Kā darbojas LED?
Lai gan gaismas diodes (LED) tiek izmantotas daudzos mūsdienu dzīves aspektos, piemēram, māju apgaismošanā, viedtālruņu ekrānu barošanā un satiksmes vadīšanā, gaismas diodes (LED) atšķiras no tradicionālajām apgaismojuma tehnoloģijām, piemēram, kvēlspuldzēm vai dienasgaismas spuldzēm to izsmalcinātās pusvadītāju fizikas dēļ.Gaismas diodesizmantot procesu, kas pazīstams kā elektroluminiscence, kas ir fotonu (gaismas daļiņu) emisija, kad elektriskā strāva plūst caur īpaši izgatavotu pusvadītāju materiālu. Tas ir pretstatā kvēlspuldzēm, kas rada gaismu, sildot kvēldiegu, vai dienasgaismas spuldzēm, kurās izmanto gāzi un UV starojumu. Vispirms mums ir jāizpēta pusvadītāju pamati, LED dizains un secīgā procedūra, kas pārvērš elektrību redzamā gaismā, lai saprastu, kā tas notiek.
Pamats: Enerģijas joslas un pusvadītāji
Katru LED darbina pusvadītājs, viela, kas vada elektrību sliktāk nekā vadītāji (piemēram, varš), bet labāk nekā izolatori (piemēram, stikls). Elektronu enerģijas joslas-enerģijas apgabali, ko elektroni var aizņemt-ir būtiskas pusvadītāju atšķirīgajai darbībai. Elektroniem visos materiālos ir atšķirīgi enerģijas līmeņi, bet cietās vielās šie līmeņi apvienojas, veidojot divas galvenās joslas: vadīšanas joslu un valences joslu.
Materiāla atomus kristāliskā struktūrā satur valences joslā esošie elektroni, kas ir stingri piesaistīti atomiem. Elektrisko vadītspēju nodrošina vadītspējas joslā esošie elektroni, kas var brīvi plūst caur vielu. Joslu sprauga, enerģijas diapazons, kurā elektroni nevar apdzīvot, pastāv starp šīm divām joslām. Materiāla joslas spraugas izmērs nosaka, vai tas ir izolators, vadītājs vai pusvadītājs: pusvadītājiem ir maza, izmērāma joslas sprauga (elektroni var šķērsot spraugu ar nelielu enerģijas ievadi, piemēram, elektriskā strāva), vadītājiem nav joslas spraugas (elektroni brīvi pārvietojas starp joslām), un izolatoriem ir ļoti grūti vadīt joslas josla).
Gaismas diodes izmantotais pusvadītājs ir "leģēts", kas ir procedūra, kas maina materiāla elektriskās īpašības, pievienojot nelielu daudzumu piemaisījumu. Gan n-tipa, gan p-tipa pusvadītāji tiek ražoti ar dopinga palīdzību. Kad elementi ar papildu elektroniem, piemēram, fosfors, tiek leģēti N- tipa pusvadītājos, tie brīvi kustas vadīšanas joslā un piešķir materiālam tīro negatīvo lādiņu. Elementi ar mazāk elektronu, piemēram, boru, tiek izmantoti P-tipa pusvadītāju dopingam. Tā rezultātā valences joslā rodas "caurumi" vai trūkst elektronu, kas darbojas kā pozitīvi lādiņi un var iziet cauri materiālam, kad elektroni tos aizpilda. Gaismas diode darbojas p-n krustojuma dēļ, kas ir šo divu leģēto reģionu krustpunkts.
Gaismas diodes struktūra: no gaismas jaudas līdz P-N krustojumam
Vienkāršais, bet precīzais LED dizains palielina gaismas atdevi, vienlaikus samazinot enerģijas zudumus. Tā p-n pāreja atrodas plānā pusvadītāju materiāla slānī, parasti uz gallija- bāzes, piemēram, gallija arsenīda vai gallija nitrīda. Substrāts, pamatmateriāls, kas nodrošina atbalstu un palīdz siltuma izkliedē, ir vieta, kur ir piestiprināts šis pusvadītāju slānis. Tas ir svarīgi, jo pārkaršana var saīsināt LED kalpošanas laiku.
Viens elektrods ir pievienots p-tipa apgabalam (anods, pozitīvais spailes), bet otrs - n- tipa apgabalam (katods, negatīvā spaile) pusvadītāju slāņa augšpusē. Elektriskais lauks rodas pāri p-n krustojumam, kad šiem elektrodiem tiek piegādāts spriegums (katods ir negatīvs un anods ir pozitīvs). Šis lauks n-tipa pusvadītāju brīvos elektronus virza uz krustojumu, savukārt p-tipa pusvadītāju caurumus velk tajā pašā virzienā.
Lai p{0}}n krustojumā radītā gaisma izplūstu, pusvadītāju slānim jābūt caurspīdīgam vai daļēji{1}}caurspīdīgam (vai vienā pusē jābūt atstarojošam slānim). MūsdienīgsGaismas diodesizmanto tādus materiālus kā gallija nitrīds (GaN), kas ir caurspīdīgi redzamajai gaismai un garantē, ka lielākā daļa fotonu sasniedz virsmu, atšķirībā no agrīnajiem gaismas diodēm, kurās bieži tika izmantoti necaurspīdīgi pusvadītāju materiāli, kas ierobežoja gaismas izvadi. Pusvadītāja p-n krustojumā notiek primārās gaismas{2}}ģenerācijas process, lai gan dažām gaismas diodēm ir arī lēca vai pārklājums, lai fokusētu gaismu vai mainītu tās krāsu.
1. darbība: izmantojot elektronu-caurumu rekombināciju un spriegumu
Ārējais spriegums, kas tiek dots gaismas diodes elektrodiem, ierosina gaismas emisijas procesu, izveidojot novirzi uz priekšu, kas ir pareizais strāvas plūsmas virziens.LEDdarboties; no otras puses, apgrieztā novirze aptur strāvu un nerada gaismu. Brīvos elektronus no n-tipa apgabala paātrina p-tipa apgabalā, un caurumus no p-tipa apgabala paātrina n-tipa apgabalā elektriskais lauks pāri p-n krustojumam, kad tiek piemērota novirze uz priekšu.
Šie elektroni un caurumi galu galā saplūst p-n krustojumā vai tuvu tam, virzoties vienā virzienā. Brīvais elektrons no n-tipa apgabala vadītspējas joslas "iekrīt" caurumā, kad tas saduras ar p-tipa apgabala valences joslas caurumu, pārejot no augstākas enerģijas stāvokļa vadītspējas joslā uz zemāku enerģijas līmeni valences joslā. Elektrons un caurums izslēdz viens otru šīs pārejas laikā, ko sauc par rekombināciju, un papildu enerģija, ko tie zaudē, tiek izstarota kā fotons.
Pusvadītāja joslas spraugas lielums tieši ietekmē šī fotona enerģiju, kas piešķir gaismai krāsu. Fotons ar lielāku enerģiju (un īsāku viļņa garumu, piemēram, zilu vai violetu gaismu) rodas, kad elektrons rekombinējas ar caurumu un zaudē vairāk enerģijas plašākas joslas spraugas dēļ. Fotonu ar garāku viļņa garumu, piemēram, sarkanu vai oranžu gaismu, un mazāku enerģiju ražo mazāka joslas sprauga.
Piemēram:
Šaurās joslas spraugas dēļ gallija arsenīds (GaAs) izstaro sarkanu gaismu ar viļņa garumu aptuveni 650 nm. Plašākas joslas spraugas dēļ gallija nitrīds (GaN) izstaro zilu vai violetu gaismu ar aptuveni 450 nm viļņa garumu.
Ražotāji var modificēt joslas atstarpi, lai ražotu gaismas diodes, kas rada zaļu, dzeltenu vai pat baltu gaismu, apvienojot dažādus pusvadītāju materiālus (piemēram, gallija indija nitrīdu vai InGaN) (vairāk par baltajām gaismas diodēm tālāk).
2. solis: efektivitāte un gaismas ekstrakcija
Dažus no rekombinācijas radītajiem fotoniem absorbē pats pusvadītāju materiāls, bet citi atstaro elektrodus vai p-n savienojumu un izdalās siltuma veidā. Ne visi šie fotoni atstājLEDkā redzamā gaisma. LED dizaineri izmanto vairākas stratēģijas, lai uzlabotu "gaismas ieguvi", lai optimizētu efektivitāti:
Caurspīdīgi substrāti: lielāko daļu gaismas aizturēja necaurspīdīgie substrāti (piemēram, germānija), ko izmantoja agrīnajos LED. Mūsdienu gaismas diodēs tiek izmantoti caurspīdīgi substrāti, piemēram, silīcija karbīds vai safīrs, lai ļautu fotoniem sasniegt virsmu.
Teksturētas virsmas: lai samazinātu materiālā atstarotās gaismas daudzumu, pusvadītāju virsma bieži tiek iegravēta ar sīkiem rakstiem, piemēram, izciļņiem vai rievām. Mainot leņķi, kādā gaisma ietriecas virsmā, palielinās iespējamība, ka tā izkļūs, nevis atgriezīsies.
Atstarojošie slāņi: pusvadītāja aizmugure ir pārklāta ar plānu atstarojuma slāni, kas bieži sastāv no metāla, piemēram, alumīnija vai sudraba. Šis slānis palielina gaismas daudzumu, kas atstāj LED, atstarojot fotonus, kas pretējā gadījumā tiktu zaudēti caur substrātu atpakaļ gaismas diodes priekšpusē.
Lai gan daudz mazāk nekā ar kvēlspuldzēm, daļa enerģijas joprojām tiek zaudēta siltuma veidā, neskatoties uz šiem sasniegumiem. Tikai 10–25% enerģijas tiek zaudēti kā siltums gaismas diodēs, 75–90% enerģijas pārveidojot gaismā, salīdzinot ar 90–95% kvēlspuldzēs. Pateicoties lieliskajai efektivitātei, gaismas diodes patērē daudz mazāk enerģijas nekā parastās gaismas.
Kā darbojas baltās gaismas diodes: unikāla situācija
Lielākā daļa gaismas diožu izstaro tikai vienu krāsu jeb monohromatisko gaismu, bet baltajām gaismas diodēm, ko izmanto priekšējos lukturos, televizoros un mājas apgaismojumā, ir nepieciešama cita stratēģija, jo nav pusvadītāju materiāla ar joslas spraugu, kas tieši rada baltu gaismu. Drīzāk baltās gaismas diodes izmanto vienu no divām galvenajām metodēm:
Fosfora pārvēršana: zilsLED(izgatavots no gallija nitrīda), pārklāts ar dzeltenu fosforu-viela, kas absorbē viena viļņa garuma gaismu un izstaro cita viļņa garumu-tiek izmantota vispopulārākajā tehnikā. Fosfors absorbē dažus zilos fotonus, ko izstaro zilā gaismas diode, un atkārtoti izstaro dzeltenos fotonus. Mūsu acis interpretē atlikušos zilos fotonus kā baltu gaismu, kad tie apvienojas ar dzeltenajiem fotoniem. Ražotāji pārklājumam pievieno nelielu daudzumu sarkanā vai zaļā fosfora, lai mainītu baltās gaismas krāsas temperatūru jeb "siltumu" vai "vēsumu". Piemēram, pievienojot papildu zilo gaismu, tiek iegūta vēsa balta gaisma (5000K–6500K), savukārt sarkanā fosfora pievienošana rada siltu baltu gaismu (2700K–3000K).
RGB sajaukšana: šī mazāk populārā tehnika apvieno trīs dažādas gaismas diodes-sarkanā, zaļā un zilā-vienā komplektā. Trīs krāsas apvienojas, lai radītu baltu gaismu (vai jebkuru citu redzamu spektra nokrāsu), mainot katras gaismas diodes spilgtumu. Lai gan šis paņēmiens ir dārgāks nekā fosfora konvertēšana, to izmanto situācijās, kad nepieciešama precīza krāsu pārvaldība, piemēram, skatuves apgaismojums vai augstākās klases displeji.
Atšķirības starp LED un parasto apgaismojumu
Zinot, kā LED darbojas, ir vieglāk saprast, kāpēc gandrīz visās kategorijās tās darbojas labāk nekā dienasgaismas un kvēlspuldzes.
Energoefektivitāte: LED izmanto elektroluminiscenci, kas ir dabiski efektīva; Atšķirībā no kvēlspuldzēm, kas tērē enerģiju kvēldiega sildīšanai, dienasgaismas spuldzes netērē enerģiju, radot UV starojumu.
Ilgs kalpošanas laiks: gaismas diodes neizdeg viegli, jo tām nav kustīgu daļu vai smalku pavedienu. Atšķirībā no kvēlspuldzēm, kuru kalpošanas laiks ir 1000–2000 stundas, gaismas diožu kalpošanas laiks ir 50 000–100 000 stundas, jo pusvadītāju materiāls laika gaitā degradējas ārkārtīgi pakāpeniski.
Tūlītēja ieslēgšana/izslēgšana: atšķirībā no dienasgaismas spuldzēm, kuru pilnīgai izgaismošanai nepieciešamas dažas sekundes, gaismas diodes nav sasilšanas-laika, un tās uzreiz aktivizējas pilnā spilgtumā.
Izturība: joGaismas diodesir cietvielu{0}}elektronika, tie var izturēt triecienus, vibrācijas un augstu temperatūru, tāpēc tie ir lieliski piemēroti lietošanai ārpus telpām vai skarbos apstākļos (piemēram, automašīnās vai rūpnīcās).
LED tehnoloģiju nākotne
Jauni sasniegumi palielina LED tehnoloģiju potenciālu, jo pētnieki un inženieri turpina to uzlabot. Piemēram:
QLED jeb kvantu punktu gaismas diodes: tie uzlabo spilgtumu un krāsu precizitāti, izmantojot kvantu punktus, kas ir mazas pusvadītāju daļiņas. Pētnieki cenšas padarīt QLED energoefektīvākus-vispārējam apgaismojumam, un pašlaik tie ir atrodami augstas klases{2}}televizoros.
Mikro gaismas diodes: šīs neticami mazās gaismas diodes, kuru diametrs ir tikai daži mikrometri, var sagrupēt blīvos blokos, lai radītu elastīgu apgaismojumu vai augstas{0}}izšķirtspējas ekrānus. Paredzams, ka turpmākajos viedtālruņos un televizoros OLED vietā tiks izmantotas mikro gaismas diodes, jo tiem ir ilgāks kalpošanas laiks un labāka jauda.
Perovskīta gaismas diodes: salīdzinot ar parastajiem gallija{0}}materiāliem, perovskīts ir jauna veida pusvadītāju materiāls, kura ražošana ir lētāka. Pētnieki cenšas palielināt perovskīta gaismas diožu stabilitāti komerciālai lietošanai, jo tie ir pierādījuši solījumu nodrošināt spilgtu un efektīvu gaismu.
Nobeigumā
Gaismas diodesir ļoti vienkāršas ierīces, kas izgatavotas no leģēta pusvadītāja ar ap{0}}n savienojumu, kas izmanto elektronu-caurumu rekombināciju, lai pārveidotu elektrisko enerģiju gaismā. Tās ir vienas no visefektīvākajām un pielāgojamākajām apgaismojuma tehnoloģijām, kas jebkad izstrādātas, taču to vienkāršība slēpj to konstrukcijas sarežģītību, kas ietver visu, sākot no gaismas ekstrakcijas inženierijas līdz precīzai joslas spraugas regulēšanai. Zinot, kā LED darbojas, mēs varam izprast gan izsmalcināto zinātni, kas ir to pamatā, gan arī to noderīgās priekšrocības (ilgāks kalpošanas laiks, lētākas enerģijas izmaksas). LED tehnoloģijai attīstoties tālāk, tā, iespējams, vēl vairāk palīdzēs samazināt globālo enerģijas patēriņu, apturēt klimata pārmaiņas un ietekmēt apgaismojuma dizainu nākotnē, -pierādot, ka dažkārt visnozīmīgākie sasniegumi nāk no fundamentālajiem zinātniskajiem principiem.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co, Ltd
Tālrunis: +86 0755 27186329
Mobilais (+86)18673599565
Whatsapp: 19113306783
E-pasts:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
Tīmeklis:www.benweilight.com
