Πώς λειτουργεί ένα LED;
Παρά το γεγονός ότι χρησιμοποιούνται σε πολλές πτυχές της σύγχρονης ζωής, όπως ο φωτισμός των σπιτιών μας, η τροφοδοσία των οθονών smartphone και η κατεύθυνση της κυκλοφορίας, οι δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) διαφέρουν από τις πιο συμβατικές τεχνολογίες φωτισμού, όπως οι λαμπτήρες πυρακτώσεως ή οι λαμπτήρες φθορισμού, λόγω της εξελιγμένης φυσικής ημιαγωγών τους.LEDχρησιμοποιήστε μια διαδικασία γνωστή ως ηλεκτροφωταύγεια, η οποία είναι η εκπομπή φωτονίων (σωματίδια φωτός) όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσα από ένα ειδικά κατασκευασμένο υλικό ημιαγωγών. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τις πυρακτώσεις, οι οποίες παράγουν φως θερμαίνοντας ένα νήμα, ή τους φθορισμούς, οι οποίοι χρησιμοποιούν αέριο και υπεριώδη ακτινοβολία. Πρέπει πρώτα να εξετάσουμε τις βασικές αρχές των ημιαγωγών, τον σχεδιασμό ενός LED και τη διαδοχική διαδικασία που μετατρέπει τον ηλεκτρισμό σε ορατό φως προκειμένου να κατανοήσουμε πώς συμβαίνει αυτό.
Η βάση: Ζώνες Ενέργειας και Ημιαγωγοί
Κάθε LED τροφοδοτείται από έναν ημιαγωγό, μια ουσία που άγει τον ηλεκτρισμό χειρότερα από τους αγωγούς (όπως ο χαλκός) αλλά καλύτερα από τους μονωτές (όπως το γυαλί). Οι ζώνες ενέργειας ηλεκτρονίων-περιοχές ενέργειας που μπορούν να καταλάβουν τα ηλεκτρόνια-είναι απαραίτητες για τη χαρακτηριστική συμπεριφορά ενός ημιαγωγού. Τα ηλεκτρόνια έχουν διαφορετικά επίπεδα ενέργειας σε όλα τα υλικά, αλλά στα στερεά, αυτά τα επίπεδα συνδυάζονται για να σχηματίσουν δύο μεγάλες ζώνες: τη ζώνη αγωγιμότητας και τη ζώνη σθένους.
Τα άτομα του υλικού συγκρατούνται μαζί σε μια κρυσταλλική δομή από τα ηλεκτρόνια στη ζώνη σθένους, τα οποία είναι σταθερά συνδεδεμένα με τα άτομα. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα καθίσταται δυνατή από τα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας, τα οποία είναι ελεύθερα να ρέουν μέσα από την ουσία. Το διάκενο ζώνης, ένα εύρος ενέργειας που τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να κατοικήσουν, υπάρχει μεταξύ αυτών των δύο ζωνών. Το μέγεθος του διακένου ζώνης ενός υλικού καθορίζει εάν είναι μονωτής, αγωγός ή ημιαγωγός: οι ημιαγωγοί έχουν ένα μικρό, μετρήσιμο διάκενο ζώνης (τα ηλεκτρόνια μπορούν να διασχίσουν το διάκενο με μια μικρή είσοδο ενέργειας, όπως ένα ηλεκτρικό ρεύμα), οι αγωγοί δεν έχουν διάκενο ζώνης (τα ηλεκτρόνια κινούνται ελεύθερα μεταξύ των ζωνών) και δυσκολεύοντας τις ζώνες σε μεγάλες ζώνες ζώνη αγωγιμότητας).
Ο ημιαγωγός που χρησιμοποιείται στα LED είναι "ντοπάρισμα", η οποία είναι μια διαδικασία που τροποποιεί τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του υλικού προσθέτοντας ίχνη ακαθαρσιών. Και οι δύο ημιαγωγοί τύπου n-και p-τύπου παράγονται με ντόπινγκ. Όταν στοιχεία με πρόσθετα ηλεκτρόνια, όπως ο φώσφορος, προστίθενται σε ημιαγωγούς τύπου N{4}}, γίνονται ελεύθερα να κινούνται στη ζώνη αγωγιμότητας και δίνουν στο υλικό ένα καθαρό αρνητικό φορτίο. Στοιχεία με λιγότερα ηλεκτρόνια, όπως το βόριο, χρησιμοποιούνται για την επικόλληση ημιαγωγών τύπου P-. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα «οπές», ή ηλεκτρόνια που λείπουν στη ζώνη σθένους, τα οποία λειτουργούν ως θετικά φορτία και μπορούν να περάσουν μέσα από το υλικό καθώς τα ηλεκτρόνια τα γεμίζουν. Μια λυχνία LED λειτουργεί λόγω της διασταύρωσης p-n, η οποία είναι η τομή αυτών των δύο περιοχών με πρόσμιξη.
Δομή του LED: Από την έξοδο φωτός έως τη διασταύρωση P-N
Ο απλός αλλά ακριβής σχεδιασμός ενός LED μεγιστοποιεί την απόδοση φωτός ενώ μειώνει την απώλεια ενέργειας. Η διασταύρωση p-n του βρίσκεται σε ένα λεπτό στρώμα ημιαγωγού υλικού, τυπικά με βάση το γάλλιο, όπως το αρσενίδιο του γαλλίου ή το νιτρίδιο του γαλλίου. Το υπόστρωμα, ένα υλικό θεμελίωσης που παρέχει στήριξη και βοηθά στη διάχυση της θερμότητας, είναι το σημείο όπου συνδέεται αυτό το στρώμα ημιαγωγών. Αυτό είναι σημαντικό, καθώς η υπερθέρμανση μπορεί να μειώσει τη διάρκεια ζωής ενός LED.
Το ένα ηλεκτρόδιο είναι συνδεδεμένο στην περιοχή τύπου p- (την άνοδο, ένα θετικό τερματικό) και το άλλο στην περιοχή τύπου n- (η κάθοδος, ένας αρνητικός ακροδέκτης) πάνω από το στρώμα ημιαγωγού. Ένα ηλεκτρικό πεδίο παράγεται κατά μήκος της διασταύρωσης p-n όταν παρέχεται τάση σε αυτά τα ηλεκτρόδια (η κάθοδος είναι αρνητική και η άνοδος θετική). Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του ημιαγωγού τύπου n-σπρώχνονται προς τη διασταύρωση από αυτό το πεδίο, ενώ οι οπές του ημιαγωγού τύπου p-τρέχονται προς την ίδια κατεύθυνση.
Για να διαφύγει το φως που δημιουργείται στη διασταύρωση p-n, το στρώμα ημιαγωγού πρέπει να είναι διαφανές ή ημι{1}}(ή να έχει ένα ανακλαστικό στρώμα στη μία πλευρά). ΣύγχρονοςLEDχρησιμοποιούν υλικά όπως το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN), τα οποία είναι διαφανή στο ορατό φως και εγγυώνται ότι η πλειονότητα των φωτονίων φθάνει στην επιφάνεια, σε αντίθεση με τα πρώιμα LED, τα οποία χρησιμοποιούσαν συχνά αδιαφανή υλικά ημιαγωγών που περιόριζαν την απόδοση φωτός. Η διασταύρωση p-n του ημιαγωγού είναι όπου λαμβάνει χώρα η διαδικασία παραγωγής πρωτογενούς φωτός{{2}, αν και ορισμένα LED διαθέτουν επίσης φακό ή επίστρωση για να εστιάζουν το φως ή να αλλάζουν το χρώμα του.
Βήμα 1: Χρήση ηλεκτρονίων-Ανασυνδυασμού οπών και τάσης
Μια εξωτερική τάση που δίνεται στα ηλεκτρόδια του LED εκκινεί τη διαδικασία εκπομπής φωτός καθιερώνοντας μια πόλωση προς τα εμπρός, η οποία είναι η κατάλληλη κατεύθυνση ροής ρεύματος για τοLEDνα λειτουργήσει? Η αντίστροφη πόλωση, από την άλλη πλευρά, σταματά το ρεύμα και δεν παράγει φως. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια από την περιοχή τύπου n-επιταχύνονται στην περιοχή τύπου p-και οι οπές από την περιοχή τύπου p-επιταχύνονται στην περιοχή τύπου n-από το ηλεκτρικό πεδίο κατά μήκος της διασταύρωσης p-n όταν εφαρμόζεται μπροστινή πόλωση.
Αυτά τα ηλεκτρόνια και οι οπές ενώνονται τελικά στην ή κοντά στη διασταύρωση p-n καθώς ταξιδεύουν προς την ίδια κατεύθυνση. Ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο από τη ζώνη αγωγιμότητας της περιοχής τύπου n-«πέφτει» στην οπή όταν συγκρούεται με μια οπή από τη ζώνη σθένους της περιοχής τύπου p-, αλλάζοντας από κατάσταση υψηλότερης ενέργειας στη ζώνη αγωγιμότητας σε χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο στη ζώνη σθένους. Το ηλεκτρόνιο και η οπή αλληλοεξουδετερώνονται κατά τη διάρκεια αυτής της μετάβασης, η οποία είναι γνωστή ως ανασυνδυασμός, και η επιπλέον ενέργεια που χάνουν εκπέμπεται ως φωτόνιο.
Το μέγεθος του κενού ζώνης του ημιαγωγού επηρεάζει άμεσα την ενέργεια αυτού του φωτονίου, το οποίο δίνει στο φως το χρώμα του. Ένα φωτόνιο με υψηλότερη ενέργεια (και μικρότερο μήκος κύματος, όπως το μπλε ή το ιώδες φως) δημιουργείται όταν ένα ηλεκτρόνιο ανασυνδυάζεται με μια οπή και χάνει περισσότερη ενέργεια λόγω ενός ευρύτερου κενού ζώνης. Ένα φωτόνιο με μεγαλύτερο μήκος κύματος, όπως κόκκινο ή πορτοκαλί φως, και λιγότερη ενέργεια παράγεται από ένα μικρότερο διάκενο ζώνης.
Για παράδειγμα:
Λόγω του στενού κενού ζώνης του, το αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs) εκπέμπει κόκκινο φως με μήκος κύματος περίπου 650 nm. Λόγω του ευρύτερου κενού ζώνης του, το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) εκπέμπει μπλε ή ιώδες φως με μήκος κύματος περίπου 450 nm.
Οι κατασκευαστές μπορούν να τροποποιήσουν το διάκενο ζώνης για να παράγουν LED που παράγουν πράσινο, κίτρινο ή ακόμα και λευκό φως συνδυάζοντας διάφορα υλικά ημιαγωγών (όπως το νιτρίδιο του γαλλίου ινδίου ή InGaN) (περισσότερα για τα λευκά LED παρακάτω).
Βήμα 2: Αποδοτικότητα και ελαφριά εξαγωγή
Μερικά από τα φωτόνια που παράγονται από τον ανασυνδυασμό απορροφώνται από το ίδιο το υλικό ημιαγωγών, ενώ άλλα αντανακλώνται από τα ηλεκτρόδια ή τη διασταύρωση p-n και απελευθερώνονται ως θερμότητα. Δεν φεύγουν όλα αυτά τα φωτόνιαLEDως ορατό φως. Οι σχεδιαστές LED χρησιμοποιούν μια σειρά από στρατηγικές για να βελτιώσουν την "εξαγωγή φωτός" προκειμένου να βελτιστοποιήσουν την απόδοση:
Υποστρώματα που είναι διαφανή: Το μεγαλύτερο μέρος του φωτός παγιδεύτηκε από τα αδιαφανή υποστρώματα (όπως το γερμάνιο) που χρησιμοποιήθηκαν στα πρώτα LED. Διαφανή υποστρώματα, όπως καρβίδιο του πυριτίου ή ζαφείρι, χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα LED για να αφήσουν τα φωτόνια να φτάσουν στην επιφάνεια.
Επιφάνειες με υφή: Για να μειωθεί η ποσότητα του φωτός που ανακλάται πίσω στο υλικό, η επιφάνεια του ημιαγωγού είναι συχνά χαραγμένη με μικρά σχέδια, όπως εξογκώματα ή αυλακώσεις. Μεταβάλλοντας τη γωνία με την οποία το φως προσπίπτει στην επιφάνεια, αυξάνει την πιθανότητα να διαφύγει αντί να αναπηδήσει πίσω.
Ανακλαστικά στρώματα: Το πίσω μέρος του ημιαγωγού καλύπτεται με ένα λεπτό στρώμα ανάκλασης, που συχνά αποτελείται από μέταλλο όπως αλουμίνιο ή ασήμι. Αυτό το στρώμα αυξάνει την ποσότητα του φωτός που φεύγει από το LED αντανακλώντας φωτόνια που διαφορετικά θα χάνονταν μέσω του υποστρώματος πίσω προς το μπροστινό μέρος του LED.
Αν και πολύ λιγότερο από ό,τι με τα λαμπάκια πυρακτώσεως, κάποια ενέργεια εξακολουθεί να χάνεται ως θερμότητα παρά αυτές τις εξελίξεις. Μόνο το 10–25% της ενέργειας χάνεται ως θερμότητα στα LED, με το 75–90% της ενέργειας να μετατρέπεται σε φως, σε σύγκριση με το 90–95% στις πυρακτώσεις. Λόγω της εξαιρετικής τους απόδοσης, τα LED καταναλώνουν πολύ λιγότερη ενέργεια από τα συμβατικά φώτα.
Πώς λειτουργούν τα λευκά LED: Μια μοναδική κατάσταση
Η πλειονότητα των LED εκπέμπει μόνο ένα χρώμα ή μονόχρωμο φως, αλλά τα λευκά LED, τα οποία χρησιμοποιούνται σε προβολείς, τηλεοράσεις και οικιακό φωτισμό, χρειάζονται διαφορετική στρατηγική, επειδή δεν υπάρχει υλικό ημιαγωγών με διάκενο ζώνης που να δημιουργεί απευθείας λευκό φως. Αντίθετα, τα λευκά LED χρησιμοποιούν μία από τις δύο κύριες τεχνικές:
Μετατροπή Φωσφόρου: Ένα μπλεLED(από νιτρίδιο του γαλλίου) καλυμμένο με κίτρινο φώσφορο-μια ουσία που απορροφά φως ενός μήκους κύματος και εκπέμπει φως άλλου-χρησιμοποιείται στην πιο δημοφιλή τεχνική. Ο φώσφορος απορροφά μερικά από τα μπλε φωτόνια που εκπέμπονται από το μπλε LED και εκπέμπει ξανά-κίτρινα φωτόνια. Τα μάτια μας ερμηνεύουν τα μπλε φωτόνια που έχουν απομείνει ως λευκό φως μόλις ενωθούν με τα κίτρινα φωτόνια. Οι κατασκευαστές προσθέτουν ίχνη κόκκινου ή πράσινου φωσφόρου στην επίστρωση για να αλλάξουν τη θερμοκρασία χρώματος ή τη «ζεστασιά» ή τη «δροσερή» του λευκού φωτός. Για παράδειγμα, η προσθήκη επιπλέον μπλε φωτός παράγει ψυχρό λευκό φως (5.000K–6.500K), ενώ η προσθήκη κόκκινου φωσφόρου παράγει ζεστό λευκό φως (2.700K–3.000K).
Ανάμειξη RGB: Αυτή η λιγότερο δημοφιλής τεχνική συνδυάζει τρία διαφορετικά LED-κόκκινο, πράσινο και μπλε-σε ένα μόνο πακέτο. Τα τρία χρώματα συνδυάζονται για να δημιουργήσουν λευκό φως (ή οποιαδήποτε άλλη ορατή απόχρωση φάσματος) μεταβάλλοντας τη φωτεινότητα κάθε LED. Αν και αυτή η τεχνική είναι πιο δαπανηρή από τη μετατροπή του φωσφόρου, χρησιμοποιείται σε καταστάσεις που απαιτούν ακριβή διαχείριση χρωμάτων, όπως ο φωτισμός σκηνής ή οθόνες υψηλών{4}}.
Οι διακρίσεις μεταξύ LED και συμβατικού φωτισμού
Γνωρίζοντας πώς λειτουργούν οι λυχνίες LED, μπορείτε να δείτε ευκολότερα γιατί αποδίδουν καλύτερα από τους λαμπτήρες φθορισμού και πυρακτώσεως σχεδόν σε κάθε κατηγορία:
Ενεργειακή απόδοση: Τα LED χρησιμοποιούν ηλεκτροφωταύγεια, η οποία είναι φυσικά αποδοτική. Σε αντίθεση με τα λαμπάκια πυρακτώσεως, τα οποία ξοδεύουν ενέργεια για τη θέρμανση ενός νήματος, τα φθορίζοντα δεν σπαταλούν ενέργεια παράγοντας υπεριώδη ακτινοβολία.
Μεγάλη διάρκεια ζωής: Τα LED δεν καίγονται εύκολα επειδή δεν έχουν κινούμενα μέρη ή ευαίσθητα νήματα. Σε αντίθεση με τα πυρακτωμένα, τα οποία έχουν διάρκεια ζωής 1.000–2.000 ώρες, τα LED έχουν διάρκεια ζωής 50.000–100.000 ώρες λόγω της εξαιρετικά σταδιακής υποβάθμισης του υλικού ημιαγωγού με την πάροδο του χρόνου.
Άμεση ενεργοποίηση/απενεργοποίηση: Σε αντίθεση με τα φθορίζοντα, τα οποία χρειάζονται λίγα δευτερόλεπτα για να ανάψουν πλήρως, τα LED δεν έχουν χρόνο προθέρμανσης-και ενεργοποιούνται σε πλήρη φωτεινότητα αμέσως.
Ανθεκτικότητα: ΕπειδήLEDείναι ηλεκτρονικά στερεά-κατάστασης, μπορούν να αντέξουν κραδασμούς, κραδασμούς και υψηλές θερμοκρασίες, γεγονός που τα καθιστά ιδανικά για εφαρμογές σε εξωτερικούς χώρους ή σκληρές ρυθμίσεις (όπως αυτοκίνητα ή εργοστάσια).
Το μέλλον της τεχνολογίας LED
Οι νέες εξελίξεις αυξάνουν τις δυνατότητες της τεχνολογίας LED καθώς ερευνητές και μηχανικοί συνεχίζουν να τη βελτιώνουν. Για παράδειγμα:
QLED ή κβαντικές κουκκίδες LED: βελτιώνουν τη φωτεινότητα και την ακρίβεια των χρωμάτων χρησιμοποιώντας κβαντικές κουκκίδες, που είναι μικρά σωματίδια ημιαγωγών. Οι ερευνητές προσπαθούν να κάνουν τα QLED πιο ενεργειακά-αποτελεσματικά για γενικό φωτισμό και επί του παρόντος βρίσκονται σε τηλεοράσεις υψηλής ποιότητας.
Micro LED: Αυτά τα απίστευτα μικροσκοπικά LED, τα οποία έχουν μόνο λίγα μικρόμετρα, μπορούν να ομαδοποιηθούν σε πυκνές συστοιχίες για να παράγουν ευέλικτο φωτισμό ή οθόνες υψηλής- ανάλυσης. Τα μελλοντικά smartphones και τηλεοράσεις αναμένεται να χρησιμοποιούν micro LED αντί για OLED λόγω της μεγαλύτερης διάρκειας ζωής και της καλύτερης απόδοσης.
Περοβσκίτης LED: Σε σύγκριση με τα συμβατικά υλικά με βάση το γάλλιο-, ο περοβσκίτης είναι ένα νέο είδος υλικού ημιαγωγών που είναι λιγότερο ακριβό στην παραγωγή. Οι ερευνητές προσπαθούν να αυξήσουν τη σταθερότητα των λυχνιών LED περοβσκίτη για εμπορική χρήση, καθώς έχουν αποδείξει πολλά υποσχόμενα για την παροχή φωτεινού, αποτελεσματικού φωτός.
Εν κατακλείδι
LEDείναι πολύ απλές συσκευές κατασκευασμένες από ντοπαρισμένο ημιαγωγό με ap-n διασταύρωση που χρησιμοποιεί ανασυνδυασμό ηλεκτρονίων-για τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε φως. Είναι από τις πιο αποτελεσματικές και προσαρμόσιμες τεχνολογίες φωτισμού που αναπτύχθηκαν ποτέ, αλλά η απλότητά τους κρύβει την πολυπλοκότητα της κατασκευής τους, η οποία περιλαμβάνει τα πάντα, από τη μηχανική εξαγωγής φωτός μέχρι την ακριβή ρύθμιση του κενού ζώνης. Η γνώση του τρόπου λειτουργίας των LED μας επιτρέπει να κατανοήσουμε τόσο την εξελιγμένη επιστήμη που τα στηρίζει όσο και τα χρήσιμα πλεονεκτήματά τους (μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, φθηνότερο κόστος ενέργειας). Καθώς η τεχνολογία LED εξελίσσεται περαιτέρω, πιθανότατα θα συμβάλει ακόμη περισσότερο στη μείωση της παγκόσμιας χρήσης ενέργειας, στην ανάσχεση της κλιματικής αλλαγής και στον επηρεασμό του σχεδιασμού του φωτισμού στο μέλλον-δείχνοντας ότι μερικές φορές οι πιο σημαντικές ανακαλύψεις προέρχονται από τις πιο θεμελιώδεις επιστημονικές αρχές.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd
Τηλέφωνο: +86 0755 27186329
Κινητό (+86)18673599565
Whatsapp: 19113306783
E-mail:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
Ιστός:www.benweilight.com
