Santrauka
2014 m. Isamu Akasaki, Hiroshi Amano ir Shuji Nakamura buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija už jų efektyvių mėlynos šviesos diodų sukūrimą, kuris palengvino ryškių ir energijos vartojančių baltų šviesos šaltinių plėtrą. Pastaraisiais metais,Šviesos diodai (šviesos diodai) vis labiau įsiskverbė į namų apšvietimo sektorių ir kitas masines rinkas. Šiuo straipsniu siekiama pateikti šviesos diodų fizikos apžvalgą, pagrindinius proveržus, kurie baigėsi 2014 m.
1. Įvadas
Šviesos diodai (šviesos diodai) kelis dešimtmečius buvo neatsiejama kasdienio gyvenimo, atsirandančio su indikatoriaus lempomis ir infraraudonųjų spindulių nuotolinio valdymo pultu, septintajame dešimtmetyje. Tačiau Nobelio fizikos premija 2014 m. Buvo skirta būtent „Blue Leds“, o tai galiausiai leido gaminti „White Light“. Šiuo straipsniu siekiama išsiaiškinti pagrindinę LED fiziką, kad būtų parodytas jų, kaip aukštesnių šviesos skleidėjų, potencialas, ypač apšvietimo programoms. Tai taip pat pateiks trumpą išradimų, kurie prisidėjo prie šiuolaikinių šviesos diodų, istoriją ir paaiškins 2014 m. Nobelio fizikos premiją, skirtą Akasaki, Amano ir Nakamurai. Galų gale aš išnagrinėsiu, ar šiuolaikiniai šviesos diodai tikrai sukelia energijos taupymą, ir labiau pragmatiškai, jei tai yra ekonomiškai protinga, kad atskiriems vartotojams būtų galima įsigytiLED lemputėsNamų apšvietimui.
2. Kaip veikia puslaidininkių šviesos diodai?
Šiame skyriuje bus trumpa elektroliuminescencijos istorijos apžvalga, daugiausia dėmesio skiriant neorganinių puslaidininkių elektroliuminescencijai, po to aprašoma šiuolaikinių šviesos diodų fizika. Elektroliuminescencija yra reiškinys, kuriame skleidžiama šviesa, kai elektros srovė praeina per medžiagą. Galima teigti, kad kaitrinės lemputės („Edison“ lemputė) yra elektroliuminescencinės; Tačiau pagal šį scenarijų dabartinis srautas šildo medžiagą, o šviesos emisijos rezultatai atsiranda tik dėl padidėjusios gijų temperatūros. Taigi tiksliau nurodyti elektroliuminescenciją, kai srovės srautas tiesiogiai palengvina šviesos emisijos mechanizmą. Pradinis elektroliuminescencijos dokumentacija įvyko 1907 m. HJ Round, įdarbintas „Marconi Company“. Jis pakreipė silicio karbido pavyzdį (tada vadinamas karborrundumu) ir stebėjo skirtingų spalvų šviesą pagal elektrodų išdėstymą ir pritaikytą įtampą. Tuo metu jis nesuprato šio reiškinio. Po dviejų dešimtmečių Nizhny Novgorod radijo laboratorijoje jaunas rusų technikas Olegas Losvas pasiekė reikšmingą pažangą eksperimentiniame stebint ir suprato silicio karbido šviesos diodus. Tiksliau, jis pateikė patentą 1929 m. Dabartinė grandinė “. Tai tikrai nuostabu: A 26- metų darbuotojas, turintis ribotą formalųjį išsilavinimą fizikos srityje, patentuota, kad 1929 m. Puslaidininkių šviesos šaltinio elektros moduliavimas buvo perduotas aukšto lygio perdavimui. Vis dėlto per dešimtmečius naujoviškos publikacijos ir patentai. 1940 -aisiais sustiprinus puslaidininkių supratimą ir kontrolę buvo sukurta pirmoji P - N sankryža, po to išrastas pirmasis tranzistorius. Todėl pradinius šviesos diodus, kuriuose naudojami gerai išsivysčiusios P-I-N jungtys, buvo galima pagaminti ir patobulinti.
Puslaidininkis yra medžiaga, kurios laidumą galima pakeisti įvedus priemaišas, žinomas kaip dopantai. Neorganiniai puslaidininkiai yra kristalinės medžiagos, tokios kaip silicis (SI), galio arsenidas (GaAs), indio fosfidas (INP) ir galio nitridas (GAN), kuriai būdingos elektronų energijos juostos. Viršutinė užimta energijos juosta yra vadinama valentine juosta, kuri užpildyta elektronais, esančiais be puslaidininkio, tačiau vėlesnė aukštesnės energijos juosta, žinoma kaip laidumo juosta, lieka visiškai laisva pernešiantį puslaidininkį. Energijos skirtumai tarp didžiausio laidumo juostos ir „Valence Band“ yra vadinamas puslaidininkio juostos tarpu. Puslaidininkio šviesos emisijos procesas yra tiesus: kai elektronas užima laidumo juostą ir valentinėje juostoje yra laisvų vietų (vadinama skylė), laidumo juostos elektronas gali pereiti prie laisvos Valence juostos būsenos, išleisdamas energijos skirtumą (juostos tarpą) kaip skleidžiamą fotoną (1 pav.). Elektronas ir skylės rekombinacija, todėl fotonas išmetė. Šis procesas vyksta daugelyje puslaidininkių, išskyrus pastebimas išimtis, žinomas kaip netiesioginiai puslaidininkiai, tokie kaip silicis ar germanis, kur fotono emisija nėra tiesiogiai leidžiama, todėl tai daro reikšmingą neefektyvumą. Norint gaminti puslaidininkio šviesos diodą, labai svarbu kartu išdėstyti elektronus laidumo juostoje ir skylutes valentinėje juostoje medžiagoje. Čia dopingas reiškia reikšmingumą. Vidinis puslaidininkis veikia kaip izoliatorius, nes valentinių juostos elektronai išlieka nejudrūs, nes nėra turimų būsenų elektroniniam judėjimui; Nepaisant to, puslaidininkius galima panaudoti dviem skirtingomis manieromis. Kai priemaišos yra įtrauktos į kristalą su papildomu elektronu kiekvienam atomui, šie pertekliniai elektronai pereina į laidumo juostą. Pavyzdžiui, kai kuriuos GA atomus pakeitus GA atomais GaAs kristalais, N-tipo dopingas sukelia elektronų buvimą laidumo juostoje. Priešingai, priemaišos, neturinčios elektronų, gali būti įvestas, todėl P tipo dopingas, kuriam būdinga skylių egzistavimas valentinės juostos juostoje. Svarbiausias aspektas yra tas, kad dopantai yra mažumos atomai kristalų struktūroje: vienas dopingo atomas tarp vieno milijono standartinių atomų gali žymiai padidinti elektrinį laidumą. Dopingo lygio įsisavinimas yra būtinas norint pritaikyti puslaidininkių elektrines savybes. Ši patirtis, prasidėjusi 1940–1950 m., Sukėlė mikroelektronikos ir optoelektronikos revoliucijas. Pagrindinė puslaidininkio šviesos emisijos konfigūracija apima N tipo (su elektronų laidumo juostoje) ir p tipo (su skylėmis ar elektronų nebuvimu, valentinės juostos) medžiagose. Kai veikiami elektros, elektronai ir skylės, einančios priešingomis kryptimis-kai valentinėje juostoje esanti kairėje kylanti skylė atitinka dešiniąją elektronų konvergą PN sankryžoje, todėl rekombinacija skleidžia fotonus (2 pav.). Suprantant tyrimų bendruomenę, paaiškėjo būtinas veiksmas: gebėjimas sintetinti aukštos kokybės kristalus su tiksliai kontroliuojamu P tipo ir N tipo dopingu. Inauguracinis GAAS infraraudonųjų spindulių šviesos diodas buvo eksponuojamas 1962 m., Vėliau jį pakeitė pradiniai matomi šviesos diodai, kuriuos sukūrė kitos komandos. N. Holonyak, „General Electric“ tyrėjas, pasisakė už GAASP lydinį, leidžiantį jam parodyti inauguracinį matomą puslaidininkio diodų lazerį. Labai svarbu pripažinti N. Holonyaką, kuris, be kita ko, žymiai pažengė į puslaidininkių šviesos skleidėjų supratimą ir kontrolę. 1963 m. Nickas Holonyakas „Reader's Digest“ prognozavo, kad puslaidininkių šviesos diodai ilgainiui panaikins visas lemputes bendram apšvietimui, nepaisant pradinių puslaidininkų šviesos diodų, skleidžiančių labai silpną šviesą ir pasižymi tik procentų dalių efektyvumu, nes dėl prastesnės medžiagos kokybės. Kokius kriterijus jis panaudojo norėdamas sukurti šią prognozę? Holonyakas pripažino, kad kaitrinės lemputės veikia panašiai kaip juodojo kūno spinduliuotės, sukuriant spektrinę kreivę, koreliuojančią su gijų temperatūra; Didėjant temperatūrai, emisijos spektras pasislenka link trumpesnių bangos ilgių. Veiksmingiausios kaitrinės lemputės daugiausia skleidžia infraraudonųjų spindulių šviesą, kuri yra neveiksminga apšvietimui ir vietoj to veikia kaip šilumos šaltinis. Elektros galios pavertimas matoma optine galia iš esmės yra suvaržyta maždaug 5%. Puslaidininkių šviesos dioduose fizika žymiai skiriasi: beveik 100% elektros energijos gali būti paverčiama optine galia, o gerai reguliuojama emisijos bangos ilgis (ypač juostos tarpas nustato energiją ir atitinkamai skleidžiamo fotono bangos ilgį). Galima įsivaizduoti prietaisą su šviesos diodais, skleidžiančiais kelis matomus bangos ilgius, kiekvienas pasižymi aukštu (geriausia vienybės) konversijos efektyvumu, taigi leidžiama skleisti matomą baltą šviesą (arba bet kurį pasirinktą matomų spalvų derinį) be šiluminių nuostolių (3 pav.). Teoriškai tai turėtų funkcionuoti; Vienintelis iššūkis yra pasiekti technologinę brandą, reikalingą norint gaminti ypač efektyvius šviesos diodus tam tikrais bangos ilgiais. Šis siekis okupavo puslaidininkių tyrinėtojus vėlesniams dešimtmečiams ir galiausiai lėmė2014 m. Nobelio premija.
„Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd“ buvo įsteigta 2010 m. Tai yra nacionalinė aukštųjų technologijų įmonė, integruojanti dizainą, mokslinius tyrimus ir plėtrą, gamybą ir pardavimus iš vidaus ir lauko apšvietimo produktų, taip pat gali atlikti OEM, ODM. Norėdami gauti daugiau informacijos apie mūsų pasiūlymus, susisiekite su mumis.bwzm18@ledbenweilighting.com
