Jak funguje LED?

Jak funguje LED?

Přestože se světelné -diody (LED) používají v mnoha aspektech moderního života, jako je osvětlení našich domovů, napájení obrazovek chytrých telefonů a řízení dopravy, liší se od konvenčních osvětlovacích technologií, jako jsou klasické nebo fluorescenční žárovky, díky své sofistikované fyzice polovodičů.LED diodypoužívají proces známý jako elektroluminiscence, což je emise fotonů (světelných částic), když elektrický proud protéká speciálně vyrobeným polovodičovým materiálem. To je na rozdíl od žárovek, které produkují světlo zahříváním vlákna, nebo zářivek, které využívají plyn a UV záření. Abychom pochopili, jak k tomu dochází, musíme nejprve prozkoumat základy polovodičů, návrh LED a sekvenční postup, který převádí elektřinu na viditelné světlo.

Základ: Pásma energie a polovodiče

Každá LED je napájena polovodičem, látkou, která vede elektřinu hůře než vodiče (jako měď), ale lépe než izolátory (jako sklo). Energetická pásma elektronů-oblasti energie, které mohou elektrony obsadit-, jsou zásadní pro charakteristické chování polovodiče. Elektrony mají odlišné energetické hladiny ve všech materiálech, ale v pevných látkách se tyto hladiny spojují do dvou hlavních pásem: vodivostní a valenční.
 

Atomy materiálu jsou drženy pohromadě v krystalické struktuře elektrony ve valenčním pásu, které jsou pevně spojeny s atomy. Elektrickou vodivost umožňují elektrony ve vodivém pásmu, které volně proudí látkou. Mezi těmito dvěma pásy existuje pásmová mezera, rozsah energie, kterou elektrony nemohou obývat. Velikost zakázaného pásma materiálu určuje, zda se jedná o izolant, vodič nebo polovodič: polovodiče mají malou, měřitelnou mezeru v pásmu (elektrony mohou mezeru překonat malým příkonem energie, jako je elektrický proud), vodiče nemají mezeru v pásmu (elektrony se volně pohybují mezi pásmy) a izolátory mají velmi velké mezery mezi pásmem (ztěžují přeskakování elektrického pásma).

Polovodič používaný v LED je "dopovaný", což je postup, který upravuje elektrické vlastnosti materiálu přidáním stopových množství nečistot. Polovodiče typu n-a p-typu se vyrábějí dopingem. Když jsou prvky s přídavnými elektrony, jako je fosfor, dopovány do polovodičů typu N-, uvolní se ve vodivém pásmu a dávají materiálu čistý záporný náboj. Prvky s méně elektrony, jako je bor, se používají k dotování polovodičů typu P-. To má za následek "díry" nebo chybějící elektrony ve valenčním pásmu, které fungují jako kladné náboje a mohou procházet materiálem, když je elektrony vyplňují. LED funguje díky p-n přechodu, který je průsečíkem těchto dvou dopovaných oblastí.
Struktura LED: Od světelného výkonu po P-N křižovatku

Přímý, ale přesný design LED maximalizuje světelný výkon a zároveň snižuje energetické ztráty. Jeho p-n přechod je umístěn v tenké vrstvě polovodičového materiálu, typicky na bázi galia,{2}}jako je arsenid galia nebo nitrid gallia. Substrát, základní materiál, který poskytuje podporu a pomáhá při rozptylu tepla, je místo, kde je tato polovodičová vrstva připojena. To je důležité, protože přehřátí může zkrátit životnost LED.

Jedna elektroda je připojena k oblasti typu p - (anoda, kladný pól) a druhá k oblasti typu n - (katoda, záporný pól) na vrchní straně polovodičové vrstvy. Elektrické pole se vytváří přes p-n přechod, když je na tyto elektrody přivedeno napětí (katoda je záporná a anoda je kladná). Volné elektrony polovodiče typu n- jsou tímto polem tlačeny směrem ke křižovatce, zatímco díry polovodiče typu p- jsou kresleny stejným směrem.

Aby světlo generované na p-n ​​přechodu unikalo, musí být polovodičová vrstva průhledná nebo polo{1}}průhledná (nebo musí mít na jedné straně odraznou vrstvu). ModerníLED diodypoužívají materiály jako nitrid galia (GaN), které jsou průhledné pro viditelné světlo a zaručují, že většina fotonů dosáhne povrchu, na rozdíl od dřívějších LED, které často používaly neprůhledné polovodičové materiály, které omezovaly světelný výkon. P-n přechod polovodiče je místem, kde dochází k procesu generování primárního světla-, i když některé LED diody mají také čočku nebo povlak, který zaostřuje světlo nebo mění jeho barvu.

Krok 1: Použití elektronové-děrové rekombinace a napětí

Externí napětí přivedené na elektrody LED zahájí proces vyzařování světla vytvořením předpětí, což je správný směr toku proudu proLEDfungovat; zpětné předpětí na druhé straně zastavuje proud a neprodukuje žádné světlo. Volné elektrony z oblasti typu n-jsou urychlovány do oblasti typu p-a díry z oblasti typu p-jsou urychlovány do oblasti typu n- elektrickým polem napříč p-n přechodem, když je aplikováno předpětí.

Tyto elektrony a díry se nakonec spojí v místě p-n ​​přechodu nebo v jeho blízkosti, když se pohybují stejným směrem. Volný elektron z vodivostního pásma oblasti typu n- „spadne“ do díry, když se srazí s dírou z valenčního pásma oblasti typu p-, přičemž se změní z vyššího energetického stavu ve vodivém pásu na nižší energetickou hladinu ve valenčním pásmu. Elektron a díra se během tohoto přechodu, který je známý jako rekombinace, vzájemně vyruší a energie navíc, kterou ztratí, je emitována jako foton.
Velikost zakázaného pásu polovodiče přímo ovlivňuje energii tohoto fotonu, který dává světlu jeho barvu. Foton s vyšší energií (a kratší vlnovou délkou, jako je modré nebo fialové světlo) se vytvoří, když se elektron rekombinuje s dírou a ztratí více energie kvůli širšímu zakázanému pásmu. Foton s delší vlnovou délkou, jako je červené nebo oranžové světlo, a méně energie je produkován menším pásmem.

Například:

Díky úzkému zakázanému pásmu vyzařuje arsenid galia (GaAs) červené světlo s vlnovou délkou asi 650 nm. Nitrid galia (GaN) má díky širšímu zakázanému pásmu modré nebo fialové světlo o vlnové délce asi 450 nm.

Výrobci mohou upravit pásmovou mezeru tak, aby produkovaly LED, které generují zelené, žluté nebo dokonce bílé světlo, kombinací různých polovodičových materiálů (jako je nitrid gallia a india nebo InGaN) (více o bílých LED níže).

Krok 2: Účinnost a extrakce světla

Některé fotony generované rekombinací jsou absorbovány samotným polovodičovým materiálem, zatímco jiné se odrážejí od elektrod nebo p-n ​​přechodu a uvolňují se jako teplo. Ne všechny tyto fotony opouštějíLEDjako viditelné světlo. Designéři LED využívají řadu strategií ke zlepšení „extrakce světla“ za účelem optimalizace účinnosti:

Substráty, které jsou průhledné: Většina světla byla zachycena neprůhlednými substráty (jako je germanium) používanými u prvních LED. Průhledné substráty, jako je karbid křemíku nebo safír, se používají v moderních LED, aby umožnily fotonům dosáhnout povrchu.
Texturované povrchy: Aby se snížilo množství světla odraženého zpět do materiálu, je povrch polovodiče často vyleptán drobnými vzory, jako jsou hrbolky nebo drážky. Změnou úhlu, pod kterým světlo dopadá na povrch, se zvyšuje pravděpodobnost, že světlo unikne, spíše než se odrazí.

Reflexní vrstvy: Zadní strana polovodiče je pokryta tenkou vrstvou odrazu, často složenou z kovu, jako je hliník nebo stříbro. Tato vrstva zvyšuje množství světla, které opouští LED tím, že odráží fotony, které by jinak byly ztraceny substrátem zpět směrem k přední části LED.

I když je to mnohem méně než u žárovek, část energie se navzdory těmto pokrokům stále ztrácí jako teplo. Pouze 10–25 % energie se u LED ztratí ve formě tepla, přičemž 75–90 % energie se přemění na světlo, ve srovnání s 90–95 % u žárovek. Díky své vynikající účinnosti spotřebují LED diody mnohem méně energie než konvenční světla.

Jak fungují bílé LED: Jedinečná situace

Většina LED vyzařuje pouze jednobarevné nebo monochromatické světlo, ale bílé LED, které se používají ve světlometech, televizorech a domácím osvětlení, potřebují jinou strategii, protože neexistuje polovodičový materiál s mezerou v pásmu, který přímo vytváří bílé světlo. Bílé LED diody spíše využívají jednu ze dvou primárních technik:

Přeměna fosforu: modráLED(vyrobený z nitridu galia) pokrytý žlutým fosforem-látkou, která absorbuje světlo jedné vlnové délky a vyzařuje světlo jiné,-se používá v nejoblíbenější technice. Fosfor absorbuje část modrých fotonů vyzařovaných modrou LED a vysílá žluté fotony. Naše oči interpretují zbylé modré fotony jako bílé světlo, jakmile se spojí se žlutými fotony. Výrobci přidávají do povlaku stopová množství červeného nebo zeleného fosforu, aby změnili teplotu barvy nebo „teplo“ nebo „chlad“ bílého světla. Například přidáním dalšího modrého světla vznikne studené bílé světlo (5 000 K–6 500 K), zatímco přidáním červeného fosforu vznikne teplé bílé světlo (2 700 K–3 000 K).

Míchání RGB: Tato méně oblíbená technika kombinuje tři různé diody LED-červenou, zelenou a modrou-do jednoho balíčku. Tyto tři barvy se kombinují a vytvářejí bílé světlo (nebo jakýkoli jiný odstín viditelného spektra) změnou jasu každé LED. Ačkoli je tato technika nákladnější než konverze fosforu, používá se v situacích vyžadujících přesnou správu barev, jako je osvětlení jeviště nebo špičkové displeje.

Rozdíly mezi LED a konvenčním osvětlením

Znalost toho, jak LED diody fungují, usnadňuje pochopení, proč fungují lépe než zářivky a žárovky téměř ve všech kategoriích:

Energetická účinnost: LED diody využívají elektroluminiscenci, která je přirozeně účinná; na rozdíl od žárovek, které spotřebují energii na zahřívání vlákna, zářivky neplýtvají energií produkující UV záření.

Dlouhá životnost: LED diody snadno nevyhoří, protože nemají žádné pohyblivé části nebo jemná vlákna. Na rozdíl od žárovek, které mají životnost 1 000–2 000 hodin, mají LED díky extrémně pozvolné degradaci polovodičového materiálu v průběhu času životnost 50 000–100 000 hodin.

Okamžité zapnutí/vypnutí: Na rozdíl od zářivek, které k úplnému rozsvícení potřebují několik sekund, nemají LED diody čas zahřívání-a okamžitě se aktivují na plný jas.

Trvanlivost: ProtožeLED diodyjsou polovodičové-elektroniky, dokážou odolat nárazům, vibracím a vysokým teplotám, díky čemuž jsou ideální pro venkovní aplikace nebo drsná prostředí (jako jsou automobily nebo továrny).

Budoucnost LED technologie

Nový vývoj zvyšuje potenciál technologie LED, protože výzkumníci a inženýři ji neustále vylepšují. Například:
QLED nebo kvantové tečky LED: Zlepšují jas a přesnost barev pomocí kvantových teček, což jsou malé polovodičové částice. Výzkumníci se snaží, aby QLED byly energeticky-účinnější pro obecné osvětlení a v současné době se nacházejí v-televizích vyšší třídy.

Mikro diody LED: Tyto neuvěřitelně malé diody LED, které mají průměr jen několik mikrometrů, lze seskupit do hustých polí a vytvořit tak flexibilní osvětlení nebo obrazovky s vysokým -rozlišením. Očekává se, že budoucí smartphony a televizory budou používat mikro LED namísto OLED kvůli jejich delší životnosti a lepšímu výkonu.

Perovskitové LED: Ve srovnání s konvenčními materiály na bázi gallia- je perovskit novým druhem polovodičového materiálu, jehož výroba je levnější. Výzkumníci se snaží zvýšit stabilitu perovskitových LED pro komerční použití, protože prokázaly slibné poskytování jasného a účinného světla.

Na závěr

LED diodyjsou velmi jednoduchá zařízení vyrobená z dopovaného polovodiče s a-přechodem, který využívá rekombinaci elektron{1}}děr k přeměně elektrické energie na světlo. Patří mezi nejúčinnější a nejpřizpůsobivější osvětlovací technologie, jaké byly kdy vyvinuty, ale jejich jednoduchost skrývá složitost jejich konstrukce, která zahrnuje vše od inženýrství extrakce světla až po přesnou regulaci zakázaného pásma. Znalost toho, jak LED diody fungují, nám umožňuje pochopit jak sofistikovanou vědu, která je jejich základem, tak jejich užitečné výhody (delší životnost, nižší náklady na energii). Jak se technologie LED bude dále vyvíjet, pravděpodobně ještě více přispěje ke snížení celosvětové spotřeby energie, zastavení změny klimatu a ovlivnění designu osvětlení v budoucnu-, což dokazuje, že někdy nejvýznamnější průlomy pocházejí z nejzákladnějších vědeckých principů.

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