Ako funguje LED?
Napriek tomu, že sa používajú v mnohých aspektoch moderného života, ako je osvetlenie našich domovov, napájanie obrazoviek smartfónov a usmerňovanie premávky, svetelné-diódy (LED) sa líšia od konvenčnejších technológií osvetlenia, ako sú žiarovky alebo žiarivky, vďaka svojej sofistikovanej fyzike polovodičov.LED diódypoužívajú proces známy ako elektroluminiscencia, čo je emisia fotónov (častíc svetla), keď elektrický prúd preteká cez špeciálne vyrobený polovodičový materiál. To je na rozdiel od žiaroviek, ktoré produkujú svetlo zahrievaním vlákna, alebo žiariviek, ktoré využívajú plyn a UV žiarenie. Najprv musíme preskúmať základy polovodičov, dizajn LED a sekvenčný postup, ktorý premieňa elektrinu na viditeľné svetlo, aby sme pochopili, ako k tomu dochádza.
Základ: Pásma energie a polovodičov
Každá LED je napájaná polovodičom, látkou, ktorá vedie elektrinu horšie ako vodiče (ako meď), ale lepšie ako izolátory (ako sklo). Energetické pásy elektrónov-oblasti energie, ktoré môžu elektróny obsadiť-, sú nevyhnutné pre charakteristické správanie polovodiča. Elektróny majú odlišné energetické úrovne vo všetkých materiáloch, ale v pevných látkach sa tieto úrovne spájajú a vytvárajú dva hlavné pásy: vodivý pás a valenčný pás.
Atómy materiálu sú držané pohromade v kryštalickej štruktúre elektrónmi vo valenčnom páse, ktoré sú pevne spojené s atómami. Elektrickú vodivosť umožňujú elektróny vo vodivom pásme, ktoré voľne prúdia látkou. Medzi týmito dvoma pásmami existuje pásmová medzera, rozsah energie, ktorý elektróny nemôžu obývať. Veľkosť zakázaného pásma materiálu určuje, či ide o izolátor, vodič alebo polovodič: polovodiče majú malý, merateľný pásový rozdiel (elektróny môžu prekročiť medzeru s malým príkonom energie, ako napríklad elektrický prúd), vodiče nemajú zakázané pásmo (elektróny sa voľne pohybujú medzi pásmami) a izolátory majú veľmi veľké pásové medzery (čo sťažuje preskakovanie elektrického pásma).
Polovodič používaný v LED diódach je „dopovaný“, čo je postup, ktorý upravuje elektrické charakteristiky materiálu pridaním stopových množstiev nečistôt. Polovodiče n-typu aj p{2}}typu sa vyrábajú dopingom. Keď sú prvky s ďalšími elektrónmi, ako je fosfor, dopované do polovodičov typu N-, môžu sa voľne pohybovať vo vodivom pásme a dávajú materiálu čistý záporný náboj. Prvky s menším počtom elektrónov, ako je bór, sa používajú na dotovanie polovodičov typu P-. To má za následok „diery“ alebo chýbajúce elektróny vo valenčnom pásme, ktoré fungujú ako kladné náboje a môžu prechádzať materiálom, keď ich elektróny napĺňajú. LED funguje vďaka p-n križovatke, ktorá je priesečníkom týchto dvoch dopovaných oblastí.
Štruktúra LED: Od svetelného výkonu po P-N križovatku
Priamy, ale presný dizajn LED maximalizuje svetelný výkon a zároveň znižuje energetické straty. Jeho p-prechod je umiestnený v tenkej vrstve polovodičového materiálu, typicky na báze gália,{2}}ako je arzenid gália alebo nitrid gália. Substrát, základný materiál, ktorý poskytuje podporu a pomáha pri rozptyle tepla, je miesto, kde je táto polovodičová vrstva pripevnená. Je to dôležité, pretože prehriatie môže skrátiť životnosť LED.
Jedna elektróda je pripojená k oblasti typu p - (anóda, kladný pól) a druhá k oblasti typu n - (katóda, záporný pól) na vrchu polovodičovej vrstvy. Elektrické pole sa vytvára cez p-n prechod, keď je cez tieto elektródy privedené napätie (katóda je záporná a anóda je kladná). Voľné elektróny polovodiča typu n- sú týmto poľom tlačené smerom k spoju, zatiaľ čo diery polovodiča typu p- sú nakreslené rovnakým smerom.
Aby mohlo svetlo generované na p-n prechode uniknúť, polovodičová vrstva musí byť priehľadná alebo polo{1}}priehľadná (alebo musí mať na jednej strane reflexnú vrstvu). ModernéLED diódypoužívajú materiály ako nitrid gália (GaN), ktoré sú transparentné pre viditeľné svetlo a zaručujú, že väčšina fotónov dosiahne povrch, na rozdiel od skorých LED, ktoré často používali nepriehľadné polovodičové materiály, ktoré obmedzovali svetelný výkon. P-n prechod polovodiča je miestom, kde dochádza k procesu tvorby primárneho svetla-, hoci niektoré LED diódy majú aj šošovku alebo povlak na zaostrenie svetla alebo zmenu jeho farby.
Krok 1: Použitie elektrónovej-rekombinácie dier a napätia
Externé napätie privedené na elektródy LED iniciuje proces vyžarovania svetla vytvorením predpätia, čo je správny smer toku prúdu preLEDfungovať; spätné predpätie na druhej strane zastaví prúd a neprodukuje žiadne svetlo. Voľné elektróny z oblasti typu n- sú urýchlené do oblasti typu p- a diery z oblasti typu p- sú urýchlené do oblasti typu n- elektrickým poľom cez p-n prechod, keď sa použije predpätie.
Tieto elektróny a diery sa nakoniec spoja v mieste p-n prechodu alebo blízko neho, keď sa pohybujú rovnakým smerom. Voľný elektrón z vodivého pásma oblasti typu n- „spadne“ do otvoru, keď sa zrazí s otvorom z valenčného pásma oblasti typu p-, pričom sa zmení z vyššieho energetického stavu vo vodivom pásme na nižšiu energetickú hladinu vo valenčnom pásme. Elektrón a diera sa počas tohto prechodu, ktorý je známy ako rekombinácia, navzájom rušia a dodatočná energia, ktorú stratia, je emitovaná ako fotón.
Veľkosť zakázaného pásma polovodiča priamo ovplyvňuje energiu tohto fotónu, ktorý dáva svetlu jeho farbu. Fotón s vyššou energiou (a kratšou vlnovou dĺžkou, ako je modré alebo fialové svetlo) sa vytvorí, keď sa elektrón rekombinuje s dierou a stratí viac energie v dôsledku širšej medzery v pásme. Fotón s väčšou vlnovou dĺžkou, ako je červené alebo oranžové svetlo, a menej energie je produkovaný menšou medzerou v pásme.
Napríklad:
Vzhľadom na svoju úzku zakázanú oblasť, arzenid gália (GaAs) vyžaruje červené svetlo s vlnovou dĺžkou približne 650 nm. Kvôli širšej šírke zakázaného pásma vyžaruje nitrid gália (GaN) modré alebo fialové svetlo s vlnovou dĺžkou približne 450 nm.
Výrobcovia môžu upraviť medzeru v pásme tak, aby vyrábali LED diódy, ktoré generujú zelené, žlté alebo dokonca biele svetlo kombináciou rôznych polovodičových materiálov (ako je nitrid gália a india alebo InGaN) (viac o bielych LED nižšie).
Krok 2: Účinnosť a extrakcia svetla
Niektoré z fotónov generovaných rekombináciou sú absorbované samotným polovodičovým materiálom, zatiaľ čo iné sa odrážajú od elektród alebo p-n prechodu a uvoľňujú sa ako teplo. Nie všetky tieto fotóny opúšťajúLEDako viditeľné svetlo. Dizajnéri LED využívajú množstvo stratégií na zlepšenie „extrakcie svetla“ s cieľom optimalizovať účinnosť:
Transparentné substráty: Väčšina svetla bola zachytená nepriehľadnými substrátmi (ako je germánium) používanými v skorých LED diódach. V moderných LED diódach sa používajú priehľadné substráty, ako je karbid kremíka alebo zafír, aby sa fotóny dostali na povrch.
Textúrované povrchy: Na zníženie množstva svetla odrazeného späť do materiálu je povrch polovodiča často vyleptaný drobnými vzormi, ako sú hrbolčeky alebo drážky. Zmenou uhla, pod ktorým svetlo dopadá na povrch, sa tým zvyšuje pravdepodobnosť, že skôr unikne ako sa odrazí.
Reflexné vrstvy: Zadná strana polovodiča je pokrytá tenkou vrstvou odrazu, často zloženou z kovu, ako je hliník alebo striebro. Táto vrstva zvyšuje množstvo svetla, ktoré opúšťa LED tým, že odráža fotóny, ktoré by sa inak stratili cez substrát späť smerom k prednej časti LED.
Aj keď je to oveľa menej ako pri žiarovkách, určitá energia sa napriek týmto pokrokom stále stráca vo forme tepla. Len 10 – 25 % energie sa stratí ako teplo v LED diódach, pričom 75 – 90 % energie sa premení na svetlo, v porovnaní s 90 – 95 % v žiarovkách. Vďaka svojej vynikajúcej účinnosti spotrebujú LED diódy oveľa menej energie ako bežné svetlá.
Ako fungujú biele LED diódy: Jedinečná situácia
Väčšina LED diód vyžaruje iba jednofarebné alebo monochromatické svetlo, ale biele LED diódy, ktoré sa používajú v svetlometoch, televízoroch a domácom osvetlení, potrebujú inú stratégiu, pretože neexistuje polovodičový materiál s zakázaným pásmom, ktorý priamo vytvára biele svetlo. Biele LED diódy skôr využívajú jednu z dvoch základných techník:
Konverzia fosforu: modráLED(vyrobené z nitridu gália) pokrytého žltým fosforom-látka, ktorá absorbuje svetlo jednej vlnovej dĺžky a vyžaruje svetlo inej,-sa používa v najpopulárnejšej technike. Fosfor absorbuje časť modrých fotónov vyžarovaných modrou LED a vyžaruje žlté fotóny. Naše oči interpretujú zvyšné modré fotóny ako biele svetlo, keď sa spoja so žltými fotónmi. Výrobcovia pridávajú do povlaku stopové množstvá červeného alebo zeleného fosforu, aby zmenili teplotu farby alebo „teplo“ alebo „chlad“ bieleho svetla. Napríklad pridanie dodatočného modrého svetla vytvára studené biele svetlo (5 000 K – 6 500 K), zatiaľ čo pridanie červeného fosforu vytvára teplé biele svetlo (2 700 K – 3 000 K).
Miešanie RGB: Táto menej populárna technika kombinuje tri rôzne LED diódy-červenej, zelenej a modrej-do jedného balenia. Tieto tri farby sa kombinujú a vytvárajú biele svetlo (alebo akýkoľvek iný odtieň viditeľného spektra) zmenou jasu každej LED. Hoci je táto technika nákladnejšia ako konverzia fosforu, používa sa v situáciách, ktoré vyžadujú presnú správu farieb, ako je napríklad osvetlenie javiska alebo špičkové-displeje.
Rozdiely medzi LED a konvenčným osvetlením
Keď viete, ako LED diódy fungujú, ľahšie pochopíte, prečo fungujú lepšie ako žiarivky a žiarovky v takmer každej kategórii:
Energetická účinnosť: LED diódy využívajú elektroluminiscenciu, ktorá je prirodzene účinná; na rozdiel od žiaroviek, ktoré spotrebujú energiu na zahrievanie vlákna, žiarivky neplytvajú energiou na tvorbu UV žiarenia.
Dlhá životnosť: LED diódy nevyhoria ľahko, pretože nemajú žiadne pohyblivé časti alebo jemné vlákna. Na rozdiel od žiaroviek, ktoré majú životnosť 1 000 – 2 000 hodín, LED diódy majú životnosť 50 000 – 100 000 hodín v dôsledku extrémne postupnej degradácie polovodičového materiálu v priebehu času.
Okamžité zapnutie/vypnutie: Na rozdiel od žiariviek, ktoré potrebujú na úplné rozsvietenie niekoľko sekúnd, LED diódy nemajú čas zahriatia-a okamžite sa aktivujú na plný jas.
Trvanlivosť: PretožeLED diódysú polovodičové{0}}elektroniky, dokážu odolať nárazom, vibráciám a vysokým teplotám, vďaka čomu sú ideálne pre vonkajšie aplikácie alebo drsné prostredia (ako sú automobily alebo továrne).
Budúcnosť LED technológie
Nový vývoj zvyšuje potenciál technológie LED, pretože výskumníci a inžinieri ju neustále zlepšujú. Napríklad:
QLED alebo kvantové bodkové LED: Tieto zlepšujú jas a presnosť farieb pomocou kvantových bodov, čo sú malé polovodičové častice. Výskumníci sa snažia, aby boli QLED energeticky-účinnejšie pre všeobecné osvetlenie a v súčasnosti sa nachádzajú v televízoroch vyššej kategórie-.
Mikro LED: Tieto neuveriteľne malé LED diódy, ktorých priemer je len niekoľko mikrometrov, je možné zoskupiť do hustých polí, aby vytvorili flexibilné osvetlenie alebo obrazovky s vysokým-rozlíšením. Očakáva sa, že budúce smartfóny a televízory budú používať mikro LED namiesto OLED kvôli ich dlhšej životnosti a lepšiemu výkonu.
Perovskit LED: V porovnaní s konvenčnými materiálmi na báze gália- je perovskit novým druhom polovodičového materiálu, ktorého výroba je lacnejšia. Výskumníci sa snažia zvýšiť stabilitu perovskitových LED na komerčné použitie, pretože preukázali sľub pri poskytovaní jasného a efektívneho svetla.
Na záver
LED diódysú veľmi jednoduché zariadenia vyrobené z dopovaného polovodiča s a{0}}priechodom, ktorý využíva rekombináciu elektrónových -dier na transformáciu elektrickej energie na svetlo. Patria medzi najefektívnejšie a najprispôsobivejšie osvetľovacie technológie, aké boli kedy vyvinuté, ale za ich jednoduchosťou sa skrýva zložitosť ich konštrukcie, ktorá zahŕňa všetko od inžinierstva extrakcie svetla až po presnú reguláciu zakázaného pásma. Vedieť, ako LED diódy fungujú, nám umožňuje pochopiť sofistikovanú vedu, ktorá ich podporuje, ako aj ich užitočné výhody (dlhšia životnosť, lacnejšie náklady na energiu). Ako sa technológia LED ďalej vyvíja, pravdepodobne ešte viac prispeje k zníženiu globálnej spotreby energie, zastaveniu klimatických zmien a ovplyvňovaniu dizajnu osvetlenia v budúcnosti-, čo dokazuje, že niekedy najvýznamnejšie prelomy pochádzajú z najzákladnejších vedeckých princípov.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd
Telefón: +86 0755 27186329
Mobil (+86)18673599565
Whatsapp: 19113306783
Email:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
Web:www.benweilight.com
