Miten LED toimii?
Vaikka valodiodeja (LED) käytetään monilla nykyajan elämän osa-alueilla, kuten kotien valaistuksessa, älypuhelinten näyttöjen virran kytkemisessä ja liikenteen ohjaamisessa, ne eroavat tavanomaisista valaistustekniikoista, kuten hehku- tai loistelamppuista, kehittyneen puolijohdefysiikkansa vuoksi.LEDitkäyttää prosessia, joka tunnetaan nimellä elektroluminesenssi, joka on fotonien (valohiukkasten) emission, kun sähkövirta kulkee erityisesti valmistetun puolijohdemateriaalin läpi. Tämä on toisin kuin hehkulamput, jotka tuottavat valoa lämmittämällä filamenttia, tai fluoresoivia lamppuja, jotka käyttävät kaasua ja UV-säteilyä. Meidän on ensin tutkittava puolijohteiden perusteita, LEDin suunnittelua ja peräkkäistä menettelyä, joka muuntaa sähkön näkyväksi valoksi ymmärtääksemme, kuinka tämä tapahtuu.
Pohja: Energianauhat ja puolijohteet
Jokainen LED saa virtansa puolijohteesta, aineesta, joka johtaa sähköä huonommin kuin johtimet (kuten kupari) mutta paremmin kuin eristeet (kuten lasi). Elektronien energiakaistat-energia-alueet, joita elektronit voivat miehittää-, ovat välttämättömiä puolijohteiden ominaiselle käytökselle. Elektroneilla on erilliset energiatasot kaikissa materiaaleissa, mutta kiinteissä aineissa nämä tasot muodostavat kaksi pääkaistaa: johtavuuskaistan ja valenssikaistan.
Materiaalin atomit pitävät yhdessä kiteisessä rakenteessa valenssikaistan elektronit, jotka ovat kiinteästi kiinnittyneet atomeihin. Sähkönjohtavuuden mahdollistavat johtavuuskaistalla olevat elektronit, jotka voivat virrata vapaasti aineen läpi. Kaistaväli, energia-alue, jota elektronit eivät voi asua, on näiden kahden kaistan välillä. Materiaalin kaistavälin koko määrittää, onko kyseessä eriste, johdin vai puolijohde: puolijohteilla on pieni, mitattavissa oleva kaistaväli (elektronit voivat ylittää raon pienellä energiansyötöllä, kuten sähkövirta), johtimissa ei ole kaistaväliä (elektronit liikkuvat vapaasti kaistan välillä) ja eristimillä on erittäin suuria kaistansiirtoja bändi).
Ledissä käytetty puolijohde on "seostettu", mikä on menetelmä, joka muuttaa materiaalin sähköisiä ominaisuuksia lisäämällä pieniä määriä epäpuhtauksia. Sekä n-- että p--tyypin puolijohteet valmistetaan dopingilla. Kun elementtejä, joissa on lisäelektroneja, kuten fosforia, seostetaan N--tyypin puolijohteisiin, ne vapautuvat liikkumaan johtavuuskaistalla ja antavat materiaalille negatiivisen nettovarauksen. Alkuaineita, joissa on vähemmän elektroneja, kuten booria, käytetään P--tyyppisten puolijohteiden liimaamiseen. Tämä johtaa "reikiin" tai puuttuviin elektroneihin valenssikaistalta, jotka toimivat positiivisina varauksina ja voivat kulkea materiaalin läpi elektronien täyttäessä ne. LED toimii p-n-liitoksen ansiosta, joka on näiden kahden seostetun alueen leikkauspiste.
LEDin rakenne: valotehosta P-N-risteykseen
LEDin suoraviivainen mutta tarkka muotoilu maksimoi valotehon ja vähentää samalla energiahävikkiä. Sen p-n-liitos sijaitsee ohuessa kerroksessa puolijohdemateriaalia, joka on tyypillisesti gallium-pohjaista, kuten galliumarsenidissa tai galliumnitridissä. Tämä puolijohdekerros kiinnitetään alustalle, joka tarjoaa tukea ja auttaa lämmönpoistossa. Tämä on tärkeää, koska ylikuumeneminen voi lyhentää LEDin käyttöikää.
Yksi elektrodi on kiinnitetty p--tyypin alueelle (anodi, positiivinen napa) ja toinen n--tyypin alueelle (katodi, negatiivinen napa) puolijohdekerroksen päällä. Sähkökenttä syntyy p-n-liitoksen yli, kun näiden elektrodien yli syötetään jännite (katodi on negatiivinen ja anodi positiivinen). Tämä kenttä työntää n--tyypin puolijohteen vapaat elektronit kohti liitoskohtaa, kun taas p--tyypin puolijohteen reiät piirretään samaan suuntaan.
Jotta p-n-liitoksessa syntyvä valo pääsee karkaamaan, puolijohdekerroksen on oltava läpinäkyvä tai puoli{1}}läpinäkyvä (tai sen toisella puolella on heijastava kerros). ModerniLEDitkäyttää materiaaleja, kuten galliumnitridiä (GaN), jotka ovat läpinäkyviä näkyvälle valolle ja takaavat, että suurin osa fotoneista saavuttaa pinnan, toisin kuin varhaiset LEDit, joissa käytettiin usein läpinäkymättömiä puolijohdemateriaaleja, jotka rajoittivat valontuottoa. Puolijohteen p-n-liitoksessa tapahtuu ensisijainen valon-tuottoprosessi, vaikka joissakin LEDeissä on myös linssi tai pinnoite valon tarkentamiseksi tai sen värin vaihtamiseksi.
Vaihe 1: Electron-recombination ja Voltagen käyttäminen
LED-elektrodeille annettu ulkoinen jännite käynnistää valon emissioprosessin muodostamalla eteenpäin biasin, joka on oikea virran suuntaLEDtoimia; käänteinen bias puolestaan katkaisee virran eikä tuota valoa. Vapaat elektronit n--tyypin alueelta kiihdytetään p--tyypin alueelle ja p--tyypin alueen reiät n--tyypin alueelle sähkökentän vaikutuksesta p-n-liitoksen poikki, kun eteenpäinsuuntaista esijännitettä käytetään.
Nämä elektronit ja reiät kohtaavat lopulta p-n-liitoksessa tai sen lähellä, kun ne kulkevat samaan suuntaan. Vapaa elektroni n--tyypin alueen johtavuuskaistalta "putoaa" reikään, kun se törmää p--tyypin alueen valenssikaistan reikään, muuttuen johtavuuskaistan korkeammasta energiatasosta valenssikaistan alhaisempaan energiatasoon. Elektroni ja reikä kumoavat toisensa tämän siirtymän aikana, joka tunnetaan nimellä rekombinaatio, ja niiden menettämä ylimääräinen energia säteilee fotonina.
Puolijohteen kaistavälin koko vaikuttaa suoraan tämän fotonin energiaan, joka antaa valolle sen värin. Suuremman energian (ja lyhyemmän aallonpituuden, kuten sinisen tai violetin valon) omaava fotoni syntyy, kun elektroni yhdistyy reiän kanssa ja menettää enemmän energiaa leveämmän kaistavälin vuoksi. Fotoni, jolla on pidempi aallonpituus, kuten punainen tai oranssi valo, ja vähemmän energiaa, syntyy pienemmällä kaistavälillä.
Esimerkiksi:
Galliumarsenidi (GaAs) lähettää kapean kaistavälinsä ansiosta punaista valoa, jonka aallonpituus on noin 650 nm. Laajemman kaistavälinsä vuoksi galliumnitridi (GaN) lähettää sinistä tai violettia valoa, jonka aallonpituus on noin 450 nm.
Valmistajat voivat muokata kaistaväliä tuottaakseen LEDejä, jotka tuottavat vihreää, keltaista tai jopa valkoista valoa yhdistämällä erilaisia puolijohdemateriaaleja (kuten gallium-indiumnitridi tai InGaN) (lisätietoja valkoisista LED-valoista alla).
Vaihe 2: Tehokkuus ja valonpoisto
Osa rekombinaatiossa syntyvistä fotoneista absorboituu itse puolijohdemateriaaliin, kun taas osa heijastuu elektrodeista tai p-n-liitoksesta ja vapautuu lämpönä. Kaikki nämä fotonit eivät poistuLEDnäkyvänä valona. LED-suunnittelijat käyttävät useita strategioita parantaakseen "valonpoistoa" tehokkuuden optimoimiseksi:
Läpinäkyvät alustat: Suurin osa valosta vangittiin läpikuultamattomiin substraatteihin (kuten germaniumiin), joita käytettiin varhaisissa LED-valoissa. Läpinäkyviä substraatteja, kuten piikarbidia tai safiiria, käytetään nykyaikaisissa LED-valoissa, jotta fotonit pääsevät pintaan.
Teksturoidut pinnat: Materiaaliin takaisin heijastuneen valon määrän vähentämiseksi puolijohteen pintaan syövytetään usein pieniä kuvioita, kuten kohoumia tai uria. Muuttamalla kulmaa, jossa valo osuu pintaan, tämä lisää todennäköisyyttä, että se poistuu sen sijaan, että se pomppaa takaisin.
Heijastavat kerrokset: Puolijohteen takaosa on peitetty ohuella heijastuskerroksella, joka koostuu usein metallista, kuten alumiinista tai hopeasta. Tämä kerros lisää LEDistä lähtevän valon määrää heijastamalla fotoneja, jotka muuten häviäisivät substraatin läpi takaisin LEDin etuosaa kohti.
Vaikka paljon vähemmän kuin hehkulamppujen käytettäessä, osa energiasta menetetään silti lämpönä näistä edistysaskeleista huolimatta. Vain 10–25 % energiasta häviää lämmönä LED-valoissa, ja 75–90 % energiasta muuttuu valoksi, kun taas hehkulampuissa 90–95 %. Erinomaisen tehokkuutensa ansiosta LEDit kuluttavat paljon vähemmän energiaa kuin perinteiset valot.
Kuinka valkoiset LEDit toimivat: ainutlaatuinen tilanne
Suurin osa LED-valoista säteilee vain yhtä väriä eli yksiväristä valoa, mutta ajovaloissa, televisioissa ja kodin valaistuksessa käytettävät valkoiset LEDit tarvitsevat toisenlaisen strategian, koska siellä ei ole puolijohdemateriaalia, jonka kaistaväli olisi suoraan luova valkoista valoa. Sen sijaan valkoiset LEDit käyttävät yhtä kahdesta ensisijaisesta tekniikasta:
Fosforin muuntaminen: SininenLED(valmistettu galliumnitridistä) päällystetty keltaisella fosforilla-suosituimmassa tekniikassa käytetään ainetta, joka absorboi yhden aallonpituuden valoa ja emittoi toisen aallonpituuden valoa. Loisteaine absorboi osan sinisen LEDin lähettämistä sinisistä fotoneista ja lähettää uudelleen-keltaisia fotoneja. Silmämme tulkitsevat jäljelle jääneet siniset fotonit valkoiseksi valoksi, kun ne yhdistyvät keltaisten fotonien kanssa. Valmistajat lisäävät pinnoitteeseen pieniä määriä punaista tai vihreää loisteainetta muuttaakseen valkoisen valon värilämpötilaa tai "lämpöä" tai "viileyttä". Esimerkiksi lisäämällä sinistä valoa saadaan kylmää valkoista valoa (5 000 K–6 500 K), kun taas punaisen loisteaineen lisääminen tuottaa lämmintä valkoista valoa (2 700 K–3 000 K).
RGB-sekoitus: Tämä vähemmän suosittu tekniikka yhdistää kolme erilaista LED-valoa-punaisen, vihreän ja sinisen-yhdeksi paketiksi. Kolme väriä muodostavat yhdessä valkoisen valon (tai minkä tahansa muun näkyvän spektrin sävyn) vaihtelemalla kunkin LEDin kirkkautta. Vaikka tämä tekniikka on kalliimpi kuin loisteainemuunnos, sitä käytetään tilanteissa, joissa vaaditaan tarkkaa värinhallintaa, kuten näyttämön valaistus tai huippuluokan näytöt.
LEDien ja perinteisen valaistuksen erot
Kun tiedät kuinka LEDit toimivat, on helpompi nähdä, miksi ne toimivat paremmin kuin loiste- ja hehkulamput lähes kaikissa luokissa:
Energiatehokkuus: LEDit käyttävät elektroluminesenssia, joka on luonnollisesti tehokasta; Toisin kuin hehkulamput, jotka kuluttavat energiaa hehkulangan lämmittämiseen, loistelamput eivät tuhlaa energiaa tuottaen UV-säteilyä.
Pitkä käyttöikä: LEDit eivät pala helposti, koska niissä ei ole liikkuvia osia tai herkkiä filamentteja. Toisin kuin hehkulamppujen, joiden käyttöikä on 1 000–2 000 tuntia, LEDien käyttöikä on 50 000–100 000 tuntia puolijohdemateriaalin erittäin asteittaisen hajoamisen vuoksi.
Välitön päälle/pois: Toisin kuin loisteputket, joiden täydellinen syttyminen vie muutaman sekunnin, LEDeillä ei ole lämpenemisaikaa-ja ne aktivoituvat täyteen kirkkauteen välittömästi.
Kestävyys: KoskaLEDitovat solid-state-elektroniikkaa, ne kestävät iskuja, tärinää ja korkeita lämpötiloja, mikä tekee niistä täydelliset ulkokäyttöön tai vaativiin olosuhteisiin (kuten autoihin tai tehtaisiin).
LED-tekniikan tulevaisuus
Uudet kehityssuunnat lisäävät LED-teknologian mahdollisuuksia, kun tutkijat ja insinöörit parantavat sitä jatkuvasti. Esimerkiksi:
QLED:t tai kvanttipiste-LEDit: Nämä parantavat kirkkautta ja värien tarkkuutta käyttämällä kvanttipisteitä, jotka ovat pieniä puolijohdehiukkasia. Tutkijat yrittävät tehdä QLEDistä energiatehokkaampia-yleisvalaistukseen, ja niitä löytyy tällä hetkellä huippuluokan televisioista.
Mikro-LEDit: Nämä uskomattoman pienet LEDit, jotka ovat halkaisijaltaan vain muutaman mikrometrin, voidaan ryhmitellä tiheisiin ryhmiin joustavan valaistuksen tai korkean{0}}resoluution näyttöjen tuottamiseksi. Tulevien älypuhelimien ja televisioiden odotetaan käyttävän mikro-LEDiä OLED-valojen sijaan niiden pidemmän käyttöiän ja paremman tehon vuoksi.
Perovskiitti-LEDit: Verrattuna perinteisiin gallium{0}}pohjaisiin materiaaleihin, perovskiitti on uudenlainen puolijohdemateriaali, jonka valmistus on halvempaa. Tutkijat yrittävät lisätä perovskiitti-LED-valojen vakautta kaupalliseen käyttöön, koska ne ovat osoittaneet lupaavia tuottamiseen kirkasta ja tehokasta valoa.
Lopuksi
LEDitovat hyvin yksinkertaisia laitteita, jotka on valmistettu seostetusta puolijohteesta, jossa on ap{0}}n-liitos ja joka käyttää elektronin-reiän rekombinaatiota sähköenergian muuntamiseen valoksi. Ne ovat tehokkaimpia ja mukautuvimpia koskaan kehitettyjä valaistustekniikoita, mutta niiden yksinkertaisuus piilottaa niiden rakenteen monimutkaisuuden, joka sisältää kaiken valonpoiston suunnittelusta kaistavälin tarkkaan säätöön. Kun tiedämme, miten LEDit toimivat, voimme ymmärtää sekä niitä tukevan kehittyneen tieteen että niiden hyödylliset edut (pidempi käyttöikä, halvemmat energiakustannukset). LED-teknologian kehittyessä se todennäköisesti vähentää entistä enemmän maailmanlaajuista energiankäyttöä, pysäyttää ilmastonmuutoksen ja vaikuttaa valaistussuunnitteluun tulevaisuudessa-osoittaa, että joskus merkittävimmät läpimurrot tulevat kaikkein perustavimmista tieteellisistä periaatteista.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd
Puhelin: +86 0755 27186329
Mobiili (+86)18673599565
Whatsapp: 19113306783
Sähköposti:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
Verkko:www.benweilight.com
