Sammendrag
I 2014 ble Isamu Akasaki, Hiroshi Amano og Shuji Nakamura tildelt Nobelprisen i fysikk for deres opprettelse av effektive blå lysdioder, som letter utviklingen av lyse og energieffektive hvite lyskilder. De siste årene,Lysemitterende dioder (lysdioder) har i økende grad trengt gjennom hjemmebelysningssektoren og andre massemarkeder. Denne artikkelen søker å gi en oversikt over LED -fysikken, de viktigste gjennombruddene som kulminerte i Nobelprisen i 2014, og potensialet for energibesparing som LEDs kan lette.
1. Innledning
Lysemitterende dioder (LED) har vært integrert i dagliglivet i flere tiår, med opprinnelse med indikatorlamper og infrarøde fjernkontroller på 1960-tallet. Nobelprisen i fysikk ble imidlertid gitt i 2014 spesielt for blå lysdioder, noe som til slutt muliggjorde produksjon av hvitt lys. Denne artikkelen tar sikte på å belyse grunnleggende LED -fysikk for å demonstrere potensialet deres som overlegne lysutsendere, spesielt for belysningsapplikasjoner. Det vil også gi en kort historie om oppfinnelsene som bidro til moderne lysdioder og forklarer begrunnelsen bak Nobelprisen 2014 i fysikk tildelt Akasaki, Amano og Nakamura. Til syvende og sist vil jeg undersøke om moderne lysdioder virkelig resulterer i energibesparing, og mer pragmatisk, hvis det er økonomisk fornuftig for individuelle forbrukere å kjøpeLED -pærerFor hjemmebelysning.
2. Hvordan fungerer halvleder -lysdioder?
Denne delen vil gi en kort oversikt over historien om elektroluminescens, konsentrere seg om elektroluminescensen av uorganiske halvledere, etterfulgt av en beskrivelse av fysikken som ligger til grunn for moderne LED -er. Elektroluminescens er fenomenet der lys sendes ut når en elektrisk strøm passerer gjennom et stoff. Det kan hevdes at glødende pærer ("Edison" -pæren) er elektroluminescerende; I dette scenariet varer imidlertid den nåværende strømmen materialet, og lysutslippsresultater utelukkende fra glødetrådens forhøyede temperatur. Dermed er det mer nøyaktig å referere til elektroluminescens når strømmen direkte letter lysutslippsmekanismen. Den første dokumentasjonen av elektroluminescens skjedde i 1907 av HJ Round, ansatt i Marconi Company. Han forspenet et silisiumkarbidprøve (deretter referert til som Carborundum) og observerte lys av forskjellige farger i henhold til elektrodeplassering og spenning påført. Han forsto ikke fenomenet på den tiden. To tiår senere oppnådde Oleg Losev, en ung russisk tekniker ved Nizhny Novgorod Radio Laboratory, betydelige fremskritt i den eksperimentelle observasjonen og forståelsen av silisiumkarbid-lysdioder. Spesifikt sendte han inn et patent i 1929 som omfattet det påfølgende påstanden: "Den foreslåtte oppfinnelsen benytter det etablerte fenomenet luminescens i en carborundum -detektor og innebærer utnyttelse av en slik detector i en optisk relé for å tilrettelegge for Rapid Telegraphic og telefonkommunikasjon, bilde som er en modus som en MOD -relé, hvor du er en MoTo -en som er i en slik deter som er en slik det, og som er en slik deter som er en slik deter som er en slik den som er en slik, og som er en slik deter. krets. " Dette er virkelig bemerkelsesverdig: en 26- år gammel arbeider med begrenset formell utdanning i fysikk patenterte høyhastighetsoverføringen av data ved bruk av elektrisk modulering av en halvleder lyskilde i 1929. De innovative publikasjonene og patenter av Losev forble imidlertid stort sett uklar i flere tiår. På 1940 -tallet resulterte forbedret forståelse og kontroll av halvledere i opprettelsen av det første P - N -krysset, etterfulgt av oppfinnelsen av den første transistoren. De første lysdiodene som benyttet velutviklede P-I-N-veikryss, kan følgelig bli fremstilt og forbedret.
En halvleder er et stoff hvis ledningsevne kan endres ved innføring av urenheter kjent som dopanter. Uorganiske halvledere er krystallinske materialer som silisium (Si), galliumarsenid (GaAs), indiumfosfid (INP) og galliumnitrid (GaN), preget av energibånd for elektroner. Det øverste okkuperte energibåndet blir referert til som valensbåndet, som er fylt med elektroner i en udopet halvleder, men det påfølgende høyere energibåndet, kjent som ledningsbåndet, er fortsatt helt ledig i en udopet halvleder. Energiforskjellen mellom ledningsbåndets minimum og valensbåndets høyeste blir referert til som halvlederens båndgap. Den lysemisjonsprosessen i en halvleder er grei: Når et elektron okkuperer ledningsbåndet og et ledig stilling eksisterer i valensbåndet (kalt et hull), kan ledningsbandet elektron overgang for å okkupere den ledige tilstanden i valensbåndet, og frigjøre energiforskjellen (båndgapet) som et underlagt foton (fig. 1). Elektronet og hullet rekombinerer, noe som resulterer i utslipp av et foton. Denne prosessen skjer i de fleste halvledere, med bemerkelsesverdige unntak kjent som indirekte halvledere, for eksempel silisium eller germanium, der fotonutslipp ikke er direkte tillatt, noe som resulterer i betydelig ineffektivitet. For å fremstille en halvleder -LED, er det viktig å plassere elektroner samtidig i ledningsbåndet og hullene i valensbåndet i materialet. Det er her doping antar betydning. En iboende halvleder fungerer som en isolator, ettersom elektronene i valensbåndet forblir immobile på grunn av fravær av tilgjengelige tilstander for elektronisk bevegelse; Likevel kan halvledere dopes på to distinkte væremåter. Når urenheter blir inkorporert i krystallen med et ekstra elektron per atom, overfører disse overskuddselektronene til ledningsbåndet. For eksempel resulterer det å erstatte noen GA-atomer med Si-atomer i en GaAs-krystall i doping av N-type, preget av tilstedeværelsen av elektroner i ledningsbåndet. Motsatt kan urenheter uten elektron introduseres, noe som resulterer i doping av P-type, preget av eksistensen av hull i valensbåndet. Et avgjørende aspekt er at dopingmidler utgjør minoritetsatomer inne i krystallstrukturen: et enkelt dopingatom blant en million standardatomer kan øke elektrisk ledningsevne betydelig. Å mestre dopingnivået er avgjørende for å tilpasse de elektriske egenskapene til halvledere. Denne kompetansen, som startet på 1940- og 1950 -tallet, utløste revolusjonene i mikroelektronikk og optoelektronikk. Den grunnleggende konfigurasjonen for lysutslipp fra en halvleder innebærer integrering av N-type (med elektroner i ledningsbåndet) og P-type (med hull, eller fravær av elektroner, i valensbåndet). Når de blir utsatt for elektrisk skjevhet, elektroner og hull, som krysser i motstridende retninger-der et venstresidende hull i valensbåndet tilsvarer høyre-bevegende elektron-converge i PN-krysset, noe som resulterer i rekombinasjon som avgir fotoner (fig. 2). Etter forståelse av forskningssamfunnet ble den nødvendige handlingen tydelig: evnen til å syntetisere krystaller av høy kvalitet med nøyaktig kontrollert P-type og N-type doping. Den første GaAs Infrared LED ble stilt ut i 1962, og etterfulgt deretter av de første synlige lysdiodene utviklet av andre lag. N. Holonyak, forsker ved General Electric, tok til orde for Gaasp -legeringen, slik at han kunne vise frem den innledende synlige halvlederdiodelaseren. Det er viktig å erkjenne N. Holonyak, som blant andre har avansert forståelsen og kontrollen av halvlederlysutsendere betydelig. I 1963 spådde Nick Holonyak i Readers Digest at halvleder -lysdioder til slutt ville erstatte alle lyspærer for generelle belysningsapplikasjoner, til tross for de første halvleder -lysdiodene som avgir veldig svakt lys og utviste effektiviteter av bare brøkdeler av en prosent på grunn av underordnet materialkvalitet. Hvilke kriterier brukte han for å generere denne prediksjonen? Holonyak anerkjente at glødende lyspærer fungerer på samme måte som svart-kroppsutsendere, og produserer en spektral kurve korrelert med glødetemperaturen; Når temperaturen øker, skifter emisjonsspekteret mot kortere bølgelengder. De mest effektive glødende pærene avgir for det meste infrarødt lys, noe som er ineffektivt for belysning og fungerer i stedet som en kilde til varme. Konvertering av elektrisk kraft til synlig optisk kraft er iboende begrenset til omtrent 5%. I halvleder -lysdioder avviker fysikken betydelig: nesten 100% av elektrisk kraft kan transformeres til optisk kraft, med en godt regulert utslippsbølgelengde (spesielt bestemmer båndgapet energien og følgelig bølgelengden til det utsendte fotonet). Man kan se for seg en enhet utstyrt med lysdioder som avgir over flere synlige bølgelengder, og hver viser en høy (helst enhet) konverteringseffektivitet, og dermed tillater utslipp av synlig hvitt lys (eller en hvilken som helst valgt kombinasjon av synlige farger) uten termiske tap (fig. 3). Dette skal i teorien fungere; Den eneste utfordringen er å oppnå den teknologiske modenheten som kreves for å produsere ekstremt effektive lysdioder ved visse bølgelengder. Denne bestrebelsen okkuperte halvlederforskere i påfølgende tiår og resulterte til slutt iNobelprisen 2014.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd ble etablert i 2010. Det er et nasjonalt høyteknologisk foretak som integrerer design, FoU, produksjon og salg av innendørs og utendørs belysningsprodukter og kan også gjøre OEM, ODM. For mer informasjon om tilbudene våre, kan du kontakte oss påbwzm18@ledbenweilighting.com
