Резюме
У 2014 році Ісаму Акасакі, Хіросі Амано та Шуджі Накамура були удостоєні Нобелівської премії з фізики за створення ефективних діодів, що випромінюють синє світло, що сприяло розвитку яскравих та енергоефективних джерел білого світла. Останніми роками,Діоди, що випромінюють світло (світлодіоди) все більше проникли в сектор домашнього освітлення та інші масові ринки. Ця стаття має на меті надати огляд фізики світлодіодів, основних проривів, які завершилися Нобелівською премією 2014 року, та потенціал для збереження енергії, що може сприяти.
1. Вступ
Діоди, що випромінюють світло (світлодіоди), були невід'ємною частиною повсякденного життя протягом декількох десятиліть, що походять з індикаторними лампами та інфрачервоним дистанційним керуванням у 1960-х роках. Однак Нобелівська премія з фізики була отримана в 2014 році спеціально для синіх світлодіодів, що в кінцевому рахунку дозволило виробляти біле світло. Ця стаття має на меті з'ясувати фундаментальну фізичну фізику, щоб продемонструвати свій потенціал як вищі випромінювачі світла, особливо для освітлювальних застосувань. Він також надасть коротку історію винаходів, які сприяли сучасним світлодіодам, та пояснить обґрунтування Нобелівської премії 2014 року з фізики, присудженої Акасакі, Амано та Накамурі. Зрештою, я вивчу, чи справді сучасні світлодіоди призводять до енергозбереження, і більш прагматично, якщо це економічно розумно для придбання окремих споживачівСвітлодіодні лампочкидля домашнього освітлення.
2. Як функціонують напівпровідникові світлодіоди?
Цей розділ надасть короткий огляд історії електролюмінесценції, зосереджуючись на електролюмінесценції неорганічних напівпровідників з подальшим описом фізики, що лежать в основі сучасних світлодіодів. Електролюмінесценція - це явище, де світло випромінюється, коли електричний струм проходить через речовину. Можна стверджувати, що лампочки розжарювання (лампочка "Едісон") є електролюмінесцентними; Однак у цьому сценарії поточний потік нагріває матеріал, а випромінювання світла результату лише від підвищеної температури нитки. Таким чином, точніше посилатися на електролюмінесценцію, коли потік струму безпосередньо полегшує механізм випромінювання світла. Початкова документація електролюмінесценції відбулася в 1907 році за допомогою HJ Round, зайнята компанією Marconi. Він упередив зразок карбіду кремнію (потім його називають карборундум) і спостерігав світло різних кольорів відповідно до розміщення та нанесеної напруги електрода. У той час він не зрозумів явища. Через два десятиліття Олег Лутв, молодий російський технік в радіо лабораторії Nizhny Novgorod, досяг значних досягнень експериментального спостереження та розуміння силіконового карбідного світла, що випромінюють. Зокрема, він подав патент у 1929 році, що охоплює подальшу заяву: "Запропонований винахід використовує встановлене явище люмінесценції в детекторі карборунду і тягне за собою використання такого детектора в оптичному реле для полегшення швидкого телеграфного та телефонного спілкування як передачі, а також до іншерації, що належить до пропуску, як лінійного зв'язку, як лінійного лінії, що лежить на лінії, що лежить на лінії, як нерівномірний вихід, що лежить на рівні, що лежить на лінії, що належить до модульної лінії. ланцюг. " Це справді примітно: 26- річний працівник з обмеженою формальною освітою з фізики, запатентованою високою перенесенням даних, використовуючи електричну модуляцію напівпровідникового джерела світла в 1929 р. У 40 -х роках посилене розуміння та контроль напівпровідників призвело до створення першого переходу P - N, а потім винаходу першого транзистора. Початкові світлодіоди, що використовують добре розвинені стики P-I-N, можна було б виготовити та посилити.
Напівпровідник - це речовина, провідність якої може бути змінена шляхом введення домішок, відомих як допананти. Неорганічні напівпровідники - це кристалічні матеріали, такі як кремній (СІ), арсенід галію (GAAS), фосфід Індію (INP) та нітрид галію (GAN), що характеризується енергетичними смугами для електронів. Найвища окупована енергетична смуга називається валентною смугою, яка заповнюється електронами у непрукованому напівпровіднику, але наступна більш висока енергетична смуга, відома як смуга провідності, залишається повністю вакантною у непрукованому напівпровіднику. Енергетична невідповідність між мінімумом провідної смуги та найвищою діапазоном валентної групи називається розрив напівпровідника. Процес легкої викидів у напівпровіднику є простим: коли електрон займає смугу провідності, і вакансія існує у валентній смузі (названий отвір), електронний електронний електрон може переходити, щоб зайняти вакантний стан у валентній смузі, випускаючи різницю енергії (проміжок смуги) як випромінювану фотографію (рис. 1). Електрон і отвір рекомбіну, що призводить до випромінювання фотона. Цей процес відбувається у більшості напівпровідників, за помітними винятками, відомими як непрямі напівпровідники, такі як кремній або германій, де випромінювання фотонів безпосередньо не дозволено, що призводить до значної неефективності. Щоб виготовити напівпровідниковий світлодіод, важливо одночасно розташувати електрони в діапазоні провідності та отворам у валентному діапазоні в матеріалі. Тут допінг набуває значення. Внутрішній напівпровідник функціонує як ізолятор, оскільки електрони у валентній смузі залишаються нерухомими через відсутність наявних станів для електронного руху; Тим не менш, напівпровідники можна допувати двома чіткими манерами. Коли домішки включаються в кристал з додатковим електроном на атом, ці надлишкові електрони переходять до смуги провідності. Наприклад, заміщення деяких атомів GA атомами Si в кристалі GaAs призводить до допінгу N-типу, що характеризується наявністю електронів у смузі провідності. І навпаки, домішки, позбавлені електрона, можуть бути введені, що призводить до допінгу типу p, що характеризується існуванням отворів у валентній смузі. Важливим аспектом є те, що допанти складають атоми меншості всередині кристалічної структури: один допінг -атом серед мільйона стандартних атомів може значно підвищити електропровідність. Оволодіння рівнем допінгу є важливим для налаштування електричних характеристик напівпровідників. Ця експертиза, яка розпочалася в 40 -х та 1950 -х роках, спричинила оберти в мікроелектроніці та оптоелектроніці. Основна конфігурація викидів світла від напівпровідника передбачає інтеграцію N-типу (з електронами в діапазоні провідності) та типу P (з отворами, або відсутністю електронів у валентній смузі). При підданні електричному зміщенню, електронів та отворів, які проходять у протилежних напрямках-де ліворуч, що рухається в валентній смузі, відповідає правому, що рухається, на перехресті PN, що призводить до рекомбінації, що випромінює фотони (рис. 2). Після розуміння дослідницькою спільнотою необхідна дія стала очевидною: здатність синтезувати високоякісні кристали з точно контрольованим типом P та допінгом N-типу. Інавгураційний інфрачервоний світлодіод GAAS був виставлений у 1962 році, згодом наслідував початкові видимі світлодіоди, розроблені іншими командами. Н. Гоняк, дослідник General Electric, виступав за сплав Gaasp, що дозволяє йому продемонструвати вступний видимий напівпровідниковий діод. Важливо визнати Н. Гоняяка, який, серед іншого, значно просунув розуміння та контроль випромінювачів напівпровідників. У 1963 році Нік Голоаньяк передбачив у Дайджесті читача, що напівпровідникові світлодіоди врешті -решт витісняють усі лампочки для загальних застосувань освітлення, незважаючи на початкові напівпровідникові світлодіоди, що випромінюють дуже тьмяне світло та демонструють ефективність лише фракцій відсотків через якість нижчого матеріалу. Які критерії він використовував для створення цього прогнозування? Holonyak визнав, що лампочки розжарювання функціонують аналогічно випромінювачам чорного тіла, виробляючи спектральну криву, корельовану з температурою нитки; Зі збільшенням температури спектр випромінювання зміщується у напрямку до коротших довжин хвиль. Найефективніші лампочки розжарювання в основному випромінюють інфрачервоне світло, що неефективне для освітлення і натомість функціонує як джерело тепла. Перетворення електричної потужності на видиму оптичну потужність за своєю суттю обмежується приблизно 5%. У напівпровідникових світлодіодах фізика значно розходяться: майже 100% електричної потужності може бути перетворена на оптичну потужність, з добре регульованою довжиною хвилі випромінювання (особливо, проміжок пропуск визначає енергію і, отже, довжину хвилі випромінюваного фотона). Можна передбачити пристрій, оснащений світлодіодами, які випромінюють на кілька видимих довжин хвиль, кожен з яких демонструє високу (бажано одиницю) ефективність перетворення, отже, дозволяє викинути видиме біле світло (або будь -яке вибране комбінацію видимих кольорів) без теплових втрат (рис. 3). Це теоретично повинно функціонувати; Єдиним завданням є досягнення технологічної зрілості, необхідної для виготовлення надзвичайно ефективних світлодіодів на певних довжинах хвилі. Це починання, що займають напівпровідникові дослідники протягом наступних десятиліть і в кінцевому рахунку призвели до2014 Нобелівська премія.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd був створений у 2010 році. Це національний дизайн, що інтегрує високотехнологічне підприємство, науково-дослідні роботи, виробництво та продажі внутрішніх та зовнішніх освітлювальних продуктів, а також можуть робити OEM, ODM. Більш детально про наші пропозиції, будь ласка, зв'яжіться з нами за адресоюbwzm18@ledbenweilighting.com
