PagrindinisPrincipasLED šviesos emisijos

Šviesos diodai (LED) pakeitė apšvietimo technologiją ir siūlo precedento neturintį energijos vartojimo efektyvumą ir ilgaamžiškumą, palyginti su tradiciniais šviesos šaltiniais. Bet kas tiksliai verčia šiuos mažyčius puslaidininkinius įtaisus skleisti šviesą? LED šviesos spinduliuotės reiškinys yra žavinga kvantinės fizikos ir medžiagų mokslo sąveika. Šiame straipsnyje bus paaiškinti pagrindiniai LED šviesos spinduliavimo principai – nuo ​​elektronų elgsenos iki fotonų susidarymo, kartu pateikiami praktiniai pavyzdžiai ir palyginimai, padedantys išsiaiškinti šią esminę šiuolaikinę technologiją.

LED šviesos spinduliuotės fizika

Puslaidininkių pagrindai

Kiekvieno šviesos diodo centre yra puslaidininkinė medžiaga, kurią paprastai sudaro periodinės lentelės III ir V grupių elementai (pvz., galis, arsenas ir fosforas). Šios medžiagos turi elektrinių savybių tarp laidininkų ir izoliatorių, todėl jos idealiai tinka kontroliuojamam elektronų srautui.

LED veikimo raktas slypi puslaidininkiuoseenergijos juostos struktūra:

Valence juosta: kur elektronai yra prijungti prie atomų

Laidumo juosta: Kur elektronai gali laisvai judėti

Juostos tarpas: energijos skirtumas tarp šių juostų

1 lentelė. Įprastos LED medžiagos ir jų juostos tarpai

PN jungtis: šviesos diodo šerdis

Šviesos diodai veikia per specialiai sukurtąPN jungtis, kur susitinka dviejų tipų puslaidininkinės medžiagos:

P- tipo puslaidininkis: yra „skylių“ (teigiamų krūvininkų)

N- tipo puslaidininkis: Sudėtyje yra laisvųjų elektronų (neigiamų krūvininkų)

Kai šios medžiagos sujungiamos, elektronai iš N-pusės pasklinda per sandūrą, užpildydami skyles P-pusėje, sukurdamiišsekimo regionaskur nėra nemokamų mokesčių nešėjų.

Šviesos emisijos procesas

Rekombinacija: kur gimsta šviesa

Kai į PN sandūrą tiekiama tiesioginė įtampa:

Elektronai stumiami iš N{0}} pusės link sankryžos

Skylės stumiamos iš P{0}}pusės link sankryžos

Elektronai ir skylės rekombinuojasi išeikvojimo srityje

Energija išsiskiria kaip fotonai (šviesos dalelės)

Šių fotonų energija atitinka puslaidininkio juostos tarpo energiją, nustatant šviesos spalvą pagal Planko ryšį:

E=hν=hc/λ

Kur:

E=Energija (nustatoma pagal juostos tarpą)

h=Planko konstanta

ν=Šviesos dažnis

c=Šviesos greitis

λ=Šviesos bangos ilgis

Atvejo pavyzdys: Mėlynas LED kūrimas
2014 m. Nobelio fizikos premija buvo skirta Isamu Akasaki, Hiroshi Amano ir Shuji Nakamura už darbą kuriant efektyvius mėlynus šviesos diodus naudojant galio nitridą. Šis proveržis įgalino baltą LED apšvietimą, derinant mėlynus šviesos diodus su fosforais, užbaigiant šviesos diodų RGB spalvų spektrą.

LED struktūros ir efektyvumo svarstymai

Modernus LED lusto dizainas

Įprastą LED lustą sudaro keli pagrindiniai komponentai:

Substratas: Pagrindinė medžiaga (dažnai safyras arba silicio karbidas)

N- tipo sluoksnis:{0}}elektronų turtingas regionas

Aktyvus regionas: kur vyksta rekombinacija

P- tipo sluoksnis: skylė{0}}turtingas regionas

Kontaktai: Elektros jungtys

2 lentelė. Šviesos diodų efektyvumo skirtingų spalvų palyginimas

Quantum Wells: efektyvumo didinimas

Šiuolaikiniai didelio{0}}efektyvumo šviesos diodaikvantinių šulinių struktūrosaktyviame regione:

Itin ploni sluoksniai (nanometro skalė)

Apribokite elektronus ir skyles, kad padidintumėte rekombinacijos tikimybę

Can achieve >80% vidinis kvantinis efektyvumas

Nuo vieno fotono iki naudingos šviesos

Vidinės refleksijos įveikimas

Didelis LED dizaino iššūkis yrašviesos ištraukimasdėl:

Didelis puslaidininkių lūžio rodiklis

Visiškas vidinis atspindys gaudantis fotonus

Sprendimai apima:

Paviršiaus tekstūravimas

Formos lustų dizainas

Atspindintys kontaktai

Baltos šviesos generacija

Yra du pagrindiniai baltos šviesos iš šviesos diodų gamybos būdai:

Fosforo konversija:

Mėlynas šviesos diodas sužadina geltoną fosforą (YAG:Ce)

Derinys atrodo baltas

Naudojamas daugumoje komercinių baltų šviesos diodų

RGB maišymas:

Raudonos, žalios ir mėlynos šviesos diodų derinys

Leidžia derinti spalvas

Sudėtingesni vairuotojo reikalavimai

Atvejo pavyzdys: LED lemputės evoliucija
Early "white" LED bulbs (2005-2010) often had a bluish tint due to imperfect phosphor blends. Modern bulbs (post-2015) use advanced multi-phosphor combinations to achieve warmer, more natural white light with CRI >90.

LED spinduliuotės palyginimas su kitais šviesos šaltiniais

3 lentelė. Šviesos emisijos mechanizmų palyginimas

LED technologijos ateities kryptys

Efektyvumo ribos

Mokslininkai siekia:

Įveikti „efektyvumo kritimą“ esant didelėms srovėms

Sukurkite geresnius žalius šviesos diodus, kad pašalintumėte „žalią spragą“

Sukurkite itin{0}}efektyvius gilius UV šviesos diodus

Naujos medžiagos

Naujos medžiagos rodo pažadą:

Perovskito puslaidininkiai

GaN{0}}ant-silicio substratų

2D medžiagos šviesos diodai (pvz., pereinamųjų metalų dikalkogenidai)

Kvantinių taškų šviesos diodai

Nanokristalai su reguliuojama emisija

Didesnis spalvos grynumas

Itin{0}}didelio CRI apšvietimo potencialas

LED fizikos praktiniai padariniai

Emisijos principų supratimas padeda:

Šviesos diodų pasirinkimas programoms:

Spalvos reikalavimai

Efektyvumo poreikiai

Šiluminiai svarstymai

LED trikčių šalinimas:

Spalvų pokyčiai (dažnai susiję su terminiu ar senėjimu)

Sumažėja efektyvumas

Gedimo mechanizmai

Naujų apšvietimo gaminių įvertinimas:

Vertinant gamintojo pretenzijas

Specifikacijų supratimas

Veikimo prognozavimas

Išvada

Pagrindinis LED šviesos emisijos-elektroliuminescencijos per elektronų-skylių rekombinaciją puslaidininkinėje PN sandūroje principas-atitinka tobulą kvantinės fizikos ir praktinės inžinerijos derinį. Nuo kruopštaus puslaidininkinių medžiagų parinkimo iki tikslios kvantinių šulinių ir šviesos ištraukimo konstrukcijų projektavimo – kiekvienas LED dizaino aspektas grindžiamas šiais pagrindiniais fiziniais principais.

Kadangi LED technologija ir toliau tobulėja, didinant efektyvumo, spalvų kokybės ir naujų pritaikymų ribas, šis pamatinis supratimas tampa vis vertingesnis. Nesvarbu, ar renkatės LED lemputes savo namams, kuriate LED-pagrįstus gaminius, ar tiesiog domitės technologija, kuri apšviečia mūsų šiuolaikinį pasaulį, atpažindami mokslą, slypintį už švytėjimo, mes labiau vertiname šiuos nuostabius įrenginius.

Kelionė nuo paprastos PN sankryžos iki modernių šiuolaikinių LED apšvietimo sistemų parodo, kaip gilus mokslinis supratimas gali paskatinti pasaulį-keisti technologijas-po vieną fotoną.

Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd
📞 Tel / Whatsappc +86 19972563753
🌐 https://www.benweilight.com/
📍 F pastatas, Yuanfen pramoninė zona, Longhua, Šendženas, Kinija