Hur fungerar en LED?
Trots att de används i många aspekter av det moderna livet, som att belysa våra hem, driva smartphoneskärmar och dirigera trafik, skiljer sig ljus-emitterande dioder (LED) från mer konventionell belysningsteknik som glödlampor eller lysrör på grund av deras sofistikerade halvledarfysik.lysdioderanvända en process som kallas elektroluminescens, vilket är emissionen av fotoner (ljuspartiklar) när en elektrisk ström flyter genom ett specialtillverkat halvledarmaterial. Detta till skillnad från glödlampor, som producerar ljus genom att värma en glödtråd, eller fluorescerande ljus, som använder gas och UV-strålning. Vi måste först undersöka grunderna för halvledare, designen av en LED och den sekventiella proceduren som omvandlar elektricitet till synligt ljus för att förstå hur detta sker.
Grunden: Band av energi och halvledare
Varje lysdiod drivs av en halvledare, ett ämne som leder elektricitet sämre än ledare (som koppar) men bättre än isolatorer (som glas). Elektronenergibanden-energiområden som elektroner kan uppta-är väsentliga för en halvledares distinkta beteende. Elektroner har distinkta energinivåer i alla material, men i fasta ämnen kombineras dessa nivåer för att bilda två huvudband: ledningsbandet och valensbandet.
Materialets atomer hålls samman i en kristallin struktur av elektronerna i valensbandet, som sitter fast vid atomerna. Elektrisk ledningsförmåga möjliggörs av elektronerna i ledningsbandet, som är fria att strömma genom ämnet. Bandgapet, ett energiområde som elektroner inte kan leva i, finns mellan dessa två band. Ett materials bandgapstorlek avgör om det är en isolator, ledare eller halvledare: halvledare har ett litet, mätbart bandgap (elektroner kan passera gapet med en liten inmatning av energi, som en elektrisk ström), ledare har inget bandgap (elektroner rör sig fritt mellan banden) och isolatorer har mycket svårt för ledningselektroner att hoppa över ledningsbandet (gör det att hoppa över ledningsbandet).
Halvledaren som används i lysdioder är "dopad", vilket är en procedur som modifierar materialets elektriska egenskaper genom att lägga till spårmängder av föroreningar. Både n-typ och p-typ halvledare produceras genom dopning. När element med ytterligare elektroner, som fosfor, dopas in i halvledare av N-typ, blir de fria att röra sig i ledningsbandet och ger materialet en negativ nettoladdning. Grundämnen med färre elektroner, som bor, används för att dopa halvledare av P-typ. Detta resulterar i "hål", eller saknade elektroner i valensbandet, som fungerar som positiva laddningar och kan passera genom materialet när elektroner fyller dem. En lysdiod fungerar på grund av p-n-övergången, som är skärningspunkten mellan dessa två dopade områden.
Lysdiodens struktur: från ljusutgång till P-N Junction
Den enkla men exakta designen av en LED maximerar ljuseffekten samtidigt som energiförlusten minskar. Dess p-n-övergång är belägen i ett tunt lager av halvledarmaterial, vanligtvis galliumbaserat-, som galliumarsenid eller galliumnitrid. Substratet, ett grundmaterial som ger stöd och hjälper till med värmeavledning, är där detta halvledarskikt är fäst. Detta är viktigt eftersom överhettning kan förkorta en lysdiods livslängd.
En elektrod är ansluten till området av p-typ (anoden, en positiv terminal) och den andra till regionen av n-typ (katoden, en negativ terminal) ovanpå halvledarskiktet. Ett elektriskt fält alstras över p-n-övergången när en spänning tillförs över dessa elektroder (katoden är negativ och anoden är positiv). Halvledarens fria elektroner av n-typ skjuts mot korsningen av detta fält, medan p-halvledarens hål är ritade i samma riktning.
För att ljuset som genereras vid p-n-övergången ska kunna försvinna, måste halvledarskiktet vara transparent eller halv{1}}transparent (eller ha ett reflekterande skikt på ena sidan). Modernlysdioderanvänder material som galliumnitrid (GaN), som är transparenta för synligt ljus och garanterar att majoriteten av fotoner når ytan, i motsats till tidiga lysdioder, som ofta använde ogenomskinliga halvledarmaterial som begränsade ljuseffekten. Halvledarens p-n-övergång är där den primära ljusgenereringsprocessen- äger rum, även om vissa lysdioder också har en lins eller beläggning för att fokusera ljuset eller ändra dess färg.
Steg 1: Använda elektron-Hålrekombination och spänning
En extern spänning som ges till lysdiodernas elektroder initierar ljusemissionsprocessen genom att upprätta en förspänning framåt, vilket är den korrekta strömriktningen förLEDatt fungera; omvänd bias, å andra sidan, stoppar strömmen och producerar inget ljus. Fria elektroner från n-typområdet accelereras in i området p-typ, och hål från området p-typ accelereras in i området av n-typ av det elektriska fältet över p-n-övergången när framåtförspänning appliceras.
Dessa elektroner och hål kommer så småningom samman vid eller nära p-n-övergången när de färdas i samma riktning. En fri elektron från ledningsbandet i området av n-typ "faller" in i hålet när den kolliderar med ett hål från valensbandet i området p-typ, och ändras från ett högre energitillstånd i ledningsbandet till en lägre energinivå i valensbandet. Elektronen och hålet tar ut varandra under denna övergång, som är känd som rekombination, och den extra energin de förlorar sänds ut som en foton.
Storleken på halvledarens bandgap påverkar direkt energin hos denna foton, vilket ger ljuset dess färg. En foton med högre energi (och en kortare våglängd, som blått eller violett ljus) skapas när en elektron rekombinerar med ett hål och förlorar mer energi på grund av ett bredare bandgap. En foton med en längre våglängd, såsom rött eller orange ljus, och mindre energi produceras av ett mindre bandgap.
Till exempel:
På grund av dess smala bandgap avger galliumarsenid (GaAs) rött ljus med en våglängd på cirka 650 nm. På grund av dess bredare bandgap avger galliumnitrid (GaN) blått eller violett ljus med en våglängd på cirka 450 nm.
Tillverkare kan modifiera bandgapet för att producera lysdioder som genererar grönt, gult eller till och med vitt ljus genom att kombinera olika halvledarmaterial (som galliumindiumnitrid eller InGaN) (mer om vita lysdioder nedan).
Steg 2: Effektivitet och ljusextraktion
En del av de fotoner som genereras genom rekombination absorberas av själva halvledarmaterialet, medan andra reflekteras från elektroderna eller p-n-övergången och frigörs som värme. Inte alla dessa fotoner lämnarLEDsom synligt ljus. LED-designers använder ett antal strategier för att förbättra "ljusextraktion" för att optimera effektiviteten:
Substrat som är transparenta: Majoriteten av ljuset fångades av de ogenomskinliga substraten (som germanium) som användes i tidiga lysdioder. Transparenta substrat, som kiselkarbid eller safir, används i moderna lysdioder för att låta fotoner nå ytan.
Texturerade ytor: För att minska mängden ljus som reflekteras tillbaka in i materialet etsas halvledarytan ofta med små mönster, såsom stötar eller räfflor. Genom att ändra vinkeln med vilken ljus träffar ytan, ökar detta sannolikheten att det kommer att fly snarare än att studsa tillbaka.
Reflekterande lager: Baksidan av halvledaren är täckt med ett tunt lager av reflektion, ofta sammansatt av metall som aluminium eller silver. Detta lager ökar mängden ljus som lämnar lysdioden genom att reflektera fotoner som annars skulle gå förlorade genom substratet tillbaka mot framsidan av lysdioden.
Även om det är mycket mindre än med glödlampor, går viss energi fortfarande förlorad som värme trots dessa framsteg. Endast 10–25 % av energin går förlorad som värme i LED, där 75–90 % av energin omvandlas till ljus, jämfört med 90–95 % i glödlampor. På grund av sin utmärkta effektivitet använder lysdioder mycket mindre energi än konventionella lampor.
Hur vita lysdioder fungerar: en unik situation
Majoriteten av lysdioder avger bara en färg, eller monokromatiskt ljus, men vita lysdioder, som används i strålkastare, TV-apparater och hembelysning, behöver en annan strategi eftersom det inte finns ett halvledarmaterial med ett bandgap som direkt skapar vitt ljus. Snarare använder vita lysdioder en av två primära tekniker:
Omvandling av fosfor: En blåLED(gjord av galliumnitrid) täckt med gul fosfor-ett ämne som absorberar ljus av en våglängd och avger ljus från en annan-används i den mest populära tekniken. Fosforen absorberar en del av de blå fotoner som sänds ut av den blå lysdioden och åter-sänder ut gula fotoner. Våra ögon tolkar de överblivna blå fotonerna som vitt ljus när de väl kombineras med de gula fotonerna. Tillverkare lägger till spårmängder av röd eller grön fosfor till beläggningen för att ändra färgtemperaturen, eller "värmen" eller "svalheten", för det vita ljuset. Till exempel, tillsats av ytterligare blått ljus ger kallt vitt ljus (5 000 K–6 500 K), medan tillsats av röd fosfor ger varmt vitt ljus (2 700 K–3 000 K).
RGB-blandning: Denna mindre populära teknik kombinerar tre olika lysdioder-röd, grön och blå-till ett enda paket. De tre färgerna kombineras för att skapa vitt ljus (eller någon annan synlig spektrumnyans) genom att variera ljusstyrkan för varje lysdiod. Även om den här tekniken är dyrare än fosforkonvertering, används den i situationer som kräver exakt färghantering, som scenbelysning eller high-skärmar.
Skillnaden mellan lysdioder och konventionell belysning
Att veta hur lysdioder fungerar gör det lättare att se varför de presterar bättre än lysrör och glödlampor i nästan alla kategorier:
Energieffektivitet: LED använder elektroluminescens, vilket är naturligt effektivt; till skillnad från glödlampor, som spenderar energi på att värma en glödtråd, slösar inte lysrör inte på energi genom att producera UV-strålning.
Lång livslängd: Lysdioder brinner inte ut lätt eftersom de inte har några rörliga delar eller ömtåliga glödtrådar. Till skillnad från glödlampor, som har en livslängd på 1 000–2 000 timmar, har lysdioder en livslängd på 50 000–100 000 timmar på grund av halvledarmaterialets extremt gradvisa nedbrytning över tid.
Direkt på/av: Till skillnad från lysrör, som kräver några sekunder för att lysa upp helt, har lysdioder ingen uppvärmningstid- och aktiveras till full ljusstyrka direkt.
Hållbarhet: Eftersomlysdioderär solid-elektronik, de tål stötar, vibrationer och höga temperaturer, vilket gör dem perfekta för utomhusapplikationer eller tuffa miljöer (som bilar eller fabriker).
LED-teknikens framtid
Ny utveckling ökar potentialen för LED-teknik eftersom forskare och ingenjörer fortsätter att förbättra den. Till exempel:
QLEDs, eller quantum dot LEDs: Dessa förbättrar ljusstyrkan och färgnoggrannheten genom att använda quantum dots, som är små halvledarpartiklar. Forskare försöker göra QLED:er mer-energieffektiva för allmän belysning, och de finns för närvarande i avancerade-TV-apparater.
Mikrolysdioder: Dessa otroligt små lysdioder, som bara är några mikrometer i diameter, kan grupperas i täta arrayer för att producera flexibel belysning eller hög-skärmar. Framtida smartphones och TV-apparater förväntas använda mikro-LED istället för OLED på grund av deras längre livslängd och bättre effekt.
Perovskite LED: Jämfört med konventionella gallium-baserade material är perovskite en ny typ av halvledarmaterial som är billigare att tillverka. Forskare försöker öka stabiliteten hos perovskite-lysdioder för kommersiellt bruk eftersom de har visat lovande när det gäller att leverera starkt, effektivt ljus.
Avslutningsvis
lysdioderär mycket enkla enheter gjorda av en dopad halvledare med ap-n-övergång som använder elektron-hålsrekombination för att omvandla elektrisk energi till ljus. De är bland de mest effektiva och anpassningsbara ljustekniker som någonsin utvecklats, men deras enkelhet döljer komplexiteten i deras konstruktion, som inkluderar allt från konstruktion av ljusextraktion till den exakta regleringen av bandgapet. Att veta hur lysdioder fungerar gör att vi kan förstå både den sofistikerade vetenskapen som ligger till grund för dem och deras användbara fördelar (längre livslängder, billigare energikostnader). När LED-tekniken utvecklas ytterligare kommer den förmodligen att bidra ännu mer till att sänka den globala energianvändningen, stoppa klimatförändringarna och påverka ljusdesignen i framtiden-och visa att de viktigaste genombrotten ibland kommer från de mest grundläggande vetenskapliga principerna.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co.,Ltd
Telefon: +86 0755 27186329
Mobil(+86)18673599565
Whatsapp: 19113306783
E-post:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
Web:www.benweilight.com
