Hvernig virkar LED?
Þrátt fyrir að vera notaðar á mörgum sviðum nútímalífs, eins og að lýsa heimilum okkar, knýja snjallsímaskjái og stýra umferð, eru ljósdíóðir (LED) frábrugðnar hefðbundinni ljósatækni eins og glóperum eða flúrperum vegna háþróaðrar hálfleiðaraeðlisfræði.LEDnota ferli sem kallast rafljómun, sem er losun ljóseinda (ljósagna) þegar rafstraumur streymir í gegnum sérgert hálfleiðaraefni. Þetta er öfugt við glóperur, sem framleiða ljós með því að hita þráð, eða flúrljós, sem nota gas og UV geislun. Við verðum fyrst að skoða grundvallaratriði hálfleiðara, hönnun ljósdíóða og raðaðferðina sem breytir rafmagni í sýnilegt ljós til að skilja hvernig þetta gerist.
Grunnurinn: Orkubönd og hálfleiðarar
Sérhver LED er knúin af hálfleiðara, efni sem leiðir rafmagn lakara en leiðarar (eins og kopar) en betra en einangrunartæki (eins og gler). Rafeindaorkuböndin-orkusvæðin sem rafeindir geta tekið upp-eru nauðsynleg fyrir sérstaka hegðun hálfleiðara. Rafeindir hafa mismunandi orkustig í öllum efnum, en í föstum efnum sameinast þessi stig og mynda tvö meginbönd: leiðnibandið og gildissviðið.
Atóm efnisins eru haldin saman í kristallaðri byggingu af rafeindum í gildisbandinu sem eru þétt festar við frumeindirnar. Rafleiðni er möguleg vegna rafeindanna í leiðnisviðinu sem eru frjálsar til að flæða í gegnum efnið. Bandabilið, orkusvið sem rafeindir geta ekki búið í, er á milli þessara tveggja hljómsveita. Bandabilsstærð efnis ákvarðar hvort það er einangrunarefni, leiðari eða hálfleiðari: hálfleiðarar hafa lítið, mælanlegt bandbil (rafeindir geta farið yfir bilið með litlu inntaki af orku, eins og rafstraumur), leiðarar hafa ekkert bandbil (rafeindir fara frjálslega á milli bönda), og einangrunartæki eiga mjög erfitt með að stökkva í rafeindabandið (sem gerir það að verkum að það getur hoppað yfir rafeindirnar).
Hálfleiðarinn sem notaður er í LED er "dópaður", sem er aðferð sem breytir rafeiginleikum efnisins með því að bæta við snefilmagni af óhreinindum. Bæði n-gerð og p-gerð hálfleiðarar eru framleiddir með lyfjanotkun. Þegar frumefni með fleiri rafeindum, eins og fosfór, eru dópuð í hálfleiðara af N-gerð, verða þeir frjálsir til að hreyfast í leiðnisviðinu og gefa efninu neikvæða nettóhleðslu. Frumefni með færri rafeindir, eins og bór, eru notuð til að dópa P- hálfleiðara. Þetta leiðir til „göt“ eða rafeinda sem vantar í gildissviðið, sem virka sem jákvæðar hleðslur og geta farið í gegnum efnið þegar rafeindir fylla þær. Ljósdíóða virkar vegna p-n mótsins, sem er skurðpunktur þessara tveggja dópuðu svæða.
Uppbygging ljósdíóða: Frá ljósafleiðni til P-N móts
Einföld en samt nákvæm hönnun LED hámarkar ljósafköst en dregur úr orkutapi. p-n tengi þess er staðsett í þunnu lagi af hálfleiðara efni, venjulega gallíum-bundið, eins og gallíumarseníð eða gallíumnítríð. Undirlagið, undirstöðuefni sem veitir stuðning og hjálpar við hitaleiðni, er þar sem þetta hálfleiðaralag er fest. Þetta er mikilvægt þar sem ofhitnun getur stytt líftíma LED.
Önnur rafskautið er fest við p-gerð svæði (skautið, jákvæð stöð) og hin við n- gerð svæði (bakskautið, neikvæð stöð) ofan á hálfleiðara laginu. Rafsvið myndast yfir p-n mótið þegar spenna er sett yfir þessi rafskaut (bakskautið er neikvætt og rafskautið er jákvætt). Frjálsar rafeindir n-hálfleiðarans eru ýttar í átt að mótunum með þessu sviði, en p-hálfleiðaraholin eru dregin í sömu átt.
Til þess að ljósið sem myndast við p-n mótið sleppi út, verður hálfleiðaralagið að vera gegnsætt eða hálf-gegnsætt (eða hafa endurkastandi lag á annarri hliðinni). NútímalegtLEDnota efni eins og gallíumnítríð (GaN), sem eru gagnsæ fyrir sýnilegu ljósi og tryggja að meirihluti ljóseinda nái yfirborðinu, öfugt við snemma ljósdíóða, sem notuðu oft ógegnsætt hálfleiðara efni sem takmarkaði ljósafköst. P-n tengi hálfleiðarans er þar sem frumljós-myndunarferlið á sér stað, þó að sumar ljósdíóður eru einnig með linsu eða húðun til að stilla ljósið eða breyta lit þess.
Skref 1: Notkun rafeinda-Götusamsetningar og spennu
Ytri spenna sem gefin er á rafskaut LED ljósdíóðunnar setur ljósgeislunarferlið af stað með því að koma á forspennu, sem er rétta stefna straumflæðis fyrirLEDað virka; öfug hlutdrægni stöðvar aftur á móti straum og gefur ekkert ljós. Frjálsum rafeindum frá n-gerð svæði er hraðað inn í p-gerð svæði og holum frá p-gerð svæði er hraðað inn í n-gerð svæði með rafsviðinu yfir p-n mótum þegar forspennu er beitt.
Þessar rafeindir og holur koma að lokum saman við eða nálægt p-n mótum þegar þær ferðast í sömu átt. Frjáls rafeind frá leiðnisviði n-gerð svæðisins „fellur“ í holuna þegar hún rekst á gat úr gildissviði p-gerð svæðisins og breytist úr hærra orkuástandi í leiðnisviðinu í lægra orkustig í gildissviðinu. Rafeindin og gatið hætta hvort öðru við þessa umskipti, sem er þekkt sem endurröðun, og aukaorkan sem þau missa er gefin út sem ljóseind.
Stærð bandabils hálfleiðarans hefur bein áhrif á orku þessarar ljóseindar, sem gefur ljósinu lit sinn. Ljóseind með meiri orku (og styttri bylgjulengd, eins og blátt eða fjólublátt ljós) verður til þegar rafeind sameinast aftur með gati og missir meiri orku vegna breiðari bandbils. Ljóseind með lengri bylgjulengd, eins og rautt eða appelsínugult ljós, og minni orku er framleitt með minni bandbili.
Til dæmis:
Vegna þröngs bandbilsins gefur gallíumarseníð (GaAs) frá sér rautt ljós með bylgjulengd um 650 nm. Vegna breiðari bandbilsins gefur gallíumnítríð (GaN) frá sér blátt eða fjólublátt ljós með bylgjulengd um 450 nm.
Framleiðendur geta breytt bandbilinu til að framleiða ljósdíóða sem mynda grænt, gult eða jafnvel hvítt ljós með því að sameina ýmis hálfleiðaraefni (eins og gallíumindíumnítríð eða InGaN) (meira um hvíta ljósdíóða hér að neðan).
Skref 2: Skilvirkni og ljósútdráttur
Sumar ljóseindanna sem myndast við endursamsetningu frásogast af hálfleiðara efninu sjálfu á meðan aðrar endurkastast af rafskautum eða p-n mótum og losna sem hiti. Ekki yfirgefa allar þessar ljóseindirLEDsem sýnilegt ljós. LED hönnuðir nota ýmsar aðferðir til að auka „ljósútdrátt“ til að hámarka skilvirkni:
Undirlag sem er gegnsætt: Meirihluti ljóssins var fastur af ógegnsæjum undirlagi (eins og germaníum) sem notað var í fyrstu ljósdíóða. Gegnsætt hvarfefni, eins og kísilkarbíð eða safír, eru notuð í nútíma LED til að láta ljóseindir ná yfirborðinu.
Áferðarfletir: Til að draga úr magni ljóss sem endurkastast aftur inn í efnið er yfirborð hálfleiðarans oft ætið með smámynstri, svo sem höggum eða rifum. Með því að breyta horninu sem ljósið slær á yfirborðið eykur þetta líkurnar á því að það sleppi frekar en að það hoppi til baka.
Endurskinslög: Bakhlið hálfleiðarans er þakið þunnu lagi af endurspeglun, oft úr málmi eins og áli eða silfri. Þetta lag eykur magn ljóss sem fer frá LED með því að endurkasta ljóseindum sem annars myndu tapast í gegnum undirlagið aftur í átt að framhlið LED.
Þó mun minna en með glóandi ljósum, þá tapast samt nokkur orka sem hiti þrátt fyrir þessar framfarir. Aðeins 10–25% af orku tapast sem hiti í LED, þar sem 75–90% orkunnar er umbreytt í ljós, samanborið við 90–95% í glóperum. Vegna framúrskarandi skilvirkni þeirra nota LED mun minni orku en hefðbundin ljós.
Hvernig hvítir LED virka: Einstök aðstæður
Meirihluti LED gefur aðeins frá sér einn lit, eða einlita ljós, en hvítar LED, sem eru notaðar í framljósum, sjónvörpum og heimilislýsingu, þurfa aðra stefnu vegna þess að það er ekki hálfleiðaraefni með bandbil sem skapar beint hvítt ljós. Frekar nota hvítar LED eina af tveimur aðalaðferðum:
Umbreyting fosfórs: BlárLED(gert úr gallíumnítríði) þakið gulum fosfór-efni sem gleypir ljós af einni bylgjulengd og gefur frá sér ljós af annarri-er notað í vinsælustu tækninni. Fosfórinn gleypir hluta af bláu ljóseindunum sem bláa ljósdíóðan gefur frá sér og endur-gefur gular ljóseindir. Augu okkar túlka afganginn af bláu ljóseindunum sem hvítt ljós þegar þær sameinast gulu ljóseindunum. Framleiðendur bæta snefilmagni af rauðum eða grænum fosfórum við húðunina til að breyta litahitastiginu, eða „hlýju“ eða „svala“ hvíta ljóssins. Til dæmis, að bæta við bláu ljósi framleiðir kalt hvítt ljós (5.000K–6.500K), en að bæta við rauðum fosfór framleiðir heitt hvítt ljós (2.700K–3.000K).
RGB-blöndun: Þessi minna vinsæla tækni sameinar þrjár mismunandi LED-rauða, græna og bláa-í einn pakka. Litirnir þrír sameinast til að búa til hvítt ljós (eða annan sýnilegan litrófslit) með því að breyta birtustigi hvers LED. Þó að þessi tækni sé kostnaðarsamari en fosfórbreyting er hún notuð í aðstæðum sem krefjast nákvæmrar litastjórnunar, eins og sviðslýsingu eða hágæða skjái.
Munurinn á LED og hefðbundinni lýsingu
Að vita hvernig LED virka gerir það auðveldara að sjá hvers vegna þeir standa sig betur en flúrperur og glóperur í næstum öllum flokkum:
Orkunýtni: LED nota rafljómun, sem er náttúrulega skilvirkt; ólíkt glóperum, sem eyða orku í að hita þráð, eyða flúrljómar ekki orku í að framleiða UV geislun.
Langur líftími: LED brennur ekki auðveldlega út vegna þess að þeir hafa enga hreyfanlega hluta eða viðkvæma þráða. Ólíkt glóperum, sem hafa líftíma upp á 1.000–2.000 klukkustundir, hafa LED líftíma 50.000–100.000 klukkustundir vegna afar hægfara niðurbrots hálfleiðaraefnisins með tímanum.
Augnablik kveikt/slökkt: Ólíkt flúrljósum, sem þarf nokkrar sekúndur til að lýsa upp að fullu, hafa LED engan upphitunartíma- og virkjast í fullri birtu samstundis.
Ending: Vegna þessLEDeru rafeindatækni í föstu formi, þola þau högg, titring og háan hita, sem gerir þau fullkomin fyrir notkun utandyra eða erfiðar stillingar (eins og bíla eða verksmiðjur).
Framtíð LED tækni
Ný þróun eykur möguleika LED tækni þar sem vísindamenn og verkfræðingar halda áfram að bæta hana. Til dæmis:
QLED, eða skammtapunktur LED: Þetta bæta birtustig og lita nákvæmni með því að nota skammtapunkta, sem eru litlar hálfleiðara agnir. Rannsakendur eru að reyna að gera QLED orku-nýtnari fyrir almenna lýsingu og þær eru nú að finna í hágæða sjónvörpum.
Ör LED: Þessar ótrúlega örsmáu LED, sem eru aðeins örfáir míkrómetrar í þvermál, er hægt að flokka í þéttar fylki til að framleiða sveigjanlega lýsingu eða skjái með mikilli-upplausn. Gert er ráð fyrir að snjallsímar og sjónvörp í framtíðinni noti ör LED í stað OLED vegna lengri líftíma og betri framleiðni.
Perovskite LED: Í samanburði við hefðbundin gallíum-efni er perovskite ný tegund af hálfleiðara efni sem er ódýrara að framleiða. Vísindamenn eru að reyna að auka stöðugleika perovskite LED til notkunar í atvinnuskyni þar sem þeir hafa sýnt loforð um að skila björtu, skilvirku ljósi.
Að lokum
LEDeru mjög einföld tæki úr dópuðum hálfleiðara með ap-n mótum sem notar rafeinda-hola endursamsetningu til að umbreyta raforku í ljós. Þeir eru meðal áhrifaríkustu og aðlögunarhæfustu ljósatækni sem hefur verið þróuð, en einfaldleiki þeirra leynir flókinni byggingu þeirra, sem felur í sér allt frá verkfræði ljósútdráttar til nákvæmrar stjórnun á bandbilinu. Að vita hvernig LED virka gerir okkur kleift að skilja bæði háþróuð vísindi sem liggja til grundvallar þeim sem og gagnlega kosti þeirra (lengri líftíma, ódýrari orkukostnaður). Eftir því sem LED tæknin þróast enn frekar mun hún líklega leggja enn meira af mörkum til að draga úr orkunotkun á heimsvísu, stöðva loftslagsbreytingar og hafa áhrif á lýsingarhönnun í framtíðinni-sem sýnir fram á að stundum koma mikilvægustu byltingarnar frá grundvallarreglum vísindanna.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd
Sími: +86 0755 27186329
Farsími (+86)18673599565
Whatsapp: 19113306783
Netfang:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
Vefur:www.benweilight.com
