Cum funcționează un LED?
În ciuda faptului că sunt utilizate în multe aspecte ale vieții moderne, cum ar fi iluminarea caselor noastre, alimentarea ecranelor smartphone-urilor și direcționarea traficului, diodele emițătoare de lumină (LED-urile) diferă de tehnologiile de iluminat mai convenționale, cum ar fi becurile incandescente sau fluorescente, datorită fizicii lor sofisticate a semiconductoarelor.LED-uriutilizați un proces cunoscut sub numele de electroluminiscență, care este emisia de fotoni (particule de lumină) atunci când un curent electric trece printr-un material semiconductor special fabricat. Acest lucru este în contrast cu incandescentele, care produc lumină prin încălzirea unui filament, sau fluorescentele, care folosesc gaz și radiații UV. Mai întâi trebuie să examinăm elementele fundamentale ale semiconductorilor, proiectarea unui LED și procedura secvenţială care transformă electricitatea în lumină vizibilă pentru a înțelege cum se întâmplă acest lucru.
Baza: benzi de energie și semiconductori
Fiecare LED este alimentat de un semiconductor, o substanță care conduce electricitatea mai slab decât conductoarele (cum ar fi cuprul), dar mai bună decât izolatorii (cum ar fi sticla). Benzile de energie a electronilor-zonele de energie pe care electronii le pot ocupa-sunt esențiale pentru comportamentul distinctiv al unui semiconductor. Electronii au niveluri de energie distincte în toate materialele, dar în solide, aceste niveluri se combină pentru a forma două benzi majore: banda de conducere și banda de valență.
Atomii materialului sunt ținuți împreună într-o structură cristalină de electronii din banda de valență, care sunt ferm atașați de atomi. Conductivitatea electrică este posibilă de electronii din banda de conducție, care sunt liberi să curgă prin substanță. Intervalul de bandă, o gamă de energie pe care electronii nu o pot locui, există între aceste două benzi. Dimensiunea benzii interzise a unui material determină dacă este un izolator, conductor sau semiconductor: semiconductorii au o bandă interzisă mică, măsurabilă (electronii pot traversa decalajul cu o intrare mică de energie, cum ar fi un curent electric), conductorii nu au bandă interzisă (electronii se mișcă liber între benzi), iar izolatorii au benzi interzise foarte mari (făcând dificilă trecerea electronilor la banda de conducție).
Semiconductorul folosit la LED-uri este „dopat”, care este o procedură care modifică caracteristicile electrice ale materialului prin adăugarea de urme de impurități. Atât semiconductorii de tip n-, cât și de tip p- sunt produși prin dopare. Când elementele cu electroni suplimentari, cum ar fi fosforul, sunt dopate în semiconductori de tip N-, ele devin libere să se miște în banda de conducție și conferă materialului o sarcină negativă netă. Elementele cu mai puțini electroni, cum ar fi borul, sunt folosite pentru a dopa semiconductorii de tip P-. Acest lucru are ca rezultat „găuri”, sau electroni lipsă în banda de valență, care funcționează ca sarcini pozitive și pot trece prin material pe măsură ce electronii le umplu. Un LED funcționează datorită joncțiunii p-n, care este intersecția acestor două regiuni dopate.
Structura LED-ului: de la ieșirea luminii la joncțiunea P-N
Designul simplu, dar precis, al unui LED maximizează puterea de lumină, reducând în același timp pierderile de energie. Joncțiunea sa p-n este situată într-un strat subțire de material semiconductor, de obicei pe bază de galiu-, cum ar fi arseniura de galiu sau nitrura de galiu. Substratul, un material de fundație care oferă suport și ajută la disiparea căldurii, este locul unde este atașat acest strat semiconductor. Acest lucru este important, deoarece supraîncălzirea poate scurta durata de viață a LED-ului.
Un electrod este atașat la regiunea de tip p-(anodul, o bornă pozitivă), iar celălalt la regiunea de tip n- (catodul, o bornă negativă) deasupra stratului semiconductor. Un câmp electric este produs pe joncțiunea p-n atunci când este furnizată o tensiune pe acești electrozi (catodul fiind negativ și anodul fiind pozitiv). Electronii liberi ai semiconductorului de tip n-sînt împinși spre joncțiune de acest câmp, în timp ce găurile semiconductorului de tip p- sunt desenate în aceeași direcție.
Pentru ca lumina generată la joncțiunea p-n să scape, stratul semiconductor trebuie să fie transparent sau semi-transparent (sau să aibă un strat reflectorizant pe o parte). ModernLED-urifolosesc materiale precum nitrura de galiu (GaN), care sunt transparente pentru lumina vizibilă și garantează că majoritatea fotonilor ajung la suprafață, spre deosebire de LED-urile timpurii, care foloseau frecvent materiale semiconductoare opace care limitau puterea de lumină. Joncțiunea p-n a semiconductorului este locul unde are loc procesul de generare-primară a luminii, deși unele LED-uri au, de asemenea, o lentilă sau un strat pentru a focaliza lumina sau a-i schimba culoarea.
Pasul 1: Utilizarea recombinării-găurilor de electroni și a tensiunii
O tensiune externă dată electrozilor LED-ului inițiază procesul de emisie de lumină prin stabilirea unei polarizări înainte, care este direcția corectă a fluxului de curent pentruLEDa functiona; polarizarea inversă, pe de altă parte, oprește curentul și nu produce lumină. Electronii liberi din zona de tip n-sunt accelerați în regiunea de tip p-, iar găurile din regiunea de tip p- sunt accelerate în regiunea de tip n- de câmpul electric din joncțiunea p{-n atunci când este aplicată polarizarea directă.
Acești electroni și găuri se reunesc în cele din urmă la sau aproape de joncțiunea p-n pe măsură ce călătoresc în aceeași direcție. Un electron liber din banda de conducție a zonei de tip n-cade” în gaură atunci când se ciocnește cu o gaură din banda de valență a regiunii de tip p-, trecând de la o stare de energie mai mare în banda de conducție la un nivel de energie mai scăzut în banda de valență. Electronul și gaura se anulează reciproc în timpul acestei tranziții, care este cunoscută sub numele de recombinare, iar energia suplimentară pe care o pierd este emisă ca un foton.
Mărimea benzii interzise a semiconductorului afectează direct energia acestui foton, care dă luminii culoarea sa. Un foton cu o energie mai mare (și cu o lungime de undă mai scurtă, cum ar fi lumina albastră sau violetă) este creat atunci când un electron se recombină cu o gaură și pierde mai multă energie din cauza unei benzi mai largi. Un foton cu o lungime de undă mai mare, cum ar fi lumina roșie sau portocalie, și mai puțină energie este produs de o bandă intercalată mai mică.
De exemplu:
Datorită benzii interzise înguste, arseniura de galiu (GaAs) emite lumină roșie cu o lungime de undă de aproximativ 650 nm. Din cauza benzii interzise mai largi, nitrura de galiu (GaN) emite lumină albastră sau violetă cu o lungime de undă de aproximativ 450 nm.
Producătorii pot modifica intervalul de bandă pentru a produce LED-uri care generează lumină verde, galbenă sau chiar albă prin combinarea diferitelor materiale semiconductoare (cum ar fi nitrura de galiu indiu sau InGaN) (mai multe despre LED-urile albe de mai jos).
Pasul 2: Eficiență și extragerea luminii
Unii dintre fotonii generați prin recombinare sunt absorbiți de materialul semiconductor însuși, în timp ce alții se reflectă la electrozi sau la joncțiunea p-n și sunt eliberați sub formă de căldură. Nu toți acești fotoni părăsescLEDca lumină vizibilă. Designerii de LED-uri folosesc o serie de strategii pentru a îmbunătăți „extracția luminii” pentru a optimiza eficiența:
Substraturi transparente: cea mai mare parte a luminii a fost prinsă de substraturile opace (cum ar fi germaniul) utilizate la primele LED-uri. Substraturile transparente, cum ar fi carbura de siliciu sau safirul, sunt folosite în LED-urile moderne pentru a lăsa fotonii să ajungă la suprafață.
Suprafețe texturate: Pentru a reduce cantitatea de lumină reflectată înapoi în material, suprafața semiconductorului este adesea gravată cu modele minuscule, cum ar fi denivelări sau caneluri. Prin modificarea unghiului la care lumina lovește suprafața, acest lucru crește probabilitatea ca aceasta să scape, mai degrabă decât să revină.
Straturi reflectorizante: Partea din spate a semiconductorului este acoperită cu un strat subțire de reflexie, adesea compus din metal, cum ar fi aluminiu sau argint. Acest strat crește cantitatea de lumină care părăsește LED-ul prin reflectarea fotonilor care altfel ar fi pierduti prin substrat înapoi spre partea din față a LED-ului.
Deși mult mai puțin decât în cazul luminilor incandescente, o parte de energie este încă pierdută sub formă de căldură, în ciuda acestor progrese. Doar 10–25% din energie se pierde sub formă de căldură în LED-uri, 75–90% din energie fiind transformată în lumină, comparativ cu 90–95% în incandescente. Datorită eficienței lor excelente, LED-urile folosesc mult mai puțină energie decât luminile convenționale.
Cum funcționează LED-urile albe: o situație unică
Majoritatea LED-urilor emit doar o singură culoare, sau lumină monocromatică, dar LED-urile albe, care sunt utilizate în faruri, televizoare și iluminatul casei, au nevoie de o strategie diferită, deoarece nu există un material semiconductor cu o bandă interzisă care creează direct lumină albă. Mai degrabă, LED-urile albe folosesc una dintre cele două tehnici principale:
Conversia fosforului: un albastruLED(făcut din nitrură de galiu) acoperit cu fosfor galben-o substanță care absoarbe lumina de o lungime de undă și emite lumină de alta-este utilizată în cea mai populară tehnică. Fosforul absoarbe o parte din fotonii albaștri emiși de LED-ul albastru și re-emite fotoni galbeni. Ochii noștri interpretează fotonii albaștri rămași ca lumină albă odată ce se combină cu fotonii galbeni. Producătorii adaugă urme de fosfor roșu sau verde pe acoperire pentru a schimba temperatura de culoare, sau „căldura” sau „răcirea” luminii albe. De exemplu, adăugarea de lumină albastră suplimentară produce lumină albă rece (5.000K–6.500K), în timp ce adăugarea de fosfor roșu produce lumină albă caldă (2.700K–3.000K).
Amestecare RGB: această tehnică mai puțin populară combină trei LED-uri diferite-roșu, verde și albastru-într-un singur pachet. Cele trei culori se combină pentru a crea lumină albă (sau orice altă nuanță de spectru vizibil) prin variarea luminozității fiecărui LED. Deși această tehnică este mai costisitoare decât conversia fosforului, ea este folosită în situații care necesită o gestionare exactă a culorilor, cum ar fi iluminarea scenei sau afișajele-de vârf.
Distincțiile dintre LED-uri și iluminatul convențional
Cunoașterea modului în care funcționează LED-urile face mai ușor să vedem de ce au performanțe mai bune decât becurile fluorescente și incandescente din aproape fiecare categorie:
Eficiență energetică: LED-urile folosesc electroluminiscența, care este eficientă în mod natural; Spre deosebire de incandescentele, care consumă energie încălzind un filament, fluorescentele nu irosesc energie producând radiații UV.
Durată lungă de viață: LED-urile nu se ard ușor, deoarece nu au părți mobile sau filamente delicate. Spre deosebire de incandescentele, care au o durată de viață de 1.000–2.000 de ore, LED-urile au o durată de viață de 50.000–100.000 de ore datorită degradării extrem de graduale a materialului semiconductor în timp.
Pornire/Oprire instantanee: spre deosebire de fluorescente, care necesită câteva secunde pentru a se ilumina complet, LED-urile nu au timp de încălzire-și se activează la luminozitate maximă instantaneu.
Durabilitate: Pentru căLED-urisunt electronice-solide, pot rezista la șocuri, vibrații și temperaturi ridicate, ceea ce le face perfecte pentru aplicații în aer liber sau setări dure (cum ar fi automobile sau fabrici).
Viitorul tehnologiei LED
Noile dezvoltări cresc potențialul tehnologiei LED, pe măsură ce cercetătorii și inginerii continuă să o îmbunătățească. De exemplu:
QLED-uri sau LED-uri cu puncte cuantice: acestea îmbunătățesc luminozitatea și acuratețea culorilor prin utilizarea punctelor cuantice, care sunt particule semiconductoare mici. Cercetătorii încearcă să facă QLED-urile mai eficiente din punct de vedere energetic-pentru iluminarea generală, iar acestea se găsesc în prezent în televizoarele-de ultimă generație.
Micro LED-uri: aceste LED-uri incredibil de mici, care au doar câțiva micrometri diametru, pot fi grupate în rețele dense pentru a produce iluminare flexibilă sau ecrane de-rezoluție înaltă. Se anticipează că viitoarele televizoare și smartphone-uri vor folosi micro LED-uri în loc de OLED-uri datorită duratei de viață mai lungi și a randamentului mai bun.
LED-uri perovskite: în comparație cu materialele convenționale pe bază de galiu-, perovskitul este un nou tip de material semiconductor care este mai puțin costisitor de produs. Cercetătorii încearcă să mărească stabilitatea LED-urilor perovskite pentru uz comercial, deoarece s-au dovedit a fi promițători în furnizarea de lumină puternică și eficientă.
În concluzie
LED-urisunt dispozitive foarte simple realizate dintr-un semiconductor dopat cu joncțiune ap-n care utilizează recombinarea-gaurilor de electroni pentru a transforma energia electrică în lumină. Ele sunt printre cele mai eficiente și adaptabile tehnologii de iluminat dezvoltate vreodată, dar simplitatea lor ascunde complexitatea construcției lor, care include totul, de la ingineria extracției luminii până la reglarea exactă a benzii interzise. Cunoașterea modului în care funcționează LED-urile ne permite să înțelegem atât știința sofisticată care le susține, cât și avantajele lor utile (durată de viață mai lungă, costuri mai ieftine cu energie). Pe măsură ce tehnologia LED se dezvoltă în continuare, probabil că va contribui și mai mult la reducerea consumului global de energie, la stoparea schimbărilor climatice și la influențarea proiectării iluminatului în viitor-demonstrând că, uneori, cele mai semnificative descoperiri provin din principiile științifice fundamentale.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co.,Ltd
Telefon: +86 0755 27186329
Mobil(+86)18673599565
Whatsapp :19113306783
E-mail:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
Web:www.benweilight.com
