Kako radi LED?
Iako se koriste u mnogim aspektima modernog života, kao što su osvjetljenje naših domova, napajanje ekrana pametnih telefona i usmjeravanje saobraćaja,-diode koje emituju svjetlo (LED) se razlikuju od konvencionalnijih tehnologija rasvjete kao što su žarulje sa žarnom niti ili fluorescentne sijalice zbog svoje sofisticirane fizike poluvodiča.LED diodekoriste proces poznat kao elektroluminiscencija, a to je emisija fotona (svjetlosnih čestica) kada električna struja teče kroz posebno izrađeni poluvodički materijal. Ovo je u suprotnosti sa žaruljama sa žarnom niti, koje proizvode svjetlost zagrijavanjem niti, ili fluorescentima, koji koriste plin i UV zračenje. Prvo moramo ispitati osnove poluvodiča, dizajn LED-a i sekvencijalni postupak koji pretvara električnu energiju u vidljivu svjetlost da bismo shvatili kako se to događa.
Osnova: Energetski pojasevi i poluprovodnici
Svaku LED diodu napaja poluvodič, supstanca koja provodi električnu energiju lošije od provodnika (poput bakra), ali bolje od izolatora (kao staklo). Elektronski energetski pojasevi-oblasti energije koje elektroni mogu zauzeti-su od suštinskog značaja za karakteristično ponašanje poluprovodnika. Elektroni imaju različite energetske nivoe u svim materijalima, ali u čvrstim materijama, ovi nivoi se kombinuju i formiraju dva glavna pojasa: pojas provodljivosti i valentni pojas.
Atome materijala drže zajedno u kristalnoj strukturi elektroni u valentnom pojasu, koji su čvrsto vezani za atome. Električnu provodljivost omogućavaju elektroni u vodljivom pojasu, koji slobodno prolaze kroz supstancu. Između ova dva pojasa postoji raspon energije koji elektroni ne mogu naseliti. Veličina pojasnog pojasa materijala određuje da li se radi o izolatoru, provodniku ili poluvodiču: poluvodiči imaju mali, mjerljiv pojas (elektroni mogu preći prazninu s malim unosom energije, poput električne struje), provodnici nemaju zazor u pojasu (elektroni se slobodno kreću između pojaseva), a izolatori imaju vrlo velike praznine u pojasu (što otežava provodljivost elektrona u pojasu).
Poluprovodnik koji se koristi u LED diodama je "dopiran", što je postupak kojim se modificiraju električne karakteristike materijala dodavanjem nečistoća u tragovima. I n- i p{2}} poluvodiči se proizvode dopiranjem. Kada se elementi sa dodatnim elektronima, kao što je fosfor, dopiraju u poluvodiče tipa N-, oni postaju slobodni da se kreću u pojasu provodljivosti i daju materijalu neto negativni naboj. Elementi s manje elektrona, poput bora, koriste se za dopiranje poluvodiča tipa P-. To rezultira "rupama" ili nedostajućim elektronima u valentnom pojasu, koji funkcioniraju kao pozitivni naboji i mogu proći kroz materijal dok ih elektroni ispunjavaju. LED radi zbog p-n spoja, koji je sjecište ova dva dopirana područja.
Struktura LED diode: od izlazne svjetlosti do P-N spoja
Jednostavan, ali precizan dizajn LED-a maksimizira izlaz svjetlosti uz smanjenje gubitka energije. Njegov p-n spoj se nalazi u tankom sloju poluprovodničkog materijala, obično na bazi galija-, kao što je galijum arsenid ili galijum nitrid. Podloga, temeljni materijal koji pruža podršku i pomaže u disipaciji topline, je mjesto gdje je pričvršćen ovaj poluvodički sloj. Ovo je važno jer pregrijavanje može skratiti životni vijek LED dioda.
Jedna elektroda je pričvršćena na region tipa p- (anoda, pozitivni terminal), a druga na region tipa n- (katoda, negativni terminal) na vrhu sloja poluprovodnika. Električno polje se stvara preko p-n spoja kada se na ove elektrode dovede napon (katoda je negativna, a anoda pozitivna). Slobodni elektroni poluprovodnika tipa n- guraju se prema spoju ovim poljem, dok se rupe poluprovodnika tipa p- povlače u istom smjeru.
Da bi svjetlost generirana na p-n spoju izašla, sloj poluprovodnika mora biti providan ili polu{1}}providan (ili imati reflektirajući sloj na jednoj strani). ModernaLED diodekoriste materijale kao što je galijum nitrid (GaN), koji su providni za vidljivu svetlost i garantuju da većina fotona dospe do površine, za razliku od ranih LED dioda, koje su često koristile neprozirne poluprovodničke materijale koji su ograničavali izlaz svetlosti. P-n spoj poluprovodnika je mjesto gdje se odvija proces-generacije primarnog svjetla, iako neke LED diode također imaju sočivo ili premaz za fokusiranje svjetlosti ili promjenu njegove boje.
Korak 1: Korištenje elektronske-rekombinacije i napona rupa
Eksterni napon koji se daje elektrodama LED-a inicira proces emisije svjetlosti uspostavljanjem prednapona, što je ispravan smjer strujnog toka zaLEDfunkcionirati; obrnuto pristrasnost, s druge strane, zaustavlja struju i ne proizvodi svjetlost. Slobodni elektroni iz područja tipa n- se ubrzavaju u područje p-tipa, a rupe iz regije tipa p- se ubrzavaju u n- regiju pomoću električnog polja preko p-n spoja kada se primjenjuje prednapon.
Ovi elektroni i rupe se na kraju spoje na ili blizu p-n spoja dok putuju u istom smjeru. Slobodni elektron iz područja provodljivosti područja n- "padne" u rupu kada se sudari sa rupom iz valentnog pojasa p- područja, mijenjajući iz višeg energetskog stanja u vodljivom pojasu na niži energetski nivo u valentnom pojasu. Elektron i rupa se međusobno poništavaju tokom ove tranzicije, koja je poznata kao rekombinacija, a dodatna energija koju gube emituje se kao foton.
Veličina pojasa poluprovodnika direktno utiče na energiju ovog fotona, koji svetlosti daje njegovu boju. Foton sa višom energijom (i kraćom talasnom dužinom, kao što je plava ili ljubičasta svetlost) nastaje kada se elektron rekombinuje sa rupom i gubi više energije zbog šireg pojasa. Foton sa većom talasnom dužinom, kao što je crvena ili narandžasta svetlost, i manje energije proizvodi se manjim pojasom.
na primjer:
Zbog svog uskog pojasa, galijum arsenid (GaAs) emituje crvenu svetlost talasne dužine od oko 650 nm. Zbog svog šireg pojasa, galijum nitrid (GaN) emituje plavu ili ljubičastu svetlost talasne dužine od oko 450 nm.
Proizvođači mogu modificirati razmak u pojasu kako bi proizveli LED diode koje generiraju zeleno, žuto ili čak bijelo svjetlo kombinacijom različitih poluvodičkih materijala (kao što je galijum indijum nitrid ili InGaN) (više o bijelim LED diodama u nastavku).
Korak 2: Efikasnost i ekstrakcija svjetlosti
Neke od fotona generiranih rekombinacijom apsorbira sam poluvodički materijal, dok se drugi odbijaju od elektroda ili p-n spoja i oslobađaju kao toplina. Ne napuštaju svi ovi fotoniLEDkao vidljiva svetlost. LED dizajneri koriste brojne strategije za poboljšanje "izvlačenja svjetla" kako bi optimizirali efikasnost:
Prozirne podloge: Većinu svjetlosti zarobile su neprozirne podloge (kao što je germanij) korištene u ranim LED diodama. Prozirne podloge, kao što su silicijum karbid ili safir, koriste se u modernim LED diodama kako bi omogućili fotonima da dođu do površine.
Teksturirane površine: Da bi se smanjila količina svjetlosti koja se reflektira natrag u materijal, površina poluvodiča je često urezana sitnim uzorcima, kao što su izbočine ili žljebovi. Promjenom ugla pod kojim svjetlost pada na površinu, to povećava vjerovatnoću da će pobjeći umjesto da se odbije.
Reflektivni slojevi: stražnja strana poluvodiča prekrivena je tankim slojem refleksije, često sastavljenom od metala kao što su aluminij ili srebro. Ovaj sloj povećava količinu svjetlosti koja napušta LED reflektirajući fotone koji bi inače bili izgubljeni kroz podlogu natrag prema prednjoj strani LED diode.
Iako daleko manje nego kod sijalica sa žarnom niti, dio energije se i dalje gubi u obliku topline uprkos ovim napretcima. Samo 10-25% energije gubi se kao toplota u LED diodama, pri čemu se 75-90% energije pretvara u svjetlost, u poređenju sa 90-95% u žaruljama sa žarnom niti. Zbog svoje odlične efikasnosti, LED diode troše mnogo manje energije od konvencionalnih svjetala.
Kako rade bijele LED diode: jedinstvena situacija
Većina LED dioda emituje samo jednobojno ili monokromatsko svjetlo, ali bijele LED diode, koje se koriste u farovima, televizorima i kućnoj rasvjeti, trebaju drugačiju strategiju jer ne postoji poluvodički materijal s razmakom koji direktno stvara bijelo svjetlo. Umjesto toga, bijele LED diode koriste jednu od dvije osnovne tehnike:
Konverzija fosfora: A plavaLED(napravljen od galijum nitrida) prekriven žutim fosforom-u najpopularnijoj tehnici se koristi supstanca koja apsorbuje svjetlost jedne talasne dužine i emituje svjetlost druge-. Fosfor apsorbuje neke od plavih fotona koje emituje plava LED dioda i ponovo -emituje žute fotone. Naše oči tumače preostale plave fotone kao bijelu svjetlost kada se spoje sa žutim fotonima. Proizvođači dodaju u tragove crvenog ili zelenog fosfora premazu kako bi promijenili temperaturu boje, ili "toplinu" ili "hladnoću" bijele svjetlosti. Na primjer, dodavanje dodatnog plavog svjetla proizvodi hladno bijelo svjetlo (5.000K–6.500K), dok dodavanje crvenog fosfora proizvodi toplo bijelo svjetlo (2.700K–3.000K).
RGB miješanje: Ova manje popularna tehnika kombinuje tri različite LED diode-crvene, zelene i plave-u jedan paket. Tri boje se kombinuju da bi stvorile belo svetlo (ili bilo koju drugu nijansu vidljivog spektra) variranjem svetline svake LED diode. Iako je ova tehnika skuplja od konverzije fosfora, ona se koristi u situacijama koje zahtijevaju precizno upravljanje bojama, kao što je rasvjeta pozornice ili vrhunski{4}}displeji.
Razlike između LED dioda i konvencionalnog osvjetljenja
Znajući kako LED diode rade, lakše je vidjeti zašto rade bolje od fluorescentnih i žarulja sa žarnom niti u gotovo svakoj kategoriji:
Energetska efikasnost: LED diode koriste elektroluminiscenciju, koja je prirodno efikasna; za razliku od žarulja sa žarnom niti, koje troše energiju na zagrijavanje niti, fluorescentne ne troše energiju stvarajući UV zračenje.
Dug vijek trajanja: LED diode ne izgaraju lako jer nemaju pokretne dijelove ili osjetljive niti. Za razliku od žarulja sa žarnom niti, koje imaju životni vek od 1.000-2.000 sati, LED diode imaju životni vek od 50.000-100.000 sati zbog izuzetno postepene degradacije poluprovodničkog materijala tokom vremena.
Trenutačno uključivanje/isključivanje: Za razliku od fluorescentnih, kojima je potrebno nekoliko sekundi da se potpuno osvijetle, LED diode nemaju vremena za zagrijavanje-i trenutno se aktiviraju do punog osvjetljenja.
Trajnost: JerLED diodesu čvrsta-elektronika, mogu izdržati udarce, vibracije i visoke temperature, što ih čini savršenim za primjenu na otvorenom ili u teškim uvjetima (kao što su automobili ili fabrike).
Budućnost LED tehnologije
Novi razvoji povećavaju potencijal LED tehnologije jer istraživači i inženjeri nastavljaju da je poboljšavaju. na primjer:
QLED ili LED diode s kvantnim tačkama: One poboljšavaju svjetlinu i tačnost boja korištenjem kvantnih tačaka, koje su male poluvodičke čestice. Istraživači pokušavaju učiniti QLED-ove energetski-efikasnijim za opću rasvjetu, a trenutno se nalaze u vrhunskim-TV televizorima.
Mikro LED diode: Ove nevjerovatno male LED diode, koje imaju samo nekoliko mikrometara u prečniku, mogu se grupirati u guste nizove kako bi proizvele fleksibilno osvjetljenje ili ekrane visoke{0}}rezolucije. Očekuje se da će budući pametni telefoni i televizori koristiti mikro LED umjesto OLED-a zbog njihovog dužeg vijeka trajanja i boljeg izlaza.
Perovskit LED diode: U poređenju sa konvencionalnim materijalima na bazi galija-, perovskit je nova vrsta poluprovodničkog materijala čija je proizvodnja jeftinija. Istraživači pokušavaju povećati stabilnost perovskit LED dioda za komercijalnu upotrebu jer su pokazali obećanje u isporuci jakog, efikasnog svjetla.
U zaključku
LED diodesu vrlo jednostavni uređaji napravljeni od dopiranog poluvodiča sa ap-n spojem koji koristi rekombinaciju elektrona-rupa za transformaciju električne energije u svjetlost. One su među najefikasnijim i najprilagodljivijim tehnologijama rasvjete ikad razvijenim, ali njihova jednostavnost prikriva složenost njihove konstrukcije, koja uključuje sve od inženjeringa ekstrakcije svjetlosti do tačne regulacije pojasnog razmaka. Poznavanje načina rada LED dioda omogućava nam da shvatimo kako sofisticiranu nauku koja ih podupire, tako i njihove korisne prednosti (duži vijek trajanja, jeftiniji troškovi energije). Kako se LED tehnologija dalje razvija, vjerovatno će još više doprinijeti smanjenju globalne potrošnje energije, zaustavljanju klimatskih promjena i uticaju na dizajn rasvjete u budućnosti-pokazujući da ponekad najznačajnija otkrića dolaze iz najosnovnijih naučnih principa.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd
Telefon: +86 0755 27186329
Mobilni (+86)18673599565
Whatsapp :19113306783
Email:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
Web:www.benweilight.com
