Özet
2014 yılında Isamu Akasaki, Hiroshi Amano ve Shuji Nakamura, parlak ve enerji tasarruflu beyaz ışık kaynaklarının gelişimini kolaylaştıran verimli mavi ışık yayan diyotlar oluşturdukları için Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü. Son yıllarda,Işık yayan diyotlar (LED'ler) ev aydınlatma sektörüne ve diğer kitle pazarlarına giderek daha fazla nüfuz ettiler. Bu makale, LED fiziği, 2014 Nobel Ödülü'nde doruğa ulaşan büyük atılımlar ve LED'lerin kolaylaştırabileceği enerji tasarrufu potansiyeli hakkında genel bir bakış sunmayı amaçlamaktadır.
1. Giriş
Işık yayan diyotlar (LED'ler), 1960'larda gösterge lambaları ve kızılötesi uzaktan kumandalardan kaynaklanan birkaç on yıldır günlük yaşamın ayrılmaz bir parçası olmuştur. Bununla birlikte, Nobel Fizik Ödülü 2014 yılında özellikle Blue LED'ler için verildi, bu da sonuçta beyaz ışık üretimini sağladı. Bu makale, temel LED fiziğini, özellikle aydınlatma uygulamaları için üstün ışık yayıcılar olarak potansiyellerini göstermeleri için açıklamayı amaçlamaktadır. Ayrıca, modern LED'lere katkıda bulunan icatların kısa bir geçmişini sağlayacak ve Akasaki, Amano ve Nakamura'ya verilen 2014 Nobel Fizik Ödülü'nün arkasındaki mantığı açıklayacak. Nihayetinde, çağdaş LED'lerin gerçekten enerji tasarrufu ile sonuçlanıp sonuçlanmadığını ve bireysel tüketicilerin satın alması ekonomik olarak mantıklısa daha pragmatik olarak inceleyeceğim.LED ampullerEv aydınlatması için.
2. Yarıiletken LED'leri nasıl çalışır?
Bu bölüm, inorganik yarı iletkenlerin elektrolüminesansına ve ardından çağdaş LED'lerin altında yatan fiziğin bir tanımına odaklanan elektrolüminesans öyküsü hakkında kısa bir genel bakış sağlayacaktır. Elektrolüminesans, bir elektrik akımı bir maddeden geçtiğinde ışığın yayıldığı fenomendir. Akkor ampullerin ("Edison" ampul) elektrolüminesan olduğu iddia edilebilir; Bununla birlikte, bu senaryoda, akım akışı malzemeyi ısıtır ve ışık emisyonu sadece filamanın yüksek sıcaklığından kaynaklanır. Bu nedenle, akım akışı ışık emisyon mekanizmasını doğrudan kolaylaştırdığında elektrolüminesansa atıfta bulunmak daha doğrudur. Elektrolüminesansın ilk belgeleri 1907'de Marconi şirketi tarafından kullanılan HJ Round tarafından meydana geldi. Bir silikon karbür örneğini (daha sonra karborundum olarak adlandırılır) önyargıladı ve uygulanan elektrot yerleşimine ve voltaja göre farklı renklerin ışığını gözlemledi. O zaman fenomeni anlamadı. Yirmi yıl sonra, Nizhny Novgorod Radyo Laboratuvarı'nda genç bir Rus teknisyeni olan Oleg Lostev, silikon karbür ışık yayan diyotların deneysel gözleminde ve anlaşılmasında önemli gelişmeler sağladı. Özellikle, 1929'da sonraki iddiayı kapsayan bir patent sunmuştur: "Önerilen buluş, bir karborundum dedektöründe yerleşik bir rölen fenomenini kullanır ve hızlı telgraf ve telefon iletişimi ve diğer uygulamaları kolaylaştırmak için böyle bir optik rölenin kullanılmasını gerektirir, burada hafif bir şekilde temas etmeyi sağladığı anlamına gelir. Bu gerçekten dikkat çekicidir: 1929'da bir yarı iletken ışık kaynağının elektrik modülasyonunu kullanarak verilerin yüksek oranlı aktarımını patentli olarak sınırlı resmi eğitime sahip 26- yaşındaki bir işçi. Bununla birlikte, yenilikçi yayınlar ve patentler onlarca yıl boyunca büyük ölçüde belirsiz kalmıştır. 1940'larda, yarı iletkenlerin gelişmiş kavrama ve kontrolü, ilk P - N kavşağının oluşturulmasına ve ardından ilk transistörün icadı ile sonuçlandı. İyi gelişmiş P-I-N kavşaklarını kullanan ilk LED'ler sonuç olarak imal edilebilir ve geliştirilebilir.
Yarı iletken, dopant olarak bilinen safsızlıkların getirilmesiyle iletkenliği değiştirilebilen bir maddedir. İnorganik yarı iletkenler, elektronlar için enerji bantları ile karakterize edilen silikon (SI), galyum arsenid (GaAs), indiyum fosfit (INP) ve galyum nitrür (GAN) gibi kristal malzemelerdir. En çok işgal edilen enerji bandı, tükenmemiş bir yarı iletkende elektronlarla doldurulmuş değerlik bandı olarak adlandırılır, ancak iletim bandı olarak bilinen müteakip yüksek enerji bandı, tükenmemiş bir yarı iletkende tamamen boş kalır. İletim bandının minimum ve değerlik bandının en yüksek arasındaki enerji eşitsizliği, yarı iletken bant boşluğu olarak adlandırılır. Bir yarı iletkendeki ışık emisyon işlemi basittir: bir elektron iletim bandını işgal ettiğinde ve değerlik bandında (bir delik olarak adlandırılır) bir boşluk olduğunda, iletim bandı elektronu, valans farkını (bant gapı) yayılan bir foton olarak serbest bırakarak geçiş yapabilir (Şekil 1). Elektron ve delik yeniden birleştirerek bir foton emisyonu ile sonuçlanır. Bu işlem, foton emisyonunun doğrudan izin verilmediği silikon veya germanyum gibi dolaylı yarı iletkenler olarak bilinen önemli istisnalar dışında, önemli verimsizliğe neden olan yarı iletkenlerin çoğunda gerçekleşir. Bir yarı iletken LED üretmek için, elektronları iletim bandına eşzamanlı olarak konumlandırmak ve malzemenin içindeki değerlik bandındaki delikleri konumlandırmak önemlidir. Doping'in önemini aldığı yer burasıdır. Valans bandındaki elektronlar, elektronik hareket için mevcut durumların olmaması nedeniyle hareketsiz kaldığı için içsel bir yarı iletken bir izolatör olarak işlev görür; Bununla birlikte, yarı iletkenler iki farklı davranışta katlanabilir. Safsızlıklar, atom başına ek bir elektron ile kristale dahil edildiğinde, bu fazla elektron iletim bandına geçiş. Örneğin, bazı GA atomlarının bir GaAs kristalinde Si atomları ile ikame edilmesi, iletim bandında elektronların varlığı ile karakterize N tipi doping ile sonuçlanır. Tersine, bir elektrondan yoksun safsızlıklar eklenebilir, bu da değerlik bandında deliklerin varlığı ile karakterize edilen P tipi doping ile sonuçlanabilir. Önemli bir husus, dopantların kristal yapının içinde azınlık atomları oluşturmasıdır: bir milyon standart atom arasında tek bir doping atomu elektrik iletkenliğini önemli ölçüde artırabilir. Doping seviyesine hakim olmak, yarı iletkenlerin elektriksel özelliklerini özelleştirmek için gereklidir. 1940'larda ve 1950'lerde başlayan bu uzmanlık, mikroelektronik ve optoelektronik devrimleri hızlandırdı. Bir yarı iletkenden ışık emisyonu için temel konfigürasyon, N tipi (iletim bandındaki elektronlarla) ve P-tipi (değerlik bandında delik veya elektron yokluğu) malzemelerinin entegrasyonunu içerir. Elektrik önyargılarına, elektronlara ve deliklere maruz kaldığında, karşıt yönlerde dolaşan-değerlik bandında sola hareket eden bir deliğin, PN kavşağında sağa doğru hareket eden elektronlara karşılık gelir, bu da fotonlar yayan rekombinasyona neden olur (Şekil 2). Araştırma topluluğu tarafından anlama üzerine, gerekli eylem belirginleşti: yüksek kaliteli kristalleri hassas kontrollü P tipi ve N-tipi doping ile sentezleme yeteneği. Açılış Gaas kızılötesi LED 1962'de sergilendi, daha sonra diğer takımlar tarafından geliştirilen ilk görünür LED'ler tarafından başarılı oldu. General Electric'in bir araştırmacısı olan N. Holonyak, Gaasp alaşımını savundu ve açılış görünür yarı iletken diyot lazerini sergilemesini sağladı. Diğerlerinin yanı sıra yarı iletken ışık yayıcılarının kavrayışını ve kontrolünü önemli ölçüde ilerleten N. Holonyak'ı kabul etmek önemlidir. 1963'te Nick Holonyak, Reader'ın özetinde yarı iletken LED'lerin, çok loş ışık yayan ve daha düşük malzeme kalitesi nedeniyle sadece yüzde fraksiyonların verimliliğini sergileyen ilk yarı iletken LED'lere rağmen, genel aydınlatma uygulamaları için tüm ampulleri destekleyeceğini tahmin etti. Bu tahmini oluşturmak için hangi kriterleri kullandı? Holonyak, akkor ampullerin siyah vücut yayıcılarına benzer şekilde çalıştığını ve filaman sıcaklığı ile ilişkili bir spektral eğri ürettiğini kabul etti; Sıcaklık arttıkça, emisyon spektrumu daha kısa dalga boylarına doğru kayar. En verimli akkor ampuller çoğunlukla aydınlatma için etkisiz olan ve bunun yerine bir ısı kaynağı olarak işlev gören kızılötesi ışık yayar. Elektrik gücünün görünür optik güce dönüştürülmesi doğal olarak yaklaşık%5 olarak kısıtlanmıştır. Yarı iletken LED'lerde fizik önemli ölçüde ayrılır: elektrik gücünün yaklaşık% 100'ü iyi düzenlenmiş bir emisyon dalga boyu ile optik güce dönüştürülebilir (özellikle bant boşluğu enerjiyi ve sonuç olarak yayılan fotonun dalga boyunu belirler). Her biri yüksek (tercihen birlik) dönüşüm verimliliği sergileyen birkaç görünür dalga boyu üzerinde yayılan LED'lerle donatılmış bir cihaz öngörülebilir, böylece termal kayıplar olmadan görünür beyaz ışığın (veya seçilen herhangi bir kombinasyon) emisyonuna izin verir (Şekil 3). Bu, teorik olarak işlev olmalıdır; Tek zorluk, belirli dalga boylarında son derece verimli LED'ler üretmek için gereken teknolojik olgunluğa ulaşmaktır. Bu çaba, sonraki on yıllar boyunca yarı iletken araştırmacıları işgal etti ve sonuçta2014 Nobel Ödülü.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd 2010 yılında kurulmuştur. Tasarımı, Ar-Ge'yi, iç ve açık aydınlatma ürünlerinin üretimini ve satışlarını entegre eden ulusal yüksek teknoloji ürünü bir girişimdir ve ayrıca OEM, ODM yapabilir. Tekliflerimiz hakkında daha fazla ayrıntı için lütfen bizimle iletişime geçin.bwzm18@ledbenweilighting.com
