Jak działa dioda LED?
Pomimo tego, że diody elektroluminescencyjne (LED) są wykorzystywane w wielu aspektach współczesnego życia, takich jak oświetlenie naszych domów, zasilanie ekranów smartfonów i kierowanie ruchem ulicznym,-diody elektroluminescencyjne (LED) różnią się od bardziej konwencjonalnych technologii oświetleniowych, takich jak żarówki żarowe lub fluorescencyjne, ze względu na ich zaawansowaną fizykę półprzewodników.Diody LEDwykorzystują proces znany jako elektroluminescencja, który polega na emisji fotonów (cząstek światła), gdy prąd elektryczny przepływa przez specjalnie wykonany materiał półprzewodnikowy. Inaczej jest w przypadku żarówek, które wytwarzają światło poprzez podgrzewanie żarnika, lub świetlówek, które wykorzystują gaz i promieniowanie UV. Musimy najpierw zbadać podstawy półprzewodników, konstrukcję diody LED i sekwencyjną procedurę przekształcania energii elektrycznej w światło widzialne, aby zrozumieć, jak to się dzieje.
Podstawa: pasma energii i półprzewodników
Każda dioda LED jest zasilana przez półprzewodnik, czyli substancję, która przewodzi prąd słabiej niż przewodniki (takie jak miedź), ale lepiej niż izolatory (takie jak szkło). Pasma energii elektronowej-obszary energii, które mogą zajmować elektrony-są istotne dla charakterystycznego zachowania półprzewodnika. Elektrony mają różne poziomy energii we wszystkich materiałach, ale w ciałach stałych poziomy te łączą się, tworząc dwa główne pasma: pasmo przewodnictwa i pasmo walencyjne.
Atomy materiału są utrzymywane razem w strukturze krystalicznej przez elektrony w paśmie walencyjnym, które są trwale połączone z atomami. Przewodnictwo elektryczne jest możliwe dzięki elektronom w paśmie przewodnictwa, które mogą swobodnie przepływać przez substancję. Pomiędzy tymi dwoma pasmami istnieje pasmo wzbronione, czyli zakres energii, którego nie mogą pomieścić elektrony. Rozmiar pasma wzbronionego materiału określa, czy jest to izolator, przewodnik czy półprzewodnik: półprzewodniki mają małe, mierzalne pasmo wzbronione (elektrony mogą przekroczyć przerwę wzbronioną przy niewielkim wkładzie energii, jak prąd elektryczny), przewodniki nie mają pasma wzbronionego (elektrony swobodnie przemieszczają się między pasmami), a izolatory mają bardzo duże pasmo wzbronione (co utrudnia elektronom przeskoczenie do pasma przewodnictwa).
Półprzewodnik stosowany w diodach LED jest „domieszkowany”, co jest procedurą modyfikującą właściwości elektryczne materiału poprzez dodanie śladowych ilości zanieczyszczeń. Półprzewodniki typu n- i p- są produkowane przez domieszkowanie. Kiedy elementy z dodatkowymi elektronami, takie jak fosfor, zostaną domieszkowane w półprzewodnikach typu N-, mogą one swobodnie poruszać się w paśmie przewodnictwa i nadają materiałowi wypadkowy ładunek ujemny. Pierwiastki o mniejszej liczbie elektronów, takie jak bor, są używane do domieszkowania półprzewodników typu P-. Powoduje to „dziury”, czyli brakujące elektrony w paśmie walencyjnym, które działają jak ładunki dodatnie i mogą przechodzić przez materiał, gdy wypełniają je elektrony. Dioda LED działa dzięki złączu p-n, które jest przecięciem tych dwóch domieszkowanych obszarów.
Struktura diody LED: od strumienia świetlnego do złącza P-N
Prosta, ale dokładna konstrukcja diody LED maksymalizuje strumień świetlny, jednocześnie zmniejszając straty energii. Jego złącze p-n znajduje się w cienkiej warstwie materiału półprzewodnikowego, zwykle na bazie galu,-takiego jak arsenek galu lub azotek galu. Podłoże, materiał stanowiący podstawę, który zapewnia wsparcie i pomaga w rozpraszaniu ciepła, to miejsce, w którym przymocowana jest ta warstwa półprzewodnika. Jest to ważne, ponieważ przegrzanie może skrócić żywotność diody LED.
Jedna elektroda jest przymocowana do obszaru typu p- (anoda, zacisk dodatni), a druga do obszaru typu n- (katoda, zacisk ujemny) na wierzchu warstwy półprzewodnika. Pole elektryczne wytwarza się na złączu p-n, gdy na te elektrody dostarczane jest napięcie (katoda jest ujemna, a anoda jest dodatnia). Wolne elektrony w półprzewodniku typu n- są wypychane w kierunku złącza przez to pole, podczas gdy dziury w półprzewodniku typu p- są rysowane w tym samym kierunku.
Aby światło generowane na złączu p-n mogło uciec, warstwa półprzewodnika musi być przezroczysta lub półprzezroczysta-(lub mieć warstwę odblaskową po jednej stronie). NowoczesnyDiody LEDwykorzystują materiały takie jak azotek galu (GaN), które są przezroczyste dla światła widzialnego i gwarantują, że większość fotonów dociera do powierzchni, w przeciwieństwie do wczesnych diod LED, w których często stosowano nieprzezroczyste materiały półprzewodnikowe o ograniczonym strumieniu świetlnym. Złącze p-n półprzewodnika to miejsce, w którym zachodzi główny proces-generowania światła, chociaż niektóre diody LED mają również soczewkę lub powłokę, która skupia światło lub zmienia jego kolor.
Krok 1: Użycie elektronowej-rekombinacji dziury i napięcia
Zewnętrzne napięcie podane na elektrody diody LED inicjuje proces emisji światła poprzez ustalenie polaryzacji przewodzenia, która jest właściwym kierunkiem przepływu prądu dla diody LED.PROWADZONYfunkcjonować; Z drugiej strony, polaryzacja odwrotna zatrzymuje prąd i nie wytwarza światła. Wolne elektrony z obszaru typu n- są przyspieszane do obszaru typu p-, a dziury z obszaru typu p- są przyspieszane do obszaru typu n- przez pole elektryczne przez złącze p-n po zastosowaniu polaryzacji w kierunku przewodzenia.
Te elektrony i dziury ostatecznie spotykają się na złączu p-n lub w jego pobliżu, gdy przemieszczają się w tym samym kierunku. Swobodny elektron z pasma przewodnictwa obszaru typu n- „wpada” do dziury, gdy zderza się z dziurą z pasma walencyjnego obszaru typu p-, przechodząc z wyższego stanu energetycznego w paśmie przewodnictwa na niższy poziom energii w paśmie walencyjnym. Elektron i dziura znoszą się wzajemnie podczas tego przejścia, zwanego rekombinacją, a dodatkowa energia, którą tracą, jest emitowana w postaci fotonu.
Wielkość pasma wzbronionego półprzewodnika wpływa bezpośrednio na energię tego fotonu, który nadaje światłu barwę. Foton o wyższej energii (i krótszej długości fali, np. światła niebieskiego lub fioletowego) powstaje, gdy elektron łączy się ponownie z dziurą i traci więcej energii z powodu szerszego pasma wzbronionego. Foton o większej długości fali, na przykład w świetle czerwonym lub pomarańczowym, i o mniejszej energii, jest wytwarzany przez mniejsze pasmo wzbronione.
Na przykład:
Ze względu na wąską przerwę wzbronioną arsenek galu (GaAs) emituje światło czerwone o długości fali około 650 nm. Ze względu na szerszą przerwę wzbronioną azotek galu (GaN) emituje światło niebieskie lub fioletowe o długości fali około 450 nm.
Producenci mogą modyfikować pasmo wzbronione, aby wytworzyć diody LED generujące światło zielone, żółte, a nawet białe, łącząc różne materiały półprzewodnikowe (takie jak azotek galu, indu lub InGaN) (więcej na temat białych diod LED poniżej).
Krok 2: Wydajność i ekstrakcja światła
Część fotonów generowanych w wyniku rekombinacji jest absorbowana przez sam materiał półprzewodnikowy, podczas gdy inne odbijają się od elektrod lub złącza p-n i są uwalniane w postaci ciepła. Nie wszystkie z tych fotonów opuszczająPROWADZONYjako światło widzialne. Projektanci diod LED stosują szereg strategii mających na celu poprawę „ekstrakcji światła” w celu optymalizacji wydajności:
Podłoża przezroczyste: większość światła została uwięziona przez nieprzezroczyste podłoża (takie jak german) stosowane we wczesnych diodach LED. W nowoczesnych diodach LED stosuje się przezroczyste podłoża, takie jak węglik krzemu lub szafir, aby fotony mogły dotrzeć do powierzchni.
Powierzchnie teksturowane: Aby zmniejszyć ilość światła odbijanego z powrotem do materiału, na powierzchni półprzewodnika często wytrawia się drobne wzory, takie jak wybrzuszenia lub rowki. Zmieniając kąt, pod jakim światło pada na powierzchnię, zwiększa się prawdopodobieństwo, że ucieknie ono, a nie odbije.
Warstwy odblaskowe: Tylna część półprzewodnika pokryta jest cienką warstwą odblaskową, często składającą się z metalu, takiego jak aluminium lub srebro. Warstwa ta zwiększa ilość światła opuszczającego diodę LED, odbijając fotony, które w przeciwnym razie zostałyby utracone przez podłoże, z powrotem w kierunku przodu diody LED.
Pomimo tych udoskonaleń, choć znacznie mniej niż w przypadku żarówek, część energii nadal jest tracona w postaci ciepła. Tylko 10–25% energii jest tracone w postaci ciepła w diodach LED, przy czym 75–90% energii jest przekształcane w światło, w porównaniu z 90–95% w przypadku żarówek. Dzięki swojej doskonałej wydajności diody LED zużywają znacznie mniej energii niż żarówki konwencjonalne.
Jak działają białe diody LED: wyjątkowa sytuacja
Większość diod LED emituje tylko jednokolorowe lub monochromatyczne światło, ale białe diody LED stosowane w reflektorach, telewizorach i oświetleniu domów wymagają innej strategii, ponieważ nie ma materiału półprzewodnikowego z pasmem wzbronionym, który bezpośrednio wytwarza białe światło. Zamiast tego białe diody LED wykorzystują jedną z dwóch podstawowych technik:
Konwersja fosforu: kolor niebieskiPROWADZONY(wykonany z azotku galu) pokryty żółtym fosforem-w najpopularniejszą technikę wykorzystuje się substancję, która pochłania światło o jednej długości fali i emituje światło o innej-. Fosfor absorbuje część niebieskich fotonów emitowanych przez niebieską diodę LED i-emituje żółte fotony. Nasze oczy interpretują pozostałe niebieskie fotony jako białe światło, gdy połączą się z żółtymi fotonami. Producenci dodają do powłoki śladowe ilości czerwonych lub zielonych luminoforów, aby zmienić temperaturę barwową, czyli „ciepło” lub „chłód” białego światła. Na przykład dodanie dodatkowego niebieskiego światła daje chłodne białe światło (5000–6500 K), podczas gdy dodanie czerwonego luminoforu daje ciepłe białe światło (2700–3000 K).
Mieszanie RGB: ta mniej popularna technika łączy trzy różne diody LED-czerwoną, zieloną i niebieską-w jednym pakiecie. Trzy kolory łączą się, tworząc białe światło (lub dowolny inny odcień widma widzialnego) poprzez zmianę jasności każdej diody LED. Chociaż technika ta jest droższa niż konwersja fosforu, stosuje się ją w sytuacjach wymagających dokładnego zarządzania kolorami, takich jak oświetlenie sceniczne lub-wysokiej klasy wyświetlacze.
Różnice między diodami LED a oświetleniem konwencjonalnym
Znajomość działania diod LED ułatwia zrozumienie, dlaczego działają one lepiej niż żarówki fluorescencyjne i żarowe w niemal każdej kategorii:
Efektywność energetyczna: diody LED wykorzystują elektroluminescencję, która jest naturalnie wydajna; w przeciwieństwie do żarówek, które zużywają energię na ogrzewanie żarnika, świetlówki nie marnują energii na wytwarzanie promieniowania UV.
Długa żywotność: diody LED nie przepalają się łatwo, ponieważ nie mają żadnych ruchomych części ani delikatnych włókien. W przeciwieństwie do żarówek, których żywotność wynosi 1 000–2 000 godzin, diody LED mają żywotność 50 000–100 000 godzin ze względu na niezwykle stopniową degradację materiału półprzewodnikowego w czasie.
Natychmiastowe włączanie/wyłączanie: w przeciwieństwie do świetlówek, które wymagają kilku sekund do całkowitego zaświecenia, diody LED nie mają czasu nagrzewania-i natychmiast włączają się do pełnej jasności.
Trwałość: PonieważDiody LEDto elementy elektroniczne-półprzewodnikowe, odporne na wstrząsy, wibracje i wysokie temperatury, co czyni je idealnymi do zastosowań na zewnątrz lub w trudnych warunkach (takich jak samochody lub fabryki).
Przyszłość technologii LED
Nowe osiągnięcia zwiększają potencjał technologii LED w miarę ciągłego jej udoskonalania przez badaczy i inżynierów. Na przykład:
Diody QLED, czyli diody LED z kropkami kwantowymi: poprawiają jasność i dokładność kolorów dzięki zastosowaniu kropek kwantowych, które są małymi cząsteczkami półprzewodnikowymi. Naukowcy starają się zwiększyć-energooszczędność diod QLED w oświetleniu ogólnym i obecnie można je znaleźć w telewizorach-z najwyższej półki.
Mikrodiody LED: te niewiarygodnie małe diody LED o średnicy zaledwie kilku mikrometrów można grupować w gęste układy, tworząc elastyczne oświetlenie lub ekrany o-wysokiej rozdzielczości. Oczekuje się, że przyszłe smartfony i telewizory będą wykorzystywać diody micro LED zamiast OLED ze względu na ich dłuższą żywotność i lepszą moc wyjściową.
Perowskitowe diody LED: w porównaniu z konwencjonalnymi materiałami-na bazie galu perowskit to nowy rodzaj materiału półprzewodnikowego, którego produkcja jest tańsza. Naukowcy próbują zwiększyć stabilność perowskitowych diod LED do zastosowań komercyjnych, ponieważ okazały się one obiecujące w zakresie dostarczania jasnego i wydajnego światła.
Podsumowując
Diody LEDto bardzo proste urządzenia wykonane z domieszkowanego półprzewodnika ze złączem ap-, które wykorzystują rekombinację elektronów-dziur do przekształcania energii elektrycznej w światło. Należą do najbardziej efektywnych i elastycznych technologii oświetleniowych, jakie kiedykolwiek opracowano, ale za ich prostotą kryje się złożoność ich konstrukcji, która obejmuje wszystko, od inżynierii ekstrakcji światła po dokładną regulację pasma wzbronionego. Wiedza o tym, jak działają diody LED, pozwala nam zrozumieć zarówno zaawansowaną naukę, która leży u ich podstaw, jak i ich użyteczne zalety (dłuższa żywotność, niższe koszty energii). W miarę dalszego rozwoju technologii LED prawdopodobnie jeszcze bardziej przyczyni się ona do zmniejszenia światowego zużycia energii, powstrzymania zmian klimatycznych i wywarcia wpływu na projekty oświetlenia w przyszłości-pokazując, że czasami najbardziej znaczące przełomy wynikają z najbardziej podstawowych zasad naukowych.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd
Telefon: +86 0755 27186329
Komórka(+86)18673599565
Whatsapp: 19113306783
E-mail:bwzm15@benweilighting.com
Skype:Benweilight88
Sieć:www.benweilight.com
