Dėl savo energijos taupymo, tvirtumo ir gebėjimo generuoti tikslias spalvas šviesos{0}}diodai arba šviesos diodai yra esminiai šiuolaikinio apšvietimo, ekranų ir technologijų komponentai. Puslaidininkių struktūra, kuri kontroliuoja efektyvumą, kuriuo elektros energija paverčiama šviesa ir išskiriami tam tikri bangos ilgiai (spalvos), yra labai svarbi jų veikimui. Užuot sutelkę dėmesį į formules ar konkrečius medžiagų pavyzdžius, šiame straipsnyje nagrinėjamas ryšys tarp puslaidininkių konstrukcijos, efektyvumo ir spalvų išvesties, pabrėžiant struktūrines koncepcijas.
Puslaidininkių juostos tarpas: spalvų emisijos pagrindas
Puslaidininkio juostos tarpas arba energijos skirtumas tarp jo valentinės juostos, kurioje lieka elektronai, ir laidumo juostos, kurioje elektronai keliauja laisvai, iš esmės lemia šviesos atspalvį, kurį skleidžia šviesos diodas. Fotonas yra energija, išsiskirianti, kai elektronas juda iš laidumo juostos į valentinę juostą. Šio fotono bangos ilgis (spalva) yra tiesiogiai susijęs su jo juostos tarpo energija: didesnės-energijos fotonus (trumpesnio ilgio bangos, pvz., mėlyną) sukuria didesnis juostos tarpas, o mažesnės-energijos fotonus (ilgesnio bangos ilgio, pvz., raudonos spalvos) sukuria mažesnis juostos tarpas.
Juostos tipo puslaidininkiai naudojami klasifikuojant juos:
Tiesioginės juostos medžiagos: šios medžiagos puikiai tinka šviesos diodams, nes elektronai ir skylės efektyviai rekombinuoja ir sukuria šviesą.
Medžiagos su netiesiogine juosta: Rekombinacijai reikia papildomos energijos dėl gardelės virpesių, todėl šviesos spinduliavimas yra nepakankamas.
Norėdami gauti tam tikrus atspalvius, technologai gali tiksliai{0}}sureguliuoti juostos tarpą keisdami puslaidininkių lydinių sudėtį. Pavyzdžiui, emisija per matomą spektrą įmanoma, kai komponentai sumaišomi tiksliais santykiais. Mėlynas šviesos diodas paprastai derinamas su fosforo dangomis, kurios dalį mėlynos šviesos paverčia platesnio diapazono bangos ilgiais, kad būtų sukurta balta šviesa.
Dopingo ir jungčių projektavimas siekiant optimizuoti šviesos gamybą
Šviesa susidaro p-n sandūroje, kuri yra sąsaja tarp puslaidininkių sluoksnių, kurie yra neigiamai įkrauti (n-tipas) ir teigiamai įkrauti (p-tipas). Efektyvumui didelę įtaką daro šios sankryžos kokybė ir dopingas arba tyčinis priemaišų pridėjimas:
Dopingas
P- tipo legiravimas prideda atomų, turinčių mažiau elektronų nei puslaidininkyje, kad būtų sukurtos „skylės“ (teigiamų krūvininkų).
Įvedus atomus su papildomais elektronais, n-tipo legiravimas sukuria elektronų perteklių.
Kai tiekiama įtampa, į sankryžą patenka elektronai ir skylės, kurios rekombinuojasi ir sukuria šviesą.
Rekombinacijos efektyvumas:
Pageidaujamas radiacinės rekombinacijos procesas išskiria fotonus, kai susimaišo elektronai ir skylės.
Ne{0}}radiacinė rekombinacija (nepageidaujama): dėl defektų ar priemaišų energija švaistoma kaip šiluma.
Dėl didelio{0}}grynumo puslaidininkių kristalų ir sudėtingų gamybos procesų, kurie sumažina trūkumus, daugiau energijos paverčiama šviesa.
Jungčių inžinerija: siekiant padidinti rekombinacijos efektyvumą, šiuolaikiniai šviesos diodai apriboja elektronus ir skyles aktyvioje srityje, naudodami daugiasluoksnes struktūras. Tarp metodų yra:
Dvigubos heterostruktūros: Naudojamos medžiagos su platesniu juostos tarpu, kad apjuostų aktyvųjį sluoksnį ir gaudykles.
Itin ploni sluoksniai, vadinami kvantiniais šuliniais, riboja elektronų judėjimą, pagerina spinduliavimo rekombinaciją ir leidžia tiksliai-koreguoti spalvas.
Sluoksniuota architektūra: šviesos gamybos gerinimas
Naudojami keli puslaidininkių sluoksniaipažangūs LED dizainaipagerinti našumą:
Sluoksnis, kuris gamina šviesą, yra žinomas kaip „aktyvioji sritis“. Rekombinacijos greitį ir fotono energiją lemia jo storis ir sudėtis.
Apribojantys sluoksniai: siekiant sustabdyti nešiklio nutekėjimą, aktyviąją sritį supa medžiagos, turinčios didesnį tarpą.
Skaidrios laidžios medžiagos, vadinamos „srovės plitimo{0}}sluoksniais“, tolygiai paskirsto elektros srovę, sumažindamos varžą ir šilumos kaupimąsi.
Atspindintys sluoksniai: konstrukcijos, padidinančios bendrą ryškumą, nukreipdamos viduje sulaikytą šviesą link paviršiaus.
Kartu šie sluoksniai garantuoja efektyvią elektronų{0}}skylių sąveiką ir sumažina energijos nuostolius.
Fizinė architektūra: efektyvus šviesos ištraukimas
Užtikrinti, kad šviesa išeitų iš puslaidininkio, yra pagrindinis šviesos diodų projektavimo sunkumas. Didelė dalis šviesos atsispindi puslaidininkinėse medžiagose dėl didelio jų lūžio rodiklio. Tai sprendžiama naudojant struktūrines naujoves:
Paviršiaus tekstūra: šviesą išsklaido grublėtas puslaidininkinis paviršius, kuris sumažina vidinį atspindį ir padidina ištraukimo efektyvumą.
Geometrinis formavimas: šviesa nukreipiama į išorę lenktais arba kampuotais paviršiais.
Objektyvo integravimas: šviesos srautas sufokusuojamas ir sustiprinamas įdedant šviesos diodą į kupolo{0}}formos objektyvą.
Taikant šiuos metodus užtikrinama, kad pagaminama daugiau fotonų ir jie prisideda prie naudingo apšvietimo, o ne iššvaistomi kaip šiluma.
Šiluminė kontrolė: efektyvumo palaikymas
Tarnavimo laikas ir efektyvumasTrims atsparioms LED lemputėmsyra labai paveikti šilumos. Perkaitimas gali pakeisti spalvą, pakeisdamas skleidžiamos bangos ilgį ir pagreitindamas ne-spinduliuojančią rekombinaciją, o tai sumažina ryškumą. Svarbią taktiką sudaro:
Didelio šilumos laidumo substratai yra medžiagos, kurios greitai išskiria šilumą iš aktyvios zonos.
Metalinės dalys, kurios sugeria ir skleidžia šilumą, yra žinomos kaip šilumos šalintuvai.
Konstrukcijos, mažinančios atsparumą karščiui tarp puslaidininkio ir išorinio pasaulio, yra žinomos kaip pažangios pakuotės.
Stabilų spalvų išvestį ir ilgesnį LED tarnavimo laiką garantuoja efektyvus šilumos valdymas.
Sudėtingos puslaidininkių architektūros
LED veikimo ribas stumia naujos technologijos:
Nanostruktūriniai puslaidininkiai sudaryti iš mažyčių laidų arba taškų, kurie pagerina šviesos ištraukimą ir sumažina trūkumus.
Neorganinių ir organinių puslaidininkių deriniai, siekiant pasinaudoti specialiomis optinėmis savybėmis, yra žinomi kaip hibridinės medžiagos.
Lankstus dizainas: dėvimos technologijos šviesos diodai ir lenkti ekranai yra įmanomi dėl plonų, lanksčių puslaidininkių.
Numatoma, kad šie pokyčiai dar labiau padidins efektyvumą, spalvų grynumą ir pritaikymo galimybes.
