Kaip veikia LED?
Nepaisant to, kad šviesos diodai (LED) naudojami daugelyje šiuolaikinio gyvenimo aspektų, pvz., apšviečiant namus, maitinant išmaniųjų telefonų ekranus ir nukreipiant eismą, šviesos diodai (LED) skiriasi nuo įprastesnių apšvietimo technologijų, pvz., kaitrinių ar fluorescencinių lempučių, dėl savo sudėtingos puslaidininkių fizikos.šviesos diodainaudoti procesą, žinomą kaip elektroliuminescencija, tai yra fotonų (šviesos dalelių) emisija, kai elektros srovė teka per specialiai pagamintą puslaidininkinę medžiagą. Tai skiriasi nuo kaitrinių lempų, kurios skleidžia šviesą kaitindamos kaitinimo siūlą, arba fluorescencinėms lempoms, kurios naudoja dujas ir UV spinduliuotę. Pirmiausia turime išnagrinėti puslaidininkių pagrindus, šviesos diodo dizainą ir nuoseklią procedūrą, kuri elektrą paverčia matoma šviesa, kad suprastume, kaip tai vyksta.
Pagrindas: energijos ir puslaidininkių juostos
Kiekvienas šviesos diodas yra maitinamas puslaidininkio, medžiagos, kuri praleidžia elektrą prasčiau nei laidininkai (pvz., varis), bet geriau nei izoliatoriai (pvz., Stiklas). Elektronų energijos juostos-energijos sritys, kurias elektronai gali užimti-, yra būtinos puslaidininkio savitam elgesiui. Elektronai turi skirtingus energijos lygius visose medžiagose, tačiau kietose medžiagose šie lygiai susijungia ir sudaro dvi pagrindines juostas: laidumo juostą ir valentinę juostą.
Medžiagos atomus kristalinėje struktūroje laiko valentinės juostos elektronai, kurie yra tvirtai prijungti prie atomų. Elektros laidumą užtikrina laidumo juostoje esantys elektronai, kurie laisvai teka per medžiagą. Tarp šių dviejų juostų yra juostos tarpas, energijos diapazonas, kuriame elektronai negali gyventi. Medžiagos juostos tarpo dydis lemia, ar tai izoliatorius, laidininkas ar puslaidininkis: puslaidininkiai turi mažą, išmatuojamą juostos tarpą (elektronai gali kirsti tarpą su maža energijos įvestimi, pavyzdžiui, elektros srove), laidininkai neturi juostos tarpo (elektronai laisvai juda tarp juostų), o izoliatoriai turi labai didelę juostą. juosta).
Šviesos dioduose naudojamas puslaidininkis yra „legiruotas“, tai yra procedūra, kuri keičia medžiagos elektrines charakteristikas, pridedant nedidelius kiekius priemaišų. Tiek n-tipo, tiek p-tipo puslaidininkiai gaminami dopingo būdu. Kai elementai su papildomais elektronais, pvz., fosforas, įterpiami į N- tipo puslaidininkius, jie laisvai juda laidumo juostoje ir suteikia medžiagai grynąjį neigiamą krūvį. Elementai, turintys mažiau elektronų, pvz., boras, naudojami P- tipo puslaidininkiams sumaišyti. Dėl to valentinėje juostoje susidaro „skylės“ arba trūksta elektronų, kurie veikia kaip teigiami krūviai ir gali prasiskverbti per medžiagą, kai elektronai jas užpildo. Šviesos diodas veikia dėl p-n sankryžos, kuri yra šių dviejų legiruotų sričių sankirta.
Šviesos diodo struktūra: nuo šviesos išvesties iki P-N sankryžos
Paprastas, bet tikslus LED dizainas maksimaliai padidina šviesos srautą ir sumažina energijos nuostolius. Jo p-n sandūra yra ploname puslaidininkinės medžiagos sluoksnyje, paprastai galio- pagrindu, pvz., galio arsenido arba galio nitrido. Šis puslaidininkio sluoksnis yra pritvirtintas prie pagrindo, pagrindo medžiagos, kuri suteikia atramą ir padeda išsklaidyti šilumą. Tai svarbu, nes perkaitimas gali sutrumpinti šviesos diodo tarnavimo laiką.
Vienas elektrodas yra prijungtas prie p-tipo srities (anodas, teigiamas gnybtas), o kitas prie n-tipo srities (katodas, neigiamas gnybtas) puslaidininkio sluoksnio viršuje. Elektrinis laukas susidaro per p-n sandūrą, kai per šiuos elektrodus tiekiama įtampa (katodas yra neigiamas, o anodas yra teigiamas). N-tipo puslaidininkio laisvuosius elektronus šis laukas stumia link sankryžos, o p-tipo puslaidininkio skylės brėžiamos ta pačia kryptimi.
Kad p-n sandūroje generuojama šviesa išeitų, puslaidininkio sluoksnis turi būti skaidrus arba pusiau{1}}permatomas (arba turėti atspindintį sluoksnį vienoje pusėje). Modernusšviesos diodainaudoja tokias medžiagas kaip galio nitridas (GaN), kurios yra skaidrios matomai šviesai ir garantuoja, kad dauguma fotonų pasieks paviršių, priešingai nei ankstyvieji šviesos diodai, kuriuose dažnai buvo naudojamos nepermatomos puslaidininkinės medžiagos, kurios ribojo šviesos srautą. Puslaidininkio p-n sandūroje vyksta pirminis šviesos-generavimo procesas, nors kai kurie šviesos diodai taip pat turi lęšį arba dangą, leidžiančią sufokusuoti šviesą arba pakeisti jos spalvą.
1 veiksmas: elektronų{1}}skylės rekombinacijos ir įtampos naudojimas
Išorinė įtampa, suteikiama šviesos diodo elektrodams, inicijuoja šviesos spinduliavimo procesą, nustatydama į priekį poslinkį, kuris yra tinkama srovės tekėjimo kryptis.LEDfunkcionuoti; Kita vertus, atvirkštinis poslinkis sustabdo srovę ir neskleidžia šviesos. Laisvieji elektronai iš n-tipo srities paspartinami į p-tipo sritį, o skylės iš p-tipo srities į n-tipo sritį elektriniu lauku per p-n sandūrą pagreitėja, kai taikomas priekinis poslinkis.
Šie elektronai ir skylės galiausiai susilieja p-n sandūroje arba arti jos, kai keliauja ta pačia kryptimi. Laisvas elektronas iš n-tipo srities laidumo juostos „įkrenta“ į skylę, kai susiduria su skyle iš p-tipo srities valentinės juostos, pasikeisdamas iš didesnės energijos būsenos laidumo juostoje į žemesnį energijos lygį valentinėje juostoje. Elektronas ir skylė panaikina vienas kitą šio perėjimo metu, kuris vadinamas rekombinacija, o papildoma energija, kurią jie praranda, išspinduliuojama kaip fotonas.
Puslaidininkio juostos tarpo dydis tiesiogiai veikia šio fotono energiją, kuri suteikia šviesai spalvą. Didesnės energijos (ir trumpesnio bangos ilgio, pavyzdžiui, mėlynos arba violetinės šviesos) fotonas susidaro, kai elektronas rekombinuojasi su skyle ir praranda daugiau energijos dėl platesnės juostos tarpo. Fotonas, kurio bangos ilgis yra ilgesnis, pavyzdžiui, raudona arba oranžinė šviesa, ir mažiau energijos sukuria mažesnis juostos tarpas.
Pavyzdžiui:
Dėl siauros juostos tarpo galio arsenidas (GaAs) skleidžia raudoną šviesą, kurios bangos ilgis yra apie 650 nm. Dėl platesnės juostos tarpo galio nitridas (GaN) skleidžia mėlyną arba violetinę šviesą, kurios bangos ilgis yra apie 450 nm.
Gamintojai gali modifikuoti juostos tarpą, kad sukurtų žalią, geltoną ar net baltą šviesą generuojančius šviesos diodus, derindami įvairias puslaidininkines medžiagas (pvz., galio indžio nitridą arba InGaN) (daugiau apie baltus šviesos diodus žemiau).
2 veiksmas: efektyvumas ir šviesos ištraukimas
Kai kuriuos rekombinacijos būdu sukurtus fotonus sugeria pati puslaidininkinė medžiaga, o kiti atsispindi nuo elektrodų arba p-n sandūros ir išsiskiria kaip šiluma. Ne visi šie fotonai paliekaLEDkaip matoma šviesa. LED dizaineriai taiko daugybę strategijų, kad pagerintų "šviesos ištraukimą", kad optimizuotų efektyvumą:
Skaidrūs substratai: didžiąją dalį šviesos sulaikė nepermatomi substratai (pvz., germanis), naudojami ankstyvuosiuose šviesos dioduose. Šiuolaikiniuose šviesos dioduose naudojami skaidrūs substratai, tokie kaip silicio karbidas ar safyras, kad fotonai pasiektų paviršių.
Tekstūruoti paviršiai: siekiant sumažinti atgal į medžiagą atsispindinčios šviesos kiekį, puslaidininkio paviršius dažnai išgraviruojamas smulkiais raštais, tokiais kaip iškilimai ar grioveliai. Keičiant kampą, kuriuo šviesa patenka į paviršių, tai padidina tikimybę, kad ji pabėgs, o ne atšoks.
Atspindintys sluoksniai: Puslaidininkio galinė dalis yra padengta plonu atspindžio sluoksniu, dažnai sudarytu iš metalo, pavyzdžiui, aliuminio arba sidabro. Šis sluoksnis padidina šviesos, išeinančios iš šviesos diodo, kiekį, atspindėdamas fotonus, kurie kitu atveju būtų prarasti per substratą atgal link šviesos diodo priekio.
Nors ir daug mažiau nei naudojant kaitrines lempas, dalis energijos vis tiek prarandama kaip šiluma, nepaisant šios pažangos. Tik 10–25 % energijos prarandama kaip šiluma šviesos dioduose, o 75–90 % energijos paverčiama šviesa, o kaitinamosiose lempose – 90–95 % energijos. Dėl puikaus efektyvumo šviesos diodai sunaudoja daug mažiau energijos nei įprasti šviestuvai.
Kaip veikia balti šviesos diodai: unikali situacija
Dauguma šviesos diodų skleidžia tik vienos spalvos arba vienspalvę šviesą, tačiau baltiems šviesos diodams, kurie naudojami priekiniuose žibintuose, televizoriuose ir namų apšvietime, reikia kitokios strategijos, nes nėra puslaidininkinės medžiagos su juostos tarpu, kuri tiesiogiai sukuria baltą šviesą. Atvirkščiai, balti šviesos diodai naudoja vieną iš dviejų pagrindinių metodų:
Fosforo konversija: mėlynaLED(pagaminta iš galio nitrido), padengta geltonu fosforu -medžiaga, sugerianti vieno bangos ilgio šviesą, o skleidžianti kito{1}}, naudojama populiariausioje technikoje. Fosforas sugeria dalį mėlynų fotonų, kuriuos skleidžia mėlynas šviesos diodas, ir išspinduliuoja geltonus fotonus. Mūsų akys likusius mėlynus fotonus interpretuoja kaip baltą šviesą, kai jie susijungia su geltonais fotonais. Gamintojai į dangą įdeda nedidelius kiekius raudono arba žalio fosforo, kad pakeistų baltos šviesos spalvos temperatūrą arba „šilumą“ ar „vėsumą“. Pavyzdžiui, pridėjus papildomos mėlynos šviesos, gaunama šalta balta šviesa (5 000 K–6 500 K), o raudona fosforo – šilta balta šviesa (2 700 K–3 000 K).
RGB maišymas: ši mažiau populiari technika sujungia tris skirtingus šviesos diodus-raudoną, žalią ir mėlyną-į vieną paketą. Šios trys spalvos derinamos ir sukuria baltą šviesą (arba bet kokį kitą matomą spektro atspalvį), keičiant kiekvieno šviesos diodo ryškumą. Nors šis metodas yra brangesnis nei fosforo konvertavimas, jis naudojamas situacijose, kuriose reikalingas tikslus spalvų valdymas, pvz., scenos apšvietimas ar aukščiausios klasės ekranai.
Skirtumai tarp LED ir įprastinio apšvietimo
Žinant, kaip veikia šviesos diodai, lengviau suprasti, kodėl jie veikia geriau nei fluorescencinės ir kaitrinės lemputės beveik visose kategorijose:
Energijos vartojimo efektyvumas: šviesos dioduose naudojama elektroliuminescencija, kuri yra natūraliai efektyvi; Skirtingai nuo kaitinamųjų lempų, kurios eikvoja energiją kaitinamojo siūlelio šildymui, fluorescencinės lempos neeikvoja energijos gamindamos UV spinduliuotę.
Ilgas tarnavimo laikas: šviesos diodai lengvai nedega, nes juose nėra judančių dalių ar gležnų gijų. Skirtingai nuo kaitinamųjų lempų, kurių eksploatavimo trukmė yra 1 000–2 000 valandų, šviesos diodų eksploatavimo trukmė yra 50 000–100 000 valandų dėl puslaidininkinės medžiagos labai laipsniško skilimo laikui bėgant.
Momentinis įjungimas / išjungimas: skirtingai nei fluorescencinės lempos, kurioms visiškai užsidegti reikia kelių sekundžių, šviesos diodai neįšyla-ir akimirksniu suaktyvinami iki visiško ryškumo.
Patvarumas: nesšviesos diodaiyra kietojo{0}}elektronika, jie gali atlaikyti smūgius, vibraciją ir aukštą temperatūrą, todėl puikiai tinka naudoti lauke arba atšiauriomis sąlygomis (pvz., automobiliuose ar gamyklose).
LED technologijos ateitis
Nauji pasiekimai didina LED technologijos potencialą, nes mokslininkai ir inžinieriai toliau ją tobulina. Pavyzdžiui:
QLED arba kvantinių taškų šviesos diodai: jie pagerina ryškumą ir spalvų tikslumą, naudodami kvantinius taškus, kurie yra mažos puslaidininkių dalelės. Tyrėjai stengiasi, kad QLED būtų efektyvesnis-bendrajam apšvietimui, šiuo metu jie randami aukščiausios klasės{2}}televizoriuose.
Mikro šviesos diodai: šie neįtikėtinai maži šviesos diodai, kurių skersmuo yra vos keli mikrometrai, gali būti sugrupuoti į tankias matricas, kad būtų sukurtas lankstus apšvietimas arba didelės raiškos{0}}ekranai. Tikimasi, kad ateityje išmanieji telefonai ir televizoriai naudos mikro šviesos diodus, o ne OLED, nes jų tarnavimo laikas yra ilgesnis ir išvestis bus geresnė.
Perovskito šviesos diodai: palyginti su įprastomis galio{0}}pagrindo medžiagomis, perovskitas yra naujos rūšies puslaidininkinė medžiaga, kurią pigiau gaminti. Tyrėjai bando padidinti perovskito šviesos diodų stabilumą komerciniam naudojimui, nes jie įrodė pažadą tiekti ryškią ir efektyvią šviesą.
Apibendrinant
šviesos diodaiyra labai paprasti įrenginiai, pagaminti iš legiruoto puslaidininkio su ap{0}}n jungtimi, kuri naudoja elektronų-skylių rekombinaciją, kad elektros energiją paverstų šviesa. Jie yra vienos iš efektyviausių ir labiausiai pritaikomų kada nors sukurtų apšvietimo technologijų, tačiau jų paprastumas slepia jų konstrukcijos sudėtingumą, apimančią viską nuo šviesos ištraukimo inžinerijos iki tikslaus juostos tarpo reguliavimo. Žinodami, kaip veikia šviesos diodai, galime suvokti tiek sudėtingą mokslą, kuriuo jie grindžiami, tiek naudingus jų pranašumus (ilgesnę tarnavimo laiką, pigesnes energijos sąnaudas). Toliau tobulėjant LED technologijai, ji tikriausiai dar labiau prisidės prie pasaulinio energijos vartojimo mažinimo, klimato kaitos sustabdymo ir įtakos apšvietimo dizainui ateityje-. Tai parodys, kad kartais svarbiausi laimėjimai pasiekiami remiantis pagrindiniais moksliniais principais.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd
Telefonas: +86 0755 27186329
Mobilusis (+86)18673599565
Whatsapp: 19113306783
El. paštas:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
Tinklalapis:www.benweilight.com
