Резюме
През 2014 г. Исаму Акасаки, Хироши Амано и Шуджи Накамура бяха наградени с Нобеловата награда по физика за създаването на ефективни диоди, излъчващи синя светлина, които улесняват развитието на ярки и енергийно ефективни източници на бяла светлина. През последните години,Леки излъчващи диоди (светодиоди) все повече проникват в сектора на домашното осветление и други масови пазари. Тази статия се стреми да предостави преглед на физиката на светодиодите, основните пробиви, които завършиха с Нобеловата награда за 2014 г., и потенциалът за енергийно опазване, който води, може да улесни.
1. Въведение
Лекоизлъчващите диоди (светодиоди) са неразделна част от ежедневието в продължение на няколко десетилетия, произхождащи от индикаторни лампи и инфрачервени дистанционни контроли през 60-те години. Нобеловата награда по физика обаче беше предоставена през 2014 г. специално за сини светодиоди, което в крайна сметка даде възможност за производството на бяла светлина. Тази статия има за цел да изясни фундаменталната водеща физика, за да демонстрира своя потенциал като превъзходни светлинни излъчватели, особено за осветителни приложения. Той също така ще предостави кратка история на изобретенията, допринесла за съвременните светодиоди и ще обясни обосновката зад Нобеловата награда за физика през 2014 г., присъдена на Акасаки, Амано и Накамура. В крайна сметка ще проуча дали съвременните светодиоди наистина водят до енергийно опазване и по -прагматично, ако е икономически разумно за отделните потребители да купуватLED крушкиза домашно осветление.
2. Как функционират полупроводниковите светодиоди?
Този раздел ще предостави кратък преглед на историята на електролуминесценцията, концентриращ върху електролуминесценцията на неорганичните полупроводници, последвано от описание на физиката, залегнала в основата на съвременните светодиоди. Електролуминесценцията е явлението, при което светлината се излъчва, когато електрически ток преминава през вещество. Може да се твърди, че крушките с нажежаема жичка (крушката „Едисон“) са електролуминесцентни; В този сценарий обаче токът нагрява материала, а светлинните емисии се получава единствено от повишената температура на нишката. По този начин е по -точно да се отнасяте към електролуминесценцията, когато токът поток директно улеснява механизма на емисиите на светлината. Първоначалната документация за електролуминесценция е възникнала през 1907 г. от HJ Round, нает от компанията Marconi. Той предупреди силициев карбид образец (след това наричан карборунд) и наблюдава светлина от различни цветове според поставянето на електрода и прилагането на напрежението. Той не разбираше явлението по това време. Две десетилетия по-късно Олег Лоуфв, млад руски техник в радио лабораторията на Nizhny Novgorod, постигна значителен напредък в експерименталното наблюдение и разбиране на диодите за излъчване на силициев карбид. По -конкретно, той представи патент през 1929 г., обхващащ последващото твърдение: „Предложеното изобретение използва установеното явление на луминесценцията в детектор на карборунд и включва използването на такъв детектор в оптично реле за улесняване верига. " Това е наистина забележително: 26- годишен работник с ограничено официално образование по физика патентова висококачествения трансфер на данни, използвайки електрическа модулация на полупроводников източник на светлина през 1929 г. Иновативните публикации и патенти на LOSTV, обаче, остават до голяма степен неясни в продължение на десетилетия. През 40 -те години засиленото разбиране и контрол на полупроводниците доведоха до създаването на първия P -N кръстовище, последвано от изобретяването на първия транзистор. Първоначалните светодиоди, използващи добре разработени P-I-N кръстовища, следователно могат да бъдат изработени и подобрени.
Полупроводник е вещество, чиято проводимост може да бъде променена чрез въвеждането на примеси, известни като допанти. Неорганичните полупроводници са кристални материали като силиций (SI), галиев арсенид (GAAS), индиев фосфид (InP) и галиев нитрид (GAN), характеризиращи се с енергийни ленти за електрони. Най -горната заета енергийна лента се нарича валентна лента, която е пълна с електрони в неоткрит полупроводник, но последващата по -висока енергийна лента, известна като проводимост, остава изцяло свободна в неоткрит полупроводник. Различието в енергията между минималния минимален и най -високият на валентния диапазон на лентата се нарича пропастта на групата на полупроводника. Процесът на емисии на светлината в полупроводник е лесен: когато електрон заема проводимата лента и в лентата на валентност съществува валентна лента, електронът на проводимостта може да премине към заемане на свободното състояние във валентната лента, освобождавайки енергийната разлика (разликата в лентата) като излъчен фототон (фиг. 1). Електронът и дупката се рекомбинират, което води до излъчване на фотон. Този процес се осъществява в по -голямата част от полупроводниците, с забележителни изключения, известни като индиректни полупроводници, като силиций или германий, където емисиите на фотон не са пряко разрешени, което води до значителна неефективност. За да се изработи полупроводников светодиод, е от съществено значение едновременно да се позиционират електрони в проводимата лента и дупки във валентната лента в материала. Това е мястото, където допингът придобива значение. Вътрешният полупроводник функционира като изолатор, тъй като електроните във валентната лента остават неподвижни поради липсата на налични състояния за електронно движение; Независимо от това, полупроводниците могат да бъдат легирани в два различни маниери. Когато примесите са включени в кристала с допълнителен електрон на атом, тези излишни електрони преминават към лентата на проводимост. Например, заменянето на някои Ga атоми със Si атоми в GaAs кристал води до допинг от N-тип, характеризиращ се с наличието на електрони в проводимата лента. Обратно, могат да бъдат въведени примеси, лишени от електрон, което води до допинг на P-тип, характеризиращ се с наличието на дупки във валентната лента. Решаващ аспект е, че допаните представляват малцинствени атоми вътре в кристалната структура: един допинг атом сред един милион стандартни атоми може значително да повиши електрическата проводимост. Овладяването на нивото на допинг е от съществено значение за персонализиране на електрическите характеристики на полупроводниците. Тази експертиза, която започва през 40 -те и 50 -те години на миналия век, утаи революциите в микроелектрониката и оптоелектрониката. Основната конфигурация за светлинна емисия от полупроводник включва интегрирането на N-тип (с електрони в проводимата лента) и P-тип (с дупки или отсъствие на електрони, в лентата на валентността). Когато са подложени на електрически пристрастия, електрони и дупки, които преминават в противоположни посоки-където вляво движещ се отвор в валентната лента съответства на движещите се вдясно електрони на електрони в PN кръстовището, което води до рекомбинация, която излъчва фотони (фиг. 2). След разбиране от изследователската общност, необходимото действие стана очевидно: способността за синтезиране на висококачествени кристали с прецизно контролиран P-тип и допинг от N-тип. Встъпителният инфрачервен LED GAAS е изложен през 1962 г., впоследствие е наследен от първоначалните видими светодиоди, разработени от други екипи. N. Holonyak, изследовател от General Electric, се застъпва за сплавта GAASP, което му позволява да покаже встъпителния видим полупроводников диоден лазер. От съществено значение е да се признае Н. Холоняк, който, наред с други, значително е развил разбирането и контрола на полупроводниковите светлинни излъчватели. През 1963 г. Ник Холоняк прогнозира в Digest на Reader, че полупроводниковите светодиоди в крайна сметка ще заменят всички крушки за общи приложения за осветление, въпреки че първоначалните светодиоди на полупроводника излъчват много слаба светлина и проявяват ефективност само на фракции от процент поради по -ниско качество на материала. Какви критерии използва той, за да генерира това прогнозиране? Холоняк призна, че крушките с нажежаема жичка функционират подобно на излъчвателите на черно-тяло, произвеждайки спектрална крива, корелираща с температурата на нишката; С увеличаването на температурата спектърът на емисиите се измества към по -къси дължини на вълната. Най -ефективните крушки с нажежаема жичка предимно излъчват инфрачервена светлина, което е неефективно за осветяването и вместо това функционира като източник на топлина. Преобразуването на електрическата мощност в видима оптична мощност е по своята същност ограничено приблизително 5%. В полупроводниковите светодиоди физиката се разминава значително: близо 100% от електрическата мощност може да се трансформира в оптична мощност, с добре регулирана дължина на вълната на емисиите (по -специално, пролуката на лентата определя енергията и следователно дължината на вълната на излъчвания фотон). Човек може да предвиди устройство, оборудвано с светодиоди, които излъчват над няколко видими дължини на вълната, всяко от които показва висока (за предпочитане на единство) ефективност на преобразуване, като по този начин позволява излъчването на видима бяла светлина (или всяка избрана комбинация от видими цветове) без термични загуби (фиг. 3). Това на теория трябва да функционира; Единственото предизвикателство е в постигането на технологичната зрялост, необходима за производството на изключително ефективни светодиоди при определени дължини на вълната. Това начинание окупира изследователи на полупроводници за следващите десетилетия и в крайна сметка доведе до2014 Нобелова награда.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd е създаден през 2010 г. Това е национален високотехнологичен интегриращ дизайн, научноизследователска и развойна дейност, производство и продажби на закрити и продукти за осветление на открито, а също така може да направи OEM, ODM. За повече подробности за нашите предложения, моля, свържете се с нас вbwzm18@ledbenweilighting.com
