Как работает светодиод?
Несмотря на то, что светодиоды (LED) используются во многих аспектах современной жизни, таких как освещение домов, питание экранов смартфонов и регулирование дорожного движения, они отличаются от более традиционных технологий освещения, таких как лампы накаливания или люминесцентные лампы, из-за своей сложной полупроводниковой физики.светодиодыиспользовать процесс, известный как электролюминесценция, который представляет собой излучение фотонов (световых частиц), когда электрический ток протекает через специально изготовленный полупроводниковый материал. В этом отличие от ламп накаливания, которые производят свет за счет нагрева нити накала, или флуоресцентных ламп, в которых используется газ и УФ-излучение. Сначала мы должны изучить основы полупроводников, конструкцию светодиода и последовательную процедуру преобразования электричества в видимый свет, чтобы понять, как это происходит.
Основа: полосы энергии и полупроводники.
Каждый светодиод питается от полупроводника — вещества, которое проводит электричество хуже, чем проводники (например, медь), но лучше, чем изоляторы (например, стекло). Энергетические зоны электронов-области энергии, которые могут занимать электроны-существенны для особого поведения полупроводника. Электроны имеют разные энергетические уровни во всех материалах, но в твердых телах эти уровни объединяются, образуя две основные зоны: зону проводимости и валентную зону.
Атомы материала удерживаются вместе в кристаллической структуре электронами валентной зоны, которые прочно прикреплены к атомам. Электропроводность становится возможной благодаря электронам в зоне проводимости, которые могут свободно проходить через вещество. Между этими двумя зонами существует запрещенная зона — диапазон энергии, в котором электроны не могут обитать. Размер запрещенной зоны материала определяет, является ли он изолятором, проводником или полупроводником: полупроводники имеют небольшую, измеримую запрещенную зону (электроны могут пересекать зазор с небольшим подводом энергии, как электрический ток), проводники не имеют запрещенной зоны (электроны свободно перемещаются между зонами), а изоляторы имеют очень большие запрещенные зоны (что затрудняет переход электронов в зону проводимости).
Полупроводник, используемый в светодиодах, «легирован» — процедура, которая изменяет электрические характеристики материала путем добавления следовых количеств примесей. Полупроводники как n-типа, так и p-типа производятся путем легирования. Когда элементы с дополнительными электронами, такие как фосфор, легируются в полупроводники типа N-, они могут свободно перемещаться в зоне проводимости и придают материалу чистый отрицательный заряд. Элементы с меньшим количеством электронов, такие как бор, используются для легирования полупроводников типа P-. Это приводит к появлению «дыр» или отсутствию электронов в валентной зоне, которые действуют как положительные заряды и могут проходить сквозь материал по мере того, как электроны заполняют его. Светодиод функционирует благодаря p-n-переходу, который является пересечением этих двух легированных областей.
Структура светодиода: от светоотдачи до P-N-перехода
Простая, но точная конструкция светодиода максимизирует светоотдачу при одновременном снижении потерь энергии. Его p-n-переход расположен в тонком слое полупроводникового материала, обычно на основе галлия-, такого как арсенид галлия или нитрид галлия. Подложка, основной материал, который обеспечивает поддержку и способствует рассеиванию тепла, — это место, где прикрепляется этот полупроводниковый слой. Это важно, поскольку перегрев может сократить срок службы светодиода.
Один электрод прикреплен к области типа p- (анод, положительная клемма), а другой - к области типа n- (катод, отрицательная клемма) поверх полупроводникового слоя. Электрическое поле создается на p-n-переходе, когда на эти электроды подается напряжение (катод отрицательный, а анод положительный). Свободные электроны полупроводника n-типа подталкиваются этим полем к переходу, а дырки полупроводника p-типа тянутся в том же направлении.
Чтобы свет, генерируемый на p-n-переходе, мог уйти, слой полупроводника должен быть прозрачным или полу-прозрачным (или иметь отражающий слой на одной стороне). Современныйсветодиодыиспользовать такие материалы, как нитрид галлия (GaN), которые прозрачны для видимого света и гарантируют, что большинство фотонов достигают поверхности, в отличие от ранних светодиодов, в которых часто использовались непрозрачные полупроводниковые материалы, ограничивающие светоотдачу. В p-n-переходе полупроводника происходит основной процесс генерации света-, хотя некоторые светодиоды также имеют линзу или покрытие для фокусировки света или изменения его цвета.
Шаг 1. Использование электронно-дырочной рекомбинации и напряжения
Внешнее напряжение, подаваемое на электроды светодиода, инициирует процесс излучения света, создавая прямое смещение, которое является правильным направлением тока для светодиода.ВЕЛфункционировать; обратное смещение, с другой стороны, останавливает ток и не дает света. Свободные электроны из области типа n- ускоряются в область типа p-, а дырки из области типа p- ускоряются в область типа n- под действием электрического поля через p-n переход при приложении прямого смещения.
Эти электроны и дырки в конечном итоге собираются вместе на p-n-переходе или рядом с ним, поскольку они движутся в одном направлении. Свободный электрон из зоны проводимости области n-типа «падает» в дырку при столкновении с дыркой из валентной зоны области p-типа, переходя с более высокого энергетического состояния в зоне проводимости на более низкий энергетический уровень в валентной зоне. Во время этого перехода, известного как рекомбинация, электрон и дырка нейтрализуют друг друга, а лишняя энергия, которую они теряют, излучается в виде фотона.
Размер запрещенной зоны полупроводника напрямую влияет на энергию этого фотона, который придает свету его цвет. Фотон с более высокой энергией (и более короткой длиной волны, например, синий или фиолетовый свет) создается, когда электрон рекомбинирует с дыркой и теряет больше энергии из-за более широкой запрещенной зоны. Фотон с большей длиной волны, такой как красный или оранжевый свет, и меньшей энергией производится за счет меньшей запрещенной зоны.
Например:
Из-за узкой запрещенной зоны арсенид галлия (GaAs) излучает красный свет с длиной волны около 650 нм. Из-за более широкой запрещенной зоны нитрид галлия (GaN) излучает синий или фиолетовый свет с длиной волны около 450 нм.
Производители могут изменять ширину запрещенной зоны для производства светодиодов, генерирующих зеленый, желтый или даже белый свет, путем комбинирования различных полупроводниковых материалов (таких как нитрид галлия-индия или InGaN) (подробнее о белых светодиодах ниже).
Шаг 2: Эффективность и светоотдача
Некоторые фотоны, генерируемые в результате рекомбинации, поглощаются самим полупроводниковым материалом, а другие отражаются от электродов или p-n-перехода и выделяются в виде тепла. Не все эти фотоны покидаютВЕЛкак видимый свет. Разработчики светодиодов используют ряд стратегий для улучшения «отвода света» с целью оптимизации эффективности:
Прозрачные подложки: большая часть света улавливалась непрозрачными подложками (такими как германий), которые использовались в первых светодиодах. В современных светодиодах используются прозрачные подложки, такие как карбид кремния или сапфир, позволяющие фотонам достигать поверхности.
Текстурированные поверхности. Чтобы уменьшить количество света, отражающегося обратно в материал, на поверхности полупроводника часто гравируются мельчайшие узоры, такие как выпуклости или канавки. Изменяя угол, под которым свет падает на поверхность, увеличивается вероятность того, что он ускользнет, а не отразится обратно.
Отражающие слои: задняя часть полупроводника покрыта тонким отражающим слоем, часто состоящим из металла, такого как алюминий или серебро. Этот слой увеличивает количество света, выходящего из светодиода, отражая фотоны, которые в противном случае были бы потеряны через подложку, обратно к передней части светодиода.
Несмотря на эти достижения, некоторая часть энергии все же теряется в виде тепла, хотя и гораздо меньше, чем при использовании ламп накаливания. Только 10–25% энергии теряется в виде тепла у светодиодов, при этом 75–90% энергии преобразуется в свет по сравнению с 90–95% у ламп накаливания. Благодаря своей превосходной эффективности светодиоды потребляют намного меньше энергии, чем обычные лампы.
Как работают белые светодиоды: уникальная ситуация
Большинство светодиодов излучают только один цвет или монохроматический свет, но белые светодиоды, которые используются в фарах, телевизорах и домашнем освещении, нуждаются в другой стратегии, поскольку не существует полупроводникового материала с запрещенной зоной, который непосредственно создает белый свет. Скорее, белые светодиоды используют один из двух основных методов:
Превращение фосфора: СинийВЕЛ(из нитрида галлия), покрытый желтым люминофором-веществом, которое поглощает свет одной длины волны и излучает свет другой-используется в наиболее популярной технике. Люминофор поглощает часть синих фотонов, излучаемых синим светодиодом, и повторно-излучает желтые фотоны. Наши глаза интерпретируют оставшиеся синие фотоны как белый свет, когда они соединяются с желтыми фотонами. Производители добавляют в покрытие незначительное количество красного или зеленого люминофора, чтобы изменить цветовую температуру или «теплоту» или «прохладу» белого света. Например, добавление дополнительного синего света дает холодный белый свет (5000–6500 К), тогда как добавление красного люминофора дает теплый белый свет (2700–3000 К).
Смешивание RGB. Этот менее популярный метод объединяет три разных светодиода-красный, зеленый и синий-в один корпус. Три цвета объединяются для создания белого света (или любого другого оттенка видимого спектра) за счет изменения яркости каждого светодиода. Хотя этот метод более дорогостоящий, чем преобразование люминофора, он используется в ситуациях, требующих точного управления цветом, например, при сценическом освещении или-высококлассных дисплеях.
Различия между светодиодами и обычным освещением
Зная, как работают светодиоды, легче понять, почему они работают лучше, чем люминесцентные лампы и лампы накаливания почти в каждой категории:
Энергоэффективность: в светодиодах используется электролюминесценция, которая, естественно, эффективна; в отличие от ламп накаливания, которые тратят энергию на нагрев нити, флуоресцентные лампы не тратят энергию на производство УФ-излучения.
Длительный срок службы: светодиоды не перегорают легко, поскольку в них нет движущихся частей или тонких нитей. В отличие от ламп накаливания, срок службы которых составляет 1 000–2 000 часов, срок службы светодиодов составляет 50 000–100 000 часов из-за чрезвычайно постепенной деградации полупроводникового материала с течением времени.
Мгновенное включение/выключение. В отличие от люминесцентных ламп, которым требуется несколько секунд для полного свечения, светодиоды не требуют времени на разогрев-и мгновенно активируются на полную яркость.
Долговечность: Потому чтосветодиодыпредставляют собой полупроводниковую-электронику, они выдерживают удары, вибрацию и высокие температуры, что делает их идеальными для применения на открытом воздухе или в суровых условиях (например, в автомобилях или на заводах).
Будущее светодиодных технологий
Новые разработки увеличивают потенциал светодиодной технологии, поскольку исследователи и инженеры продолжают ее совершенствовать. Например:
QLED или светодиоды с квантовыми точками: они улучшают яркость и точность цветопередачи за счет использования квантовых точек, которые представляют собой небольшие полупроводниковые частицы. Исследователи пытаются сделать QLED более энергоэффективными-для общего освещения, и в настоящее время они используются в-телевизорах высокого класса.
Микросветодиоды. Эти невероятно крошечные светодиоды (диаметр которых составляет всего несколько микрометров) можно сгруппировать в плотные массивы для создания гибкого освещения или создания экранов с высоким-разрешением. Ожидается, что в будущих смартфонах и телевизорах будут использоваться микро-светодиоды вместо OLED из-за их более длительного срока службы и лучшей производительности.
Перовскитные светодиоды. По сравнению с обычными материалами на основе галлия-перовскит – это новый вид полупроводникового материала, производство которого обходится дешевле. Исследователи пытаются повысить стабильность перовскитных светодиодов для коммерческого использования, поскольку они продемонстрировали многообещающую способность обеспечивать яркий и эффективный свет.
В заключение
светодиоды — это очень простые устройства, изготовленные из легированного полупроводника с ap-n-переходом, которые используют рекомбинацию электронов-дырок для преобразования электрической энергии в свет. Они относятся к числу наиболее эффективных и адаптируемых технологий освещения, когда-либо разработанных, но за их простотой скрывается сложность их конструкции, которая включает в себя все: от разработки светоотвода до точного регулирования ширины запрещенной зоны. Знание того, как работают светодиоды, позволяет нам понять как сложную науку, лежащую в их основе, так и их полезные преимущества (более длительный срок службы, более низкие затраты на электроэнергию). По мере дальнейшего развития светодиодной технологии она, вероятно, будет способствовать еще большему снижению глобального потребления энергии, остановке изменения климата и влиянию на дизайн освещения в будущем,-демонстрируя, что иногда самые значительные прорывы происходят из самых фундаментальных научных принципов.
Шэньчжэнь Benwei Lighting Technology Co., Ltd.
Телефон: +86 0755 27186329
Мобильный(+86)18673599565
Вацап: 19113306783.
Электронная почта:bwzm15@benweilighting.com
Скайп:benweilight88
Интернет:www.benweilight.com
