komunikację telegraficzną i telefoniczną, przesyłanie obrazu, przekładnia obrazu i innych zastosowań. okrążenie." Jest to naprawdę niezwykle niezwykłe: roczny pracownik 26- z ograniczoną formalną edukacją w dziedzinie fizyki opatentowana wysokim transferem danych przy użyciu modulacji elektrycznej źródła światła półprzewodnika w 1929 r. Innowacyjne publikacje i patenty Lossv pozostały jednak w dużej mierze niejasne. W latach 40. XX wieku zwiększone zrozumienie i kontrola półprzewodników spowodowało utworzenie pierwszego połączenia P - N, a następnie wynalezienie pierwszego tranzystora. Początkowe diody LED wykorzystujące dobrze rozwinięte połączenia P-I-N mogłyby być w konsekwencji wyprodukowane i wzmocnione.
Półprzewodnik jest substancją, której przewodność można zmienić poprzez wprowadzenie zanieczyszczeń znanych jako domieszki. Nieorganiczne półprzewodniki to materiały krystaliczne, takie jak krzemion (SI), arsenid galu (GAA), fosfor indu (INP) i azotek galu (GAN), charakteryzujący się pasmami energii dla elektronów. Najwyższe zajęte pasmo energetyczne jest określane jako pasmo walencyjne, które jest wypełnione elektronami w nieopatrzonym półprzewodniku, ale późniejszy pasmo energii, znane jako pasmo przewodowe, pozostaje całkowicie puste w nieopatrzonym półprzewodniku. Rozbieżność energii między minimum zespołu przewodnictwa a najwyższym zespołem Valence Band jest określana jako luka zespołu półprzewodnika. Proces emisji światła w półprzewodnik jest prosty: gdy elektron zajmuje pasmo przewodzenia, a wakat istnieje w paśmie walencyjnym (nazywany dziurą), elektron z pasmem przewodnictwa może przejść, aby zajmować wolny stan w paśmie walencyjnym, uwalniając różnicę energii (przerwa pasma) jako emitowany foton (ryc. 1). Elektron i otwór rekombinowane, co powoduje emisję fotonu. Proces ten występuje w większości półprzewodników, z godnymi uwagi wyjątkami zwanymi półprzewodnikami pośredniej, takimi jak krzem lub german, gdzie emisja fotonów nie jest bezpośrednio dozwolona, co powoduje znaczną nieefektywność. Aby wytworzyć diodę półprzewodników, konieczne jest jednoczesne ustawienie elektronów w paśmie przewodnictwa i otworach w paśmie walencyjnym w materiale. W tym momencie domieszkowanie nabiera istotności. Wewnętrzny półprzewodnik działa jako izolator, ponieważ elektrony w paśmie walencyjnym pozostają nieruchome z powodu braku dostępnych stanów do ruchu elektronicznego; Niemniej jednak półprzewodnicy można domieszkować się dwoma wyraźnymi manierami. Gdy zanieczyszczenia są włączone do kryształu z dodatkowym elektronem na atom, te nadwyżki elektrony przechodzą do pasma przewodnictwa. Na przykład zastąpienie niektórych atomów GA atomami SI w krysztale GAAS powoduje domieszkowanie typu N, charakteryzujące się obecnością elektronów w paśmie przewodnictwa. I odwrotnie, zanieczyszczenia pozbawione elektronu można wprowadzić, co powoduje domieszkowanie typu p, charakteryzujące się istnieniem otworów w paśmie walencyjnym. Kluczowym aspektem jest to, że domieszki stanowią atomy mniejszościowe w strukturze krystalicznej: pojedynczy atom domieszkowy wśród milionów standardowych atomów może znacznie zwiększyć przewodność elektryczną. Opanowanie poziomu domieszkowania jest niezbędne do dostosowania charakterystyki elektrycznej półprzewodników. Ta wiedza, która rozpoczęła się w latach 40. i 50. XX wieku, spowodowała rewolucje w mikroelektronice i optoelektronice. Podstawowa konfiguracja emisji światła z półprzewodnika obejmuje integrację typu N (z elektronami w paśmie przewodnictwa) i materiałów typu p (z otworami lub brakiem elektronów w paśmie walencyjnym). Po poddaniu stronniczości elektrycznej, elektronom i otworom, które przemierzają się w przeciwnych kierunkach-gdzie otwór poruszający się w lewo w paśmie walencyjnym odpowiada w prawej stronie elektrony-konwergentu w połączeniu PN, co powoduje rekombinację, która emituje fotony (ryc. 2). Po zrozumieniu przez społeczność badawczą wymagane działanie stało się oczywiste: zdolność do syntezy wysokiej jakości kryształów z precyzyjnie kontrolowanym domieszkowaniem typu p i N. Inauguracyjna LED w podczerwieni GAAS została wystawiona w 1962 r., A następnie następuje początkowe widoczne diody LED opracowane przez inne zespoły. N. Holonyak, badacz General Electric, opowiadał się za stopem GAASP, umożliwiając mu zaprezentowanie inauguracyjnego widzialnego lasera diodowego półprzewodnikowego. Ważne jest, aby uznać N. Holonyak, który między innymi znacznie rozwinął zrozumienie i kontrolę emiterów światła półprzewodników. W 1963 r. Nick Holonyak przewidział w Digest Reader, że diody półprzewodników ostatecznie zastąpią wszystkie żarówki do ogólnego zastosowania oświetlenia, pomimo początkowych diod LED półprzewodników emitujących bardzo słaby światło i wykazującą wydajność jedynie ułamków procentu z powodu dolnej jakości materiału. Jakie kryteria wykorzystał do wygenerowania tej prognozy? Holonyak rozpoznał, że żarówki żarowe działają podobnie do emiterów czarnego ciała, wytwarzając krzywą spektralną skorelowaną z temperaturą włókna; Wraz ze wzrostem temperatury widmo emisji zmienia się w kierunku krótszych długości fal. Najbardziej wydajne żarówki, głównie emitują światło w podczerwieni, co jest nieskuteczne dla oświetlenia, a zamiast tego działa jako źródło ciepła. Konwersja energii elektrycznej do widzialnej mocy optycznej jest z natury ograniczona na poziomie około 5%. W diodach półprzewodnikowych fizyka znacznie się rozbiega: prawie 100% mocy elektrycznej można przekształcić w moc optyczną, z dobrze regulowaną długością fali emisji (w szczególności szczelina pasma określa energię, a tym samym długość fali fotonu emitowanego). Można sobie wyobrazić urządzenie wyposażone w diody LED, które emitują kilka widocznych długości fali, z których każda wykazuje wysoką (najlepiej jedność) wydajność konwersji, co pozwala na emisję widzialnego białego światła (lub dowolnej wybranej kombinacji widzialnych kolorów) bez strat termicznych (ryc. 3). To powinno teoretycznie funkcjonować; Jedynym wyzwaniem jest osiągnięcie dojrzałości technologicznej wymaganej do wyprodukowania niezwykle wydajnych diod LED przy niektórych długościach fali. To przedsięwzięcie zajmowało badaczy półprzewodników przez kolejne dziesięciolecia i ostatecznie zaowocowałoNagroda Nobla 2014.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd została założona w 2010 roku. Jest to krajowe zaawansowane technologicznie przedsiębiorstwo integrujące projekt, produkcję i sprzedaż produktów oświetleniowych wewnętrznych i zewnętrznych, a także może robić OEM, ODM. W przypadku dalszych szczegółów na temat naszych ofert, skontaktuj się z nami pod adresembwzm18@ledbenweilighting.com
