LED za razsvetljavo: Osnovna fizika in možnosti za prihranke energije

Leta 2014 so Isamu Akasaki, Hiroshi Amano in Shuji Nakamura prejeli Nobelovo nagrado iz fizike za njihovo ustvarjanje učinkovitih modrih svetlobnih diod, ki so olajšale razvoj svetlih in energetsko učinkovitih virov bele svetlobe. V zadnjih letihLahke diode (LED) vse bolj prodrli v domači razsvetljavi in druge množične trge. Ta članek želi predložiti pregled fizike LED, glavnih prebojev, ki so dosegli vrhunec v Nobelovi nagradi 2014, in potencial za ohranjanje energije, ki ga LED lahko olajšajo.

heat lights for chicken coops

Lahke diode (LED) so že več desetletij sestavni del vsakodnevnega življenja, ki izvirajo z indikatorskimi svetilkami in infrardečimi daljinskimi upravljalniki v šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Vendar je bila leta 2014 podeljena Nobelova nagrada za fiziko, posebej za modre LED, kar je na koncu omogočilo proizvodnjo bele svetlobe. Ta članek je razjasniti temeljno fiziko LED, da pokažejo svoj potencial kot vrhunski svetlobni oddajniki, zlasti za uporabo v razsvetljavi. Prav tako bo zagotovil kratko zgodovino izumov, ki so prispevali k sodobnim LED -om in razložili utemeljitev Nobelove nagrade za fiziko iz leta 2014, ki jo je Akasaki, Amano in Nakamura podelil. Konec koncev bom preučil, ali sodobne LED -LED žarniceza osvetlitev doma.

V tem razdelku bo kratek pregled zgodovine elektroluminiscence, osredotočen na elektroluminiscenco anorganskih polprevodnikov, ki mu sledi opis fizike, na kateri temeljijo sodobne LED. Elektroluminiscenca je pojav, v katerem se oddaja svetloba, ko električni tok preide skozi snov. Lahko se trdi, da so žarnice z žariščno žarnico ("Edison" žarnica) elektroluminiscenčne; Vendar v tem scenariju trenutni pretok segreva material in rezultate emisij svetlobe samo iz povišane temperature nitke. Tako se je natančneje sklicevati na elektroluminiscenco, kadar tok tok neposredno olajša mehanizem emisije svetlobe. Začetna dokumentacija o elektroluminiscenci se je leta 1907 zgodila s HJ Round, ki jo je zaposlil podjetje Marconi. Vzpostavil je silicijev karbidni vzorec (takrat imenovan karborondum) in opazil svetlobo različnih barv glede na namestitev elektrode in napetosti. Takrat ni razumel pojava. Dve desetletji pozneje je Oleg Losev, mladi ruski tehnik v radijskem laboratoriju Nizhny Novgorod, dosegel pomemben napredek v eksperimentalnem opazovanju in razumevanju silicijevih diod, ki oddajajo svetlobne karbide. Specifically, he submitted a patent in 1929 encompassing the subsequent claim: "The proposed invention employs the established phenomenon of luminescence in a carborundum detector and entails the utilisation of such a detector in an optical relay to facilitate rapid telegraphic and telephone communication, image transmission, and other applications, wherein a luminescent contact point serves as the light source directly linked to a modulated current vezje. " To je resnično izjemno: A 26- letni delavec z omejeno formalno izobrazbo v fiziki je leta 1929 patentiral visoko hitrost prenosa podatkov z električno modulacijo vira polprevodnika. V štiridesetih letih prejšnjega stoletja je izboljšano razumevanje in nadzor polprevodnikov povzročil ustvarjanje prvega P - N križišča, ki mu je sledil izum prvega tranzistorja. Začetne LED, ki uporabljajo dobro razvite stičišča P-I-N, bi lahko posledično izdelali in izboljšali.
Polprevodnik je snov, katere prevodnost lahko spremenimo z uvedbo nečistoč, znanih kot dopants. Anorganski polprevodniki so kristalni materiali, kot so silicij (SI), galijev arsenid (GAAS), indijev fosfid (INP) in galijev nitrid (GAN), za katerega so značilni energetski pasovi za elektrone. Zgornja zasedena energetska pas se imenuje valenčni pas, ki je napolnjen z elektroni v neoviranem polprevodniku, vendar naslednji višji energetski pas, znan kot prevodni pas, ostane povsem prazen v neoviranem polprevodniku. Energetsko neskladje med minimalnim prevodnim pasom in najvišjo valenčno skupino se imenuje polprevodniški vrzel. Postopek svetlobne emisije v polprevodniku je preprost: ko elektron zaseda prevodni pas in v valenčnem pasu obstaja prosto delovno mesto (imenovano luknjo), lahko prevodni elektron prehaja v zasedbo prostega stanja v valenčnem pasu in sprosti razlike v energiji (vrzel v pasu) kot izpuščeni foton (slika 1). Elektron in luknja rekombinira, kar ima za posledico oddajanje fotona. Ta postopek se pojavlja pri večini polprevodnikov, z izjemnimi izjemami, znanimi kot posredni polprevodniki, kot sta silicij ali germanium, kjer fotonske emisije ni neposredno dovoljeno, kar ima za posledico znatno neučinkovitost. Za izdelavo polprevodniškega LED je bistvenega pomena, da sočasno postavite elektrone v prevodni pas in luknje v valenčnem pasu znotraj materiala. Tukaj doping prevzame pomen. Intrinzični polprevodnik deluje kot izolator, saj elektroni v valenčnem pasu ostanejo nepremični zaradi odsotnosti razpoložljivih stanj za elektronsko gibanje; Kljub temu lahko polprevodnike dopiramo v dveh različnih manirah. Kadar so nečistoče vključene v kristal z dodatnim elektronom na atom, ti presežni elektroni prehajajo na prevodni pas. Na primer, nadomeščanje nekaterih atomov GA z atomi SI v kristalu Gaas povzroči dopingo N-tipa, za katerega je značilna prisotnost elektronov v prevodnem pasu. Nasprotno pa lahko uvedemo nečistoče brez elektrona, kar ima za posledico dopingo P-tipa, za katerega je značilen obstoj lukenj v valenčni pasovi. Ključni vidik je, da dopants predstavljajo manjšinske atome znotraj kristalne strukture: en sam atom dopinga med milijon standardnih atomov lahko znatno poveča električno prevodnost. Obvladovanje ravni dopinga je bistvenega pomena za prilagajanje električnih značilnosti polprevodnikov. To strokovno znanje, ki se je začelo v štiridesetih in petdesetih letih prejšnjega stoletja, je povzročilo revolucije v mikroelektroniki in optoelektroniki. Temeljna konfiguracija za emisije svetlobe iz polprevodnika vključuje integracijo N-tipa (z elektroni v prevodnem pasu) in p-tipa (z luknjami ali odsotnostjo elektronov, v valenčnem pasu). Če so podvrženi električni pristranskosti, elektroni in luknji, ki prečkajo nasprotne smeri-kjer je luknja, ki se premika levo v valenčnem pasu, ustreza desnem premiku elektronov na stiku PN, kar ima za posledico rekombinacijo, ki oddaja fotone (slika 2). Po razumevanju raziskovalne skupnosti je postalo vidno potrebno dejanje: sposobnost sinteze kakovostnih kristalov z natančno nadzorovanim dopingom P in N-tipa. Otvoritvena infrardeča LED GAAS je bila razstavljena leta 1962, nato pa so jo nasledile začetne vidne LED, ki so jih razvile druge ekipe. N. Holonyak, raziskovalec General Electric, se je zavzemal za zlitino GAASP, ki mu je omogočil, da je predstavil otvoritveni vidni polprevodniški diode laser. Ključnega pomena je priznati N. Holonyak, ki je med drugim bistveno napredoval razumevanje in nadzor nad oddajalci polprevodnikov svetlobe. Leta 1963 je Nick Holonyak v Reader's Digest napovedal, da bodo polprevodniške LED -ji sčasoma nadomestile vse žarnice za splošne razsvetljave, kljub začetnim polprevodniškim LED -om, ki oddajajo zelo slabo svetlobo in kažejo učinkovitost samo frakcij v odstotkih zaradi nižjega materiala. Katera merila je uporabil za ustvarjanje te napovedi? Holonyak je spoznal, da žarnice žarnice delujejo podobno kot oddajalci črnega telesa, kar ustvarja spektralno krivuljo, povezano s temperaturo nitke; Ko se temperatura zvišuje, se emisijski spekter premakne proti krajšim valovnim dolžinam. Najučinkovitejše žarnice v žarilnici večinoma oddajajo infrardečo svetlobo, ki je neučinkovita za osvetlitev in namesto tega deluje kot vir toplote. Pretvorba električne energije v vidno optično moč je sama po sebi omejena na približno 5%. Pri polprevodniških LED se fizika bistveno razlikuje: skoraj 100% električne energije se lahko pretvori v optično moč, z dobro regulirano emisijsko valovno dolžino (predvsem vrzel pasu določa energijo in posledično valovno dolžino oddajanega fotona). Lahko si zamislimo napravo, opremljeno z LED, ki oddajajo več vidnih valovnih dolžin, pri čemer ima vsaka visoko (po možnosti enotnost) učinkovitost pretvorbe, s čimer omogoča emisijo vidne bele svetlobe (ali katere koli izbrane kombinacije vidnih barv) brez toplotnih izgub (slika 3). To bi moralo teoretično delovanje; Edini izziv je pri doseganju tehnološke zrelosti, potrebne za izdelavo izjemno učinkovitih LED pri določenih valovnih dolžinah. To prizadevanje je v naslednjih desetletjih zasedlo raziskovalce polprevodnikov in na koncu povzročilo2014 Nobelova nagrada.
led hog barn lights