خلاصه
در سال 2014 ، Isamu Akasaki ، Hiroshi Amano و Shuji Nakamura به دلیل ایجاد دیودهای کارآمد در تابش نور آبی ، که باعث توسعه منابع نور سفید روشن و کارآمد شد ، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند. در سالهای اخیر ،دیودهای ساطع کننده نور (LED) به طور فزاینده ای به بخش روشنایی خانه و سایر بازارهای انبوه نفوذ کرده اند. در این مقاله به دنبال ارائه مروری بر فیزیک LED ها ، پیشرفت های عمده ای که در جایزه نوبل سال 2014 به اوج رسیده است ، و پتانسیل حفظ انرژی که LED ها ممکن است تسهیل شود.
1. مقدمه
دیودهای ساطع کننده نور (LED) برای چندین دهه برای زندگی روزمره یکپارچه بوده اند که با لامپ های نشانگر و کنترل از راه دور مادون قرمز در دهه 1960 سرچشمه می گیرد. با این حال ، جایزه نوبل فیزیک در سال 2014 به طور خاص برای LED های آبی اهدا شد ، که در نهایت تولید نور سفید را امکان پذیر کرد. این مقاله با هدف روشن کردن فیزیک بنیادی LED برای نشان دادن پتانسیل های خود به عنوان انتشار دهنده های برتر نور ، به ویژه برای برنامه های روشنایی انجام شده است. همچنین تاریخچه مختصری از اختراعاتی را که به LED های مدرن کمک کرده و دلیل منطقی پشت جایزه نوبل فیزیک 2014 را که به آکازاکی ، آمانو و ناکامورا اهدا شده است ، ارائه می دهد. در نهایت ، من بررسی خواهم کرد که آیا LED های معاصر واقعاً منجر به حفاظت از انرژی می شوند و از نظر عملی تر ، اگر از نظر اقتصادی برای مصرف کنندگان فردی معقول باشدلامپ های LEDبرای روشنایی خانگی.
2. LED های نیمه هادی چگونه کار می کنند؟
در این بخش مروری مختصر در مورد تاریخچه الکترولینسانس ، با تمرکز بر الکترولینسانس نیمه هادی های معدنی ، و به دنبال آن توضیحی از فیزیک اساسی LED های معاصر ارائه می شود. الکترولومینسانس پدیده ای است که در آن هنگام عبور جریان الکتریکی از یک ماده ، نور ساطع می شود. ممکن است ادعا شود که لامپ های رشته ای (لامپ "ادیسون") الکترولومینسانس هستند. با این حال ، در این سناریو ، جریان جریان مواد را گرم می کند و انتشار نور صرفاً از دمای بالا این رشته حاصل می شود. بنابراین ، دقیق تر است که وقتی جریان جریان به طور مستقیم مکانیسم انتشار نور را تسهیل می کند ، به الکترولومینسانس مراجعه کنید. مستندات اولیه الکترولومینسانس در سال 1907 توسط HJ Round ، که توسط شرکت مارکونی به کار رفته است ، رخ داده است. وی یک نمونه کاربید سیلیکون (سپس به آن Carborundum گفته می شود) و نور رنگ های مختلف را با توجه به قرار دادن الکترود و ولتاژ اعمال شده مشاهده کرد. او در آن زمان پدیده را درک نکرد. دو دهه بعد ، اولگ لوسو ، یک تکنسین جوان روسی در آزمایشگاه رادیو نیژنی نوگورود ، در مشاهده تجربی و درک دیودهای تابش نور کاربید سیلیکون به پیشرفت های چشمگیری دست یافت. به طور خاص ، وی در سال 1929 حق ثبت اختراع را ارائه داد و شامل ادعای بعدی: "اختراع پیشنهادی از پدیده ای از لومینسانس در یک ردیاب Carborundum استفاده می کند و مستلزم استفاده از چنین یک ردیاب در یک رله نوری است تا ارتباطات سریع تلگراف و تلفنی ، انتقال تصویر به طور مستقیم و سایر برنامه ها را انجام دهد. این واقعاً قابل توجه است: یک کارگر {3}}} با آموزش رسمی محدود در فیزیک ثبت اختراع با نرخ بالایی از داده ها با استفاده از مدولاسیون الکتریکی یک منبع نور نیمه هادی در سال 1929 ثبت شد. نشریات نوآورانه و حق ثبت اختراعات LOSTV ، با این حال ، به مدت چند دهه مبهم باقی مانده است. در دهه 1940 ، درک و کنترل نیمه هادی ها منجر به ایجاد اولین اتصال P -N شد و به دنبال آن اختراع اولین ترانزیستور انجام شد. LED های اولیه با استفاده از اتصالات P-I-N به خوبی توسعه یافته می توانند در نتیجه ساخت و تقویت شوند.
نیمه هادی ماده ای است که با معرفی ناخالصی های معروف به دوپانت ها ، هدایت آن را می توان تغییر داد. نیمه هادی های معدنی مواد کریستالی مانند سیلیکون (SI) ، گالیم آرسنید (GAAS) ، فسفید ایندیم (INP) و نیترید گالیم (GAN) هستند که توسط نوارهای انرژی برای الکترون ها مشخص می شوند. بالاترین باند انرژی اشغالی به عنوان باند Valence گفته می شود که در یک نیمه هادی بدون استفاده از الکترون ها پر شده است ، اما باند انرژی بالاتر متعاقب آن ، معروف به باند هدایت ، کاملاً خالی از سکنه نیمه هادی باقی مانده است. اختلاف انرژی بین حداقل باند هدایت و بالاترین باند Valence به عنوان شکاف باند نیمه هادی گفته می شود. فرآیند انتشار نور در یک نیمه هادی ساده است: هنگامی که یک الکترون باند هدایت را اشغال می کند و جای خالی در باند Valence (سوراخ نامیده می شود) وجود دارد ، الکترونی باند هدایت می تواند به حالت خالی در باند Valence منتقل شود و اختلاف انرژی (شکاف باند) را به عنوان یک فتون منتشر شده آزاد کند (شکل 1). الکترون و سوراخ نوترکیب ، و در نتیجه انتشار یک فوتون. این فرآیند در اکثر هادی های نیمه هادی اتفاق می افتد ، با استثنائات قابل توجه به عنوان نیمه هادی های غیرمستقیم مانند سیلیکون یا ژرمنیوم ، که در آن انتشار فوتون به طور مستقیم مجاز نیست ، و در نتیجه ناکارآمدی معنی دار است. برای ساخت یک LED نیمه هادی ، قرار دادن همزمان الکترون ها در باند هدایت و سوراخ های باند Valence در داخل مواد ضروری است. اینجاست که دوپینگ اهمیت را بر عهده دارد. یک نیمه هادی ذاتی به عنوان یک عایق عمل می کند ، زیرا الکترونهای موجود در باند ظرفیت به دلیل عدم وجود حالتهای موجود برای حرکت الکترونیکی ، بی حرکت هستند. با این وجود ، نیمه هادی ها را می توان در دو روش مجزا دوپ کرد. هنگامی که ناخالصی ها با یک الکترون اضافی در هر اتم در کریستال گنجانیده می شوند ، این الکترون های مازاد به باند هدایت منتقل می شوند. به عنوان مثال ، جایگزینی برخی از اتم های GA با اتم Si در یک کریستال GAAS منجر به دوپینگ نوع N می شود ، که با حضور الکترون ها در باند هدایت مشخص می شود. در مقابل ، ناخالصی های عاری از یک الکترون می توانند معرفی شوند و در نتیجه دوپینگ از نوع P ، با وجود سوراخ ها در باند Valence مشخص می شود. جنبه مهم این است که دوپانت ها اتم های اقلیت را در داخل ساختار کریستال تشکیل می دهند: یک اتم دوپینگ در بین یک میلیون اتم استاندارد می تواند به طور قابل توجهی هدایت الکتریکی را افزایش دهد. تسلط بر سطح دوپینگ برای شخصی سازی ویژگی های الکتریکی نیمه هادی ها ضروری است. این تخصص که از دهه 1940 و 1950 آغاز شد ، انقلابهای میکروالکترونیک و نوری را به وجود آورد. پیکربندی اساسی برای انتشار نور از یک نیمه هادی شامل ادغام نوع N (با الکترون در باند هدایت) و نوع P (با سوراخ یا عدم وجود الکترون در باند Valence) است. هنگامی که در معرض تعصب الکتریکی ، الکترون ها و سوراخ ها قرار می گیرند ، که در جهت های مخالف عبور می کنند-جایی که یک سوراخ حرکت به سمت چپ در باند Valence با الکترونهای با حرکت به سمت راست در محل اتصال PN مطابقت دارد ، و در نتیجه نوترکیبی ایجاد می شود که فوتون ها را منتشر می کند (شکل 2). پس از درک جامعه تحقیق ، عمل لازم آشکار شد: توانایی سنتز کریستال های با کیفیت بالا با دوپینگ از نوع P دقیقاً کنترل شده. افتتاحیه LED مادون قرمز GAAS در سال 1962 به نمایش گذاشته شد ، پس از آن توسط LED های قابل مشاهده اولیه که توسط تیم های دیگر توسعه یافته است ، موفق شد. N. Holonyak ، محقق جنرال الکتریک ، از آلیاژ GAASP دفاع کرد و به وی این امکان را داد تا لیزر دیود نیمه هادی قابل مشاهده را به نمایش بگذارد. تصدیق N. Holonyak ، که در میان دیگران ، درک و کنترل انتشار دهنده های نور نیمه هادی را به طور قابل توجهی پیشرفت کرده است ، ضروری است. در سال 1963 ، نیک هولونیاک در هضم خواننده پیش بینی کرد که LED های نیمه هادی در نهایت تمام لامپ ها را برای کاربردهای روشنایی عمومی ، علی رغم LED های نیمه هادی اولیه که دارای نور بسیار کم نور هستند و دارای راندمان تنها کسری از درصد به دلیل کیفیت پایین مواد هستند ، می دهد. او از چه معیارهایی برای تولید این پیش بینی استفاده کرد؟ هولونیاک تشخیص داد که لامپ های رشته ای به طور مشابه با انتشار دهنده های بدن سیاه عمل می کنند و یک منحنی طیفی با دمای رشته ایجاد می کنند. با افزایش دما ، طیف انتشار به سمت طول موج های کوتاه تر تغییر می کند. کارآمدترین لامپ های رشته ای عمدتا نور مادون قرمز را ساطع می کنند ، که برای روشنایی بی اثر است و در عوض به عنوان منبع گرما عمل می کند. تبدیل انرژی الکتریکی به قدرت نوری قابل مشاهده ذاتاً تقریباً 5 ٪ محدود می شود. در LED های نیمه هادی ، فیزیک به طور قابل توجهی منحرف می شود: تقریباً 100 ٪ از انرژی الکتریکی را می توان به قدرت نوری تبدیل کرد ، با طول موج انتشار به خوبی تنظیم شده (به ویژه ، شکاف باند انرژی و در نتیجه طول موج فوتون ساطع شده را تعیین می کند). می توان دستگاه مجهز به LED هایی را که بیش از چندین طول موج قابل مشاهده منتشر می کند ، تصور کند ، هر یک از راندمان تبدیل بالا (ترجیحاً وحدت) را نشان می دهد ، از این رو امکان انتشار نور سفید قابل مشاهده (یا هر ترکیب انتخابی از رنگهای قابل مشاهده) را بدون تلفات حرارتی فراهم می کند (شکل 3). این باید از نظر تئوری عملکرد ؛ تنها چالش در دستیابی به بلوغ تکنولوژیکی مورد نیاز برای تولید LED های بسیار کارآمد در طول موج های خاص است. این تلاش محققان نیمه هادی را برای دهه های بعدی اشغال کرد و در نهایت منجر به این شدجایزه نوبل 2014.
شرکت فناوری روشنایی Shenzhen Benwei ، Ltd در سال 2010 تأسیس شد. این یک شرکت ملی با فناوری پیشرفته ، تحقیق و توسعه ، تولید و فروش محصولات روشنایی داخلی و خارجی است و همچنین می تواند OEM را انجام دهد ، ODM. برای اطلاعات بیشتر در مورد پیشنهادات ما ، لطفاً با ما تماس بگیرید.bwzm18@ledbenweilighting.com
