Zhrnutie
V roku 2014 získali Isamu Akasaki, Hiroshi Amano a Shuji Nakamura Nobelovu cenu vo fyzike za vytvorenie efektívnych diód s modrým svetlom, ktoré uľahčovali vývoj jasných a energeticky efektívnych zdrojov bieleho svetla. V posledných rokoch,Diódy emitujúce svetlo (LED) stále viac prenikajú do sektora domáceho osvetlenia a iných masových trhov. Tento článok sa snaží poskytnúť prehľad fyziky LED diódy, hlavných prielomov, ktoré vyvrcholili v Nobelovej cene 2014 a potenciál ochrany energie, ktoré môžu uľahčiť LED diódy.
1. Úvod
Diódy emitujúce svetlo (LED) boli už niekoľko desaťročí neoddeliteľnou súčasťou každodenného života, ktoré v 60. rokoch 20. storočia pochádzajú z indikátorových žiaroviek a infračervených diaľkových ovládacích prvkov. Nobelová cena vo fyzike však bola udelená v roku 2014 špeciálne pre modré LED LED, čo nakoniec umožnilo výrobu bieleho svetla. Cieľom tohto článku je objasniť základnú fyziku LED, aby preukázali svoj potenciál ako vynikajúce žiariče svetla, najmä pri aplikáciách osvetlenia. Poskytne tiež stručnú históriu vynálezov, ktoré prispeli k moderným LED a vysvetlili odôvodnenie Nobelovej ceny Nobelovej fyziky v roku 2014, ktorá bola udelená Akasaki, Amano a Nakamura. Nakoniec preskúmam, či súčasné LED diódy skutočne vedú k ochrane energie a pragmatickejšie, ak je pre jednotlivých spotrebiteľov ekonomicky rozumné nakupovaťLED žiarovkypre domáce osvetlenie.
2. Ako fungujú LED diódy polovodičov?
Táto časť poskytne stručný prehľad histórie elektroluminiscencie, ktorá sa sústreďuje na elektroluminiscenciu anorganických polovodičov, po ktorom nasleduje opis fyziky, ktorá je základom súčasných LED diód. Elektroluminiscencia je jav, v ktorom sa svetlo emituje, keď elektrický prúd prechádza látkou. Možno tvrdiť, že žiarovky („Edison“ žiarovka) sú elektroluminiscenčné; V tomto scenári však prúdový tok zahrieva materiál a výsledky emisie svetla výlučne zo zvýšenej teploty vlákna. Preto je presnejšie odkazovať na elektroluminiscenciu, keď prúd prúdu priamo uľahčuje mechanizmus emisie svetla. Počiatočná dokumentácia elektroluminiscencie sa vyskytla v roku 1907 spoločnosťou HJ Round, ktorú zamestnáva spoločnosť Marconi. Objasnil vzorku karbidu kremíka (potom označovanú ako carborundum) a pozoroval svetlo rôznych farieb podľa umiestnenia elektród a aplikovaného napätia. V tom čase nechápal tento jav. O dve desaťročia neskôr, Oleg Losev, mladý ruský technik v Rádiovom laboratóriu Nizhny Novgorod, dosiahol významný pokrok v experimentálnom pozorovaní a porozumení diód s kremíkovým karbidom. Konkrétne predložil patent v roku 1929, ktorý zahŕňal následné tvrdenie: „Navrhovaný vynález využíva zavedený fenomén luminiscencie v detektore karborundum a zapojuje využitie takéhoto detektora v optickom relé na uľahčenie rýchleho telegrafického a telefónneho prenosu a iných aplikácií, v ktorom sa v liminácii konátorom uľahčuje ako na ľahkom mieste ako vpojený do prevádzky na ľahké pripojenie k tomu, že je prepojený na ľahké pripojenie k tomu, že je v súla obvod. “ Je to skutočne pozoruhodné: A 26- ročný pracovník s obmedzeným formálnym vzdelávaním vo fyzike patentoval vysoký prenos údajov pomocou elektrickej modulácie polovodičového zdroja svetla v roku 1929. Inovatívne publikácie a patenty Losev však zostali do značnej miery temné. V štyridsiatych rokoch minulého storočia viedla vylepšené porozumenie a kontrola polovodičov k vytvoreniu prvého križovatky P -N, po ktorom nasledoval vynález prvého tranzistora. Počiatočné LED diódy využívajúce dobre vyvinuté križovatky P-I-N by sa mohli následne vyrobiť a vylepšiť.
Polovodič je látka, ktorej vodivosť sa môže zmeniť zavedením nečistôt známych ako dopanty. Anorganické polovodiče sú kryštalické materiály ako kremík (SI), arzenid gallium (GAAS), indium fosfid (INP) a nitrid gallium (GAN), ktoré sa vyznačujú energetickými pásmi pre elektróny. Najvyšší obsadený energetický pás sa označuje ako valenčný pás, ktorý je naplnený elektrónmi v nedopede polovodiče, ale následný pás s vyššou energetikou, známy ako vodivé pásmo, zostáva úplne neobsadený v nedopagovanom polovodiče. Energetické rozdiely medzi minimom vodivého pásma a najvyššou úrovňou valenčného pásma sa označuje ako medzera pásma polovodiča. Proces emisie svetla v polovodiči je jednoduchý: keď elektrón zaberá vodivé pásmo a voľné miesto existuje vo valenčnom pásme (nazývané diera), elektrón vodivého pásma môže prejsť na obsadenie neobsadeného stavu vo valenčnom pásme, ktorý uvoľňuje energetickú rozdiel (pásová medzera) ako emitovaný fotón (obr. 1). Elektrón a otvor rekombín, čo vedie k emisii fotónu. Tento proces sa vyskytuje vo väčšine polovodičov, s pozoruhodnými výnimkami známymi ako nepriame polovodiče, ako je kremík alebo germánium, kde emisie fotónov nie sú priamo povolené, čo vedie k významnej neefektívnosti. Na výrobu polovodičovej LED je nevyhnutné súčasne umiestniť elektróny v vodivom pásme a diery v valenčnom pásme v materiáli. To je miesto, kde doping predpokladá význam. Vnútorný polovodičový polovodič funguje ako izolátor, pretože elektróny vo valenčnom pásme zostávajú nepohyblivé v dôsledku neprítomnosti dostupných stavov pre elektronický pohyb; Napriek tomu môžu byť polovodiče dopované dvoma odlišnými spôsobmi. Ak sú nečistoty začlenené do kryštálu s ďalším elektrónom na atóm, tieto prebytočné elektróny prechádzajú do vodivého pásu. Napríklad nahradenie niektorých atómov GA atómami SI v kryštáli GaAS vedie k dopingu typu N, charakterizované prítomnosťou elektrónov v vodivom pásme. Naopak, nečistoty bez elektrónu môžu byť zavedené, čo vedie k dopingu typu p, ktorý sa vyznačuje existenciou dier v valenčnom pásme. Kľúčovým aspektom je, že dopanty tvoria atómy menšín vo vnútri kryštálovej štruktúry: jeden dopingový atóm medzi miliónmi štandardných atómov môže významne zvýšiť elektrickú vodivosť. Zvládnutie úrovne dopingu je nevyhnutné na prispôsobenie elektrických charakteristík polovodičov. Táto odbornosť, ktorá sa začala v 40. a 50. rokoch 20. storočia, vyvolala revolúcie v mikroelektronike a optoelektronike. Základná konfigurácia emisie svetla z polovodiča zahŕňa integráciu n-typu (s elektrónmi v vodivom pásme) a materiálov typu p (s otvormi alebo absencia elektrónov v valenčnom pásme). Ak je vystavený elektrickému zaujatosti, elektrónom a otvorom, ktoré prechádzajú v protichodných smeroch, kde sa v priebehu PN pohybujú vľavo, ktoré sa pohybujú v ľavom priemysle vo valenčnom pásme, zodpovedajú elektrónom, ktoré sa pohybujú vpravo, pri križovatke PN, čo vedie k rekombinácii, ktorá emituje fotóny (obr. 2). Po porozumení výskumnej komunity sa požadovaná akcia prejavila: schopnosť syntetizovať vysoko kvalitné kryštály s presne kontrolovaným dopingom typu P a N-typu. Inauguračná infračervená LED GAAS bola vystavená v roku 1962, následne úspešné počiatočné viditeľné LED diódy vyvinuté inými tímami. N. Holonyak, výskumný pracovník spoločnosti General Electric, sa zasadzoval za zliatinu GAASP, čo mu umožnilo predviesť inauguračný laser viditeľného polovodiča diódy. Je nevyhnutné uznať N. Holonyak, ktorý okrem iného výrazne postúpil porozumenie a kontrolu po polovodičových žiaričkách svetla. V roku 1963 Nick Holonyak predpovedal v Digest Reader's Digest, že polovodičové LED diódy by nakoniec nahradili všetky žiarovky na všeobecné aplikácie osvetlenia, napriek počiatočným polovodičovým LED diódam emitingom veľmi slabého svetla a vykazovali efektívnosť iba frakcií percentuálneho percenta z dôvodu nižšej kvality materiálu. Aké kritériá využil na vytvorenie tejto predpovede? Holonyak uznal, že žiarovky žiarovky fungujú podobne ako emittery čierneho tela, čím vytvárajú spektrálnu krivku korelovanú s teplotou vlákna; Keď sa teplota zvyšuje, emisné spektrum sa posúva smerom k kratším vlnovým dĺžkam. Najefektívnejšie žiarovky väčšinou emitujú infračervené svetlo, ktoré je neúčinné na osvetlenie a namiesto toho funguje ako zdroj tepla. Konverzia elektrickej energie na viditeľnú optickú energiu je vo svojej podstate obmedzená na približne 5%. V polovodičových LED diódach sa fyzika významne líši: takmer 100% elektrickej energie sa môže transformovať na optickú silu s dobre regulovanou emisnou vlnovou dĺžkou (najmä medzera pásma určuje energiu a následne vlnovú dĺžku emitovaného fotónu). Dá sa predstaviť zariadenie vybavené LED diódami, ktoré emitujú na niekoľkých viditeľných vlnových dĺžkach, z ktorých každá vykazuje vysokú (najlepšie jednotu) účinnosť konverzie, a teda umožňuje emisiu viditeľného bieleho svetla (alebo akejkoľvek vybranej kombinácie viditeľných farieb) bez tepelných strát (obr. 3). To by teoreticky malo fungovať; Jedinou výzvou je dosiahnutie technologickej zrelosti potrebnej na výrobu mimoriadne účinných LED diód na určitých vlnových dĺžkach. Toto úsilie obsadilo výskumných pracovníkov polovodičov v nasledujúcich desaťročiach a nakoniec viedlo k2014 Nobelovu cenu.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd bola založená v roku 2010. Je to národný high-tech podnikový integrujúci dizajn, výskum a vývoj, výroba a predaj vnútorných a outdoorových osvetľovacích výrobkov a tiež môže robiť OEM, ODM.bwzm18@ledbenweilighting.com
