Zbog svoje energetske ekonomičnosti, robusnosti i kapaciteta za generiranje tačnih boja,-diode koje emituju svjetlost ili LED diode su bitne komponente savremene rasvjete, displeja i tehnologije. Poluvodička struktura, koja kontroliše efikasnost kojom se električna energija pretvara u svetlost i određene talasne dužine (boje) koje se oslobađaju, je od suštinskog značaja za njihov rad. Umjesto da se koncentrišemo na formule ili konkretne primjere materijala, ovaj članak ispituje vezu između dizajna poluvodiča, efikasnosti i izlazne boje naglašavajući strukturne koncepte.
Pojasni razmak poluprovodnika: osnova emisije boja
Pojasni razmak poluprovodnika, ili razlika u energiji između njegovog valentnog pojasa, gdje elektroni ostaju, i pojasa provodljivosti, gdje elektroni putuju slobodno, u suštini je ono što određuje nijansu svjetlosti koju LED emituje. Foton je energija koja se oslobađa kada se elektron kreće iz pojasa provodljivosti u valentni pojas. Talasna dužina (boja) ovog fotona je direktno povezana s njegovom energijom pojasnog razmaka: fotoni više-energije (kraće valne dužine, poput plave) proizvode se većim razmakom pojasa, dok se fotoni niže{3}}energetske (duže valne dužine, poput crvene) proizvode manjim razmakom.
Za njihovu klasifikaciju koristi se tip razmaka poluprovodnika:
Materijali sa direktnim razmakom: Ovi materijali su savršeni za LED diode jer se elektroni i rupe efikasno rekombinuju da bi stvorili svetlost.
Materijali sa indirektnim razmakom pojasa: Rekombinacija zahteva dodatnu energiju od vibracija rešetke, što dovodi do neadekvatne emisije svetlosti.
Da bi dobili određene nijanse, tehnolozi mogu fino-podesiti razmak promjenom sastava poluvodičkih legura. Na primjer, emisija preko vidljivog spektra je moguća kada su komponente pomiješane u tačnim omjerima. Plava LED dioda se obično kombinuje sa fosfornim premazima, koji pretvaraju nešto plave svetlosti u talasne dužine sa širim opsegom, da bi proizveli belu svetlost.
Dizajniranje dopinga i spojeva za optimizaciju proizvodnje svjetlosti
Svjetlost se proizvodi na p-n spoju, koji je interfejs između poluvodičkih slojeva koji su negativno nabijeni (n-tip) i pozitivno nabijeni (p-tip). Na efikasnost značajno utiču kvalitet ovog spoja i doping, ili namjerno dodavanje nečistoća:
Doping
Doping tipa P- dodaje atome sa manje elektrona od poluprovodnika kako bi se stvorile "rupe" (nosači pozitivnog naboja).
Uvođenjem atoma sa dodatnim elektronima, doping tipa n- proizvodi višak elektrona.
Elektroni i rupe se izlivaju u spoj kada se dovede napon, rekombinujući se da bi proizveo svetlost.
Efikasnost rekombinacije:
Poželjni proces radijacijske rekombinacije oslobađa fotone kada se pomiješaju elektroni i rupe.
Ne-radijativna rekombinacija (neželjena): defekti ili nečistoće uzrokuju gubitak energije u obliku topline.
Više energije se pretvara u svjetlost zahvaljujući poluvodičkim kristalima visoke-čistoće i sofisticiranim proizvodnim procesima koji smanjuju nedostatke.
Inženjering spojeva: Da bi se povećala efikasnost rekombinacije, moderne LED diode ograničavaju elektrone i rupe unutar aktivnog područja koristeći višeslojne strukture. Među metodama su:
Dvostruke heterostrukture: Korištenje materijala sa širim razmakom pojasa za okruživanje aktivnog sloja i nosača zamke.
Ultra-tanki slojevi zvani kvantni bunari ograničavaju kretanje elektrona, poboljšavajući radijacijsku rekombinaciju i omogućavajući fino-podešavanje boje.
Slojevita arhitektura: poboljšanje proizvodnje svjetla
Višestruki poluprovodnički slojevi se koriste unapredni LED dizajnza poboljšanje performansi:
Sloj koji proizvodi svjetlost poznat je kao "aktivna regija". Brzine rekombinacije i energija fotona određuju se njegovom debljinom i sastavom.
Konfinacijski slojevi: Da bi se zaustavilo curenje nosača, materijali sa većim razmakom pojasa okružuju aktivnu oblast.
Prozirni provodljivi materijali poznati kao "strujni-slojevi koji se šire" jednoliko raspršuju električnu struju, smanjujući otpor i akumulaciju topline.
Reflektirajući slojevi: Konstrukcije koje povećavaju ukupnu svjetlinu preusmjeravanjem unutrašnje zarobljene svjetlosti prema površini.
Zajedno, ovi slojevi garantuju efikasnu interakciju elektronskih{0}}rupa uz istovremeno smanjenje gubitaka energije.
Fizička arhitektura: efikasna ekstrakcija svjetlosti
Velika poteškoća u dizajnu LED dioda je osigurati da proizvedeno svjetlo napusti poluvodič. Veliki dio svjetlosti se reflektira iznutra u poluvodičkim materijalima zbog njihovog visokog indeksa prelamanja. Ovo se rješava kroz strukturalne inovacije:
Teksturiranje površine: Svetlost se rasipa hrapavom površinom poluprovodnika, što smanjuje unutrašnju refleksiju i povećava efikasnost ekstrakcije.
Geometrijsko oblikovanje: Svjetlost je usmjerena prema van zakrivljenim ili ugaonim površinama.
Integracija sočiva: Izlaz svjetlosti je fokusiran i pojačan zatvaranjem LED diode u sočivo u obliku kupole-.
Korištenjem ovih metoda osigurava se da se proizvodi više fotona i doprinosi korisnom osvjetljenju umjesto da se rasipa kao toplina.
Termička kontrola: Održavanje efikasnosti
Vek trajanja i efikasnostLED tri otporno svjetloznačajno utiču na toplotu. Pregrijavanje može promijeniti boju pomicanjem emitovane talasne dužine i ubrzavanjem ne-radiativne rekombinacije, što smanjuje svjetlinu. Važne taktike se sastoje od:
Podloge visoke toplinske provodljivosti su tvari koje brzo oslobađaju toplinu iz aktivnog područja.
Metalni dijelovi koji apsorbiraju i zrače toplinu poznati su kao hladnjaci.
Dizajni koji smanjuju otpornost na toplinu između poluvodiča i vanjskog svijeta poznati su kao napredna ambalaža.
Stabilan izlaz boja i produženi životni vijek LED dioda zagarantovani su efikasnim upravljanjem toplinom.
Complex Semiconductor Architectures
Granice LED performansi se pomeraju novim tehnologijama:
Nanostrukturirani poluprovodnici se sastoje od sićušnih žica ili tačaka koje poboljšavaju ekstrakciju svjetlosti i minimiziraju nedostatke.
Kombinacije neorganskih i organskih poluprovodnika kako bi se iskoristile posebne optičke kvalitete poznate su kao hibridni materijali.
Fleksibilni dizajn: LED diode za nosivu tehnologiju i zakrivljene displeje omogućeni su tankim, fleksibilnim poluprovodnicima.
Efikasnost, čistoća boja i prilagodljivost aplikacije su sve to da se dodatno poboljšaju ovim razvojem.
