Τι προκαλεί έναLEDνα γίνει μπλε;
Ο σύγχρονος φωτισμός, οι οθόνες και τα ηλεκτρονικά έχουν μεταμορφωθεί πλήρως από τις δίοδοι εκπομπής φωτός- (LED), οι οποίες παρέχουν ενεργειακή απόδοση, εκτεταμένη διάρκεια ζωής και ευελιξία που δεν μπορούν να ταιριάξουν οι συμβατικοί λαμπτήρες πυρακτώσεως ή φθορισμού. Το μπλε φως έχει αναδειχθεί ως ένα από τα πιο κοινά χρώματα που παράγονται από τα LED και τροφοδοτεί τα πάντα, από προβολείς LED έως οθόνες smartphone έως και ιατρικό εξοπλισμό. Ωστόσο, τι πυροδοτεί συγκεκριμένα το μπλε φως που εκπέμπει ένα LED; Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή τους, οι σκόπιμες τεχνικές αποφάσεις και η βασική φυσική της λειτουργίας LED κρατούν το κλειδί για τη λύση. Για να κατανοήσουμε αυτό το φαινόμενο, πρέπει πρώτα να ανατέμνουμε τη διαδικασία παραγωγής φωτός- των LED και στη συνέχεια να δούμε τα συγκεκριμένα στοιχεία που προκαλούν την έξοδο τους να κλίνει προς το μπλε τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.
Βασικά, τα LED είναι συσκευές ημιαγωγών που χρησιμοποιούν μια διαδικασία γνωστή ως ηλεκτροφωταύγεια για να παράγουν φως. Τα LED παράγουν φως όταν τα ηλεκτρόνια και οι «τρύπες» (φορείς θετικού φορτίου) ανασυνδυάζονται μέσα σε ένα υλικό ημιαγωγών, σε αντίθεση με τους λαμπτήρες πυρακτώσεως, οι οποίοι παράγουν φως θερμαίνοντας ένα νήμα-μια σπάταλη διαδικασία που χάνει την πλειονότητα της ενέργειας ως θερμότητα. Λειτουργεί έτσι: Τα ηλεκτρόνια από τον αρνητικά φορτισμένο ημιαγωγό "n-τύπου" διασταυρώνονται στον θετικά φορτισμένο ημιαγωγό "p-τύπου" όταν παρέχεται ηλεκτρικό ρεύμα στο LED. Αυτά τα ηλεκτρόνια απελευθερώνουν ενέργεια με τη μορφή φωτονίων, ή σωματιδίων φωτός, καθώς χτυπούν και γεμίζουν τις οπές στο υλικό τύπου p-. Η ενέργεια του κενού ζώνης του ημιαγωγού καθορίζει την απόχρωση αυτού του φωτός. Όσο μεγαλύτερο είναι το χάσμα ζώνης (η διαφορά ενέργειας μεταξύ της ζώνης σθένους του ημιαγωγού, που περιέχει οπές, και της ζώνης αγωγιμότητας, που περιέχει ηλεκτρόνια), τόσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος του φωτός που απελευθερώνεται. Τα LED που δημιουργούν μπλε φως χρειάζονται ημιαγωγούς με σχετικά μεγάλο διάκενο ζώνης, επειδή το μπλε φως έχει μικρό μήκος κύματος (450–495 νανόμετρα). Ο πρωταρχικός και πιο σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την εκπομπή μπλε φωτός είναι αυτό το χαρακτηριστικό υλικό.
Η δημιουργία ημιαγωγών με βάση το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) και τα σχετικά κράματα, συμπεριλαμβανομένου του νιτριδίου του γαλλίου (InGaN), ήταν η σημαντική πρόοδος στην τεχνολογία μπλε LED, η οποία αναγνωρίστηκε με το Νόμπελ Φυσικής 2014. Επειδή τα τυπικά υλικά ημιαγωγών (όπως το αρσενίδιο του γαλλίου, που χρησιμοποιείται για τα κόκκινα και πράσινα LED) έχουν πολύ μικρό διάκενο για να παράγουν μπλε φως μικρού-μήκους κύματος, οι επιστήμονες δυσκολεύτηκαν να αναπτύξουν αποτελεσματικόμπλε LEDπριν από τη δεκαετία του 1990. Από την άλλη πλευρά, το GaN έχει ένα ευρύ διάκενο ζώνης περίπου 3,4 ηλεκτρον βολτ (eV), που είναι ακριβώς η ενέργεια που απαιτείται για την εκπομπή υπεριώδους (UV) φωτός. Οι μηχανικοί μπορούν να μειώσουν το χάσμα ζώνης ενσωματώνοντας μικροσκοπικές ποσότητες ινδίου στο GaN για να δημιουργήσουν το InGaN. Αυτό μετατοπίζει το φως εξόδου από το υπεριώδες σε μπλε μειώνοντας την ενέργεια του κενού ζώνης. Για παράδειγμα, φως με μήκος κύματος περίπου 450 nm εκπέμπεται από έναν ημιαγωγό InGaN με διάκενο ζώνης περίπου 2,7 eV, καθιστώντας τον ιδανικό για λαμπρό μπλε φωτισμό. Επειδή το InGaN μπορεί να γίνει κράμα για τη ρύθμιση του κενού ζώνης, έχει γίνει το τυπικό υλικό για μπλε LED. Τα μπλε LED (και τα λευκά LED που εξαρτώνται από αυτά) δεν θα ήταν δυνατά χωρίς ημιαγωγούς{10}}με βάση το GaN.
Η δομή του κβαντικού φρεατίου του LED είναι ένα άλλο κρίσιμο στοιχείο που επιτρέπει την παραγωγή μπλε φωτός. Ένα λεπτό στρώμα ημιαγωγού (συνήθως InGaN) τοποθετημένο μεταξύ δύο παχύτερων στρωμάτων ενός άλλου ημιαγωγού (συνήθως το ίδιο το GaN) ονομάζεται κβαντικό φρεάτιο. Τα ηλεκτρόνια και οι οπές μέσα στο στρώμα InGaN είναι περιορισμένα ή "παγιδευμένα", με τρόπο που αλλάζει τα ενεργειακά τους επίπεδα, επειδή το στρώμα είναι τόσο λεπτό-συνήθως μόνο μερικά νανόμετρα πάχους. Η απόδοση του LED αυξάνεται από αυτόν τον περιορισμό, γεγονός που αυξάνει την πιθανότητα τα ηλεκτρόνια και οι οπές να ανασυνδυαστούν και να παράγουν φωτόνια. Το πάχος και η σύνθεση του κβαντικού φρεατίου ρυθμίζονται προσεκτικά για μπλε LED. ένα στενότερο πηγάδι ή μια μεγαλύτερη συγκέντρωση ινδίου μπορεί-να συντονίσει το μήκος κύματος εκπομπής στην απαιτούμενη μπλε περιοχή. Για παράδειγμα, το φως μπορεί να μετατοπιστεί στα 470 nm από ένα κβαντικό πηγάδι InGaN πάχους 3-νανόμετρων-με 20% περιεκτικότητα σε ίνδιο και 460 nm από ένα πηγάδι 5-νανομέτρων με 15% ίνδιο. Τα μπλε LED είναι αρκετά φωτεινά για πρακτικές εφαρμογές, όπως προβολείς LED υψηλής ισχύος και ενδεικτικές λυχνίες στα ηλεκτρονικά, χάρη στην ικανότητα των κβαντικών πηγαδιών να μειώνουν τον μη ακτινοβόλο ανασυνδυασμό, που είναι η απώλεια ενέργειας ως θερμότητα και όχι ως φως.
Το μπλε φως μπορεί επίσης να είναι ένα απροσδόκητο αποτέλεσμα των LED, κυρίως των λευκών LED, παρόλο που πολλά LED είναι κατασκευασμένα ειδικά για τη δημιουργία του. Η πλειονότητα των λευκών LED χρησιμοποιεί μια τεχνική "μετατροπής φωσφόρου", στην οποία ένα τσιπ μπλε LED είναι επικαλυμμένο με ένα κίτρινο υλικό φωσφόρου (συνήθως γρανάτης αλουμινίου με πρόσμιξη δημητρίου- ή YAG:Ce), καθώς το λευκό φως δεν μπορεί να παραχθεί απευθείας από έναν μόνο ημιαγωγό (καθώς απαιτεί ένα μείγμα μήκους κύματος ορατού φάσματος). Ένα μέρος του μπλε φωτός από το LED απορροφάται και εκπέμπεται ξανά ως κίτρινο φως όταν προσκρούει στο φώσφορο. Στην ανθρώπινη όραση, το εναπομείναν μπλε φως εμφανίζεται ως λευκό φως επειδή αναμειγνύεται με το κίτρινο φως. Ωστόσο, δεν μετασχηματίζεται όλο το μπλε φως, εάν η επικάλυψη φωσφόρου είναι ανομοιόμορφη, υπερβολικά λεπτή ή χαμηλής ποιότητας. Αυτό μπορεί να παράγει μια "δροσερή λευκή" ή "μπλε-χρωματισμένη" λάμψη, η οποία είναι τυπική της φθηνήςΛαμπτήρες LEDή παλιά φωτιστικά με φώσφορο που έχει αλλοιωθεί με την πάροδο του χρόνου. Επειδή το μπλε φως επηρεάζει την παραγωγή μελατονίνης, το υπερβολικό μπλε φως από τα λευκά LED μπορεί περιστασιακά να προκαλέσει καταπόνηση των ματιών ή να επηρεάσει τους κιρκάδιους ρυθμούς. Αυτό τονίζει τη σημασία του κατάλληλου σχεδιασμού φωσφόρου. Αυτό το απροσδόκητο μπλε φως προκαλείται από κακή ενσωμάτωση φωσφόρου και όχι από ελάττωμα στη βασική λειτουργικότητα του LED.
Αν και δεν «αναγκάζουν» το LED να δημιουργήσει μπλε φως εξαρχής, οι περιβαλλοντικές συνθήκες μπορεί επίσης να επηρεάσουν το πόσο έντονο ή πώς ένα LED φαίνεται να εκπέμπει μπλε φως. Το χάσμα ζώνης του ημιαγωγού μπορεί να διευρυνθεί σημαντικά όταν θερμαίνονται τα LED (ένα σύνηθες πρόβλημα σε εφαρμογές υψηλής ισχύος), μετακινώντας το μήκος κύματος εκπομπής προς το κόκκινο άκρο του φάσματος. Αυτό είναι ένα παράδειγμα του πώς η θερμοκρασία επηρεάζει την απόδοση των LED. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια μικρή αλλαγή στο μήκος κύματος γιαμπλε LEDαπό 450 nm έως 455 nm, τα οποία είναι ελάχιστα αντιληπτά με γυμνό μάτι αλλά ποσοτικοποιούνται με όργανα. Από την άλλη πλευρά, ορισμένα LED υψηλής απόδοσης{{3} (όπως αυτά που βρίσκονται στους προβολείς) διαθέτουν συστήματα ψύξης, καθώς η λειτουργία τους σε χαμηλότερες θερμοκρασίες μπορεί να βελτιώσει την απόδοση και την απόδοση του μπλε φωτός. Η πυκνότητα ρεύματος είναι μια άλλη εκτίμηση. Ενώ η φωτεινότητα ενός μπλε LED μπορεί να αυξηθεί αυξάνοντας το ηλεκτρικό του ρεύμα, ένα υπερβολικό ρεύμα μπορεί να οδηγήσει σε "πτώση απόδοσης" ή μείωση της απόδοσης φωτός ανά μονάδα ρεύματος. Το υπερβολικό ρεύμα σε ακραίες καταστάσεις μπορεί να βλάψει τη δομή του κβαντικού φρεατίου, με αποτέλεσμα είτε ολική αστοχία είτε μόνιμη αλλαγή χρώματος που περιλαμβάνει ενισχυμένη εκπομπή μπλε φωτός. Αν και αυτές οι εξωτερικές συνθήκες μπορούν να αλλάξουν την απόδοση ενός LED με την πάροδο του χρόνου, δεν αλλάζουν την εγγενή ικανότητα του LED να δημιουργεί μπλε φως.
Συμπερασματικά, οι τρεις κύριες αιτίες εκπομπής μπλε φωτός από τα LED είναι η ενέργεια διάκενου ζώνης του υλικού ημιαγωγών, η εφαρμογή κραμάτων με βάση το GaN- (όπως το InGaN) που επιτρέπουν το φως μικρού-μήκους κύματος και η δομή του κβαντικού φρεατίου που βελτιώνει την απόδοση και προσαρμόζει το μήκος κύματος εκπομπής. Ενώ το ανεπιθύμητο μπλε φως (όπως σε ορισμένα λευκά LED) προκύπτει από προβλήματα που σχετίζονται με το φώσφορο-, τα μπλε LED που έχουν σχεδιαστεί σκόπιμα χρησιμοποιούν παρόμοιες αρχές για να παρέχουν λαμπρό, αποτελεσματικό μπλε φως για συγκεκριμένες εφαρμογές. Αν και μπορούν να έχουν αντίκτυπο στην απόδοση, οι περιβαλλοντικές συνθήκες όπως η θερμοκρασία και το ρεύμα δεν αλλάζουν τον θεμελιώδη μηχανισμό της εκπομπής μπλε φωτός. Η γνώση αυτών των λόγων όχι μόνο διευκρινίζει την ύπαρξημπλε LEDαλλά εφιστά επίσης την προσοχή στις εξελίξεις της μηχανικής που τους επέτρεψαν, τις εξελίξεις που εξακολουθούν να προωθούν τον φωτισμό, τις οθόνες και τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας προς τα εμπρός. Οι ερευνητές εξετάζουν νέα υλικά (όπως το νιτρίδιο του γαλλίου αλουμινίου για βαθύτερο μπλε ή υπεριώδες φως) και σχέδια για να αυξήσουν την απόδοση τουμπλε LEDκαθώς προχωρά η τεχνολογία LED. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες εφαρμογές στην ιατρική θεραπεία, τον καθαρισμό του νερού και τις οθόνες επόμενης-γενιάς.
Συχνές ερωτήσεις
Q1. Πώς μπορώ να πάρω αυτά τα δείγματα;
A1: Γεια, εύκολο για αυτό. δώστε μου τη διεύθυνσή σας και πείτε μου ποιο αντικείμενο χρειάζεστε, θα κανονίσουμε να σας σταλεί από την DHL ή τη FedEx.
Ε2: Τι λέτε για την ποιότητά σας;
A2: Όλη η πρώτη ύλη με κορυφαία ποιότητα για εξασφάλιση υψηλής φωτεινότητας και αρκετής φωτεινότητας.
Ε3: Τι γίνεται με το The Lead Time;
A3: Το δείγμα χρειάζεται 3-5 ημέρες, ο χρόνος μαζικής παραγωγής χρειάζεται 25-40 ημέρες μετά την παραλαβή της κατάθεσης
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd
Τηλέφωνο: +86 0755 27186329
Κινητό (+86)18673599565
Whatsapp: 19113306783
E-mail:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
Ιστοσελίδα: www.benweilight.com
