Samenvatting
In 2014 ontvingen Isamu Akasaki, Hiroshi Amano en Shuji Nakamura de Nobelprijs voor de natuurkunde voor hun creatie van efficiënte blauwe lichtemitterende diodes, die de ontwikkeling van heldere en energie-efficiënte witte lichtbronnen vergemakkelijkten. De afgelopen jaren,Light-emitting diodes (LED's) zijn in toenemende mate de sector thuisverlichting en andere massamarkten binnengedrongen. Dit artikel beoogt een overzicht te geven van de fysica van LED's, de belangrijkste doorbraken die culmineerden in de Nobelprijs van 2014 en het potentieel voor energiebesparing dat LEDS kan vergemakkelijken.
1. Inleiding
Lichtemitterende diodes (LED's) zijn al enkele decennia een integraal onderdeel van het dagelijkse leven, afkomstig van indicatielampen en infrarood afstandsbedieningen in de jaren zestig. De Nobelprijs voor de natuurkunde werd echter in 2014 toegekend, specifiek voor blauwe LED's, die uiteindelijk de productie van wit licht mogelijk maakte. Dit artikel is bedoeld om de fundamentele LED -fysica op te helderen om hun potentieel als superieure lichtemitters aan te tonen, met name voor verlichtingstoepassingen. Het zal ook een korte geschiedenis van de uitvindingen bieden die hebben bijgedragen aan moderne LED's en de redeneer achter de Nobelprijs voor de fysica van 2014 uitleggen die zijn toegekend aan Akasaki, Amano en Nakamura. Uiteindelijk zal ik onderzoeken of hedendaagse LED's echt leiden tot energiebesparing, en meer pragmatisch, of het economisch verstandig is voor individuele consumenten om te kopenLED -lampenvoor huisverlichting.
2. Hoe functioneren halfgeleider -LED's?
Deze sectie zal een kort overzicht geven van de geschiedenis van elektroluminescentie, die zich concentreert op de elektroluminescentie van anorganische halfgeleiders, gevolgd door een beschrijving van de onderliggende fysica die onderliggende hedendaagse LED's. Elektroluminescentie is het fenomeen waarbij licht wordt uitgestoten wanneer een elektrische stroom door een stof gaat. Er kan worden beweerd dat gloeilampen (de "Edison" -bol) elektroluminescerend zijn; In dit scenario verwarmt de stroomstroom het materiaal en ontstaat lichtemissie echter uitsluitend uit de verhoogde temperatuur van de gloeidraad. Het is dus nauwkeuriger om te verwijzen naar elektroluminescentie wanneer de stroomstroming direct het lichtemissiemechanisme vergemakkelijkt. De eerste documentatie van elektroluminescentie vond plaats in 1907 door HJ Round, in dienst van de Marconi Company. Hij heeft een siliciumcarbide -monster vooringenomen (toen aangeduid als carborundum) en werd het licht van verschillende kleuren waargenomen volgens de toegepaste elektrode -plaatsing en spanning. Hij begreep het fenomeen op dat moment niet. Twee decennia later behaalde Oleg Losev, een jonge Russische technicus bij het Nizhny Novgorod Radio Laboratory, aanzienlijke vooruitgang in de experimentele observatie en begrip van siliciumcarbide lichtemitterende diodes. In het bijzonder diende hij een patent in in 1929 waarin de daaropvolgende claim omvatte: "De voorgestelde uitvinding maakt gebruik van het vastgestelde fenomeen luminescentie in een carborundumdetector en houdt het gebruik in van een dergelijke detector in een optisch relais in een optisch relais in een optische vergoeding in een gemodificeerde stroom. Circuit. " Dit is echt opmerkelijk: een 26- -jarige werknemer met beperkte formeel onderwijs in de natuurkunde heeft de hoge overdracht van gegevens gepatenteerd met behulp van elektrische modulatie van een halfgeleiderlichtbron in 1929. De innovatieve publicaties en patenten van LoseV bleven echter al tientallen jaren grotendeels obscuur. In de jaren veertig resulteerde verbeterde begrip en controle van halfgeleiders in het creëren van de eerste P - N -junctie, gevolgd door de uitvinding van de eerste transistor. De initiële LED's met goed ontwikkelde P-I-N-knooppunten kunnen bijgevolg worden gefabriceerd en verbeterd.
Een halfgeleider is een stof waarvan de geleidbaarheid kan worden gewijzigd door de introductie van onzuiverheden die bekend staan als dopants. Anorganische halfgeleiders zijn kristallijne materialen zoals silicium (SI), galliumarsenide (GaAs), indiumfosfide (INP) en galliumnitride (GAN), gekenmerkt door energiebanden voor elektronen. De bovenste bezette energieband wordt de valentieband genoemd, die gevuld is met elektronen in een ongedoteerde halfgeleider, maar de daaropvolgende hogere energieband, bekend als de geleidingsband, blijft volledig leeg in een ongedoteerde halfgeleider. De energie -ongelijkheid tussen het minimum van de geleidingsband en de hoogste van de valentieband wordt de bandafstand van de halfgeleider genoemd. Het lichtemissieproces in een halfgeleider is eenvoudig: wanneer een elektron de geleidingsband bezet en er een leegstand bestaat in de valentieband (een gat genoemd), kan het geleidingsband elektron overstappen om de lege toestand in de valentieband te bezetten, waardoor het energieverschil (de band gap) als een emited photon (Fig. 1) wordt afgewezen (Fig. 1). Het elektron en het gatrecombinatie, resulterend in de emissie van een foton. Dit proces vindt plaats in de meeste halfgeleiders, met opmerkelijke uitzonderingen die bekend staan als indirecte halfgeleiders, zoals silicium of germanium, waar fotonemissie niet direct is toegestaan, wat resulteert in een aanzienlijke inefficiëntie. Om een halfgeleider -LED te fabriceren, is het essentieel om gelijktijdig elektronen in de geleidingsband en gaten in de valentieband in het materiaal te plaatsen. Dit is waar doping betekenis aanneemt. Een intrinsieke halfgeleider functioneert als een isolator, omdat de elektronen in de valentieband immobiel blijven vanwege de afwezigheid van beschikbare toestanden voor elektronische beweging; Niettemin kunnen halfgeleiders op twee verschillende manieren worden gedoteerd. Wanneer onzuiverheden in het kristal worden opgenomen met een extra elektron per atoom, gaan deze overtollige elektronen over naar de geleidingsband. Het vervangen van enkele GA-atomen door Si-atomen in een GaAs-kristal resulteert bijvoorbeeld in doping van het N-type, gekenmerkt door de aanwezigheid van elektronen in de geleidingsband. Omgekeerd kunnen onzuiverheden zonder elektron worden geïntroduceerd, wat resulteert in p-type doping, gekenmerkt door het bestaan van gaten in de valentieband. Een cruciaal aspect is dat doteermiddelen minderheidsatomen vormen in de kristalstructuur: een enkel doping -atoom onder een miljoen standaardatomen kan de elektrische geleidbaarheid aanzienlijk verbeteren. Het beheersen van het dopingniveau is essentieel voor het aanpassen van de elektrische kenmerken van halfgeleiders. Deze expertise, die in de jaren 1940 en 1950 begon, liet de revoluties in micro -elektronica en opto -elektronica op. De fundamentele configuratie voor lichtemissie van een halfgeleider omvat de integratie van n-type (met elektronen in de geleidingsband) en p-type (met gaten of afwezigheid van elektronen, in de valentieband) materialen. Wanneer ze worden onderworpen aan elektrische vooringenomenheid, komen elektronen en gaten, die in tegengestelde richtingen doorkruisen, een links bewegend gat in de valentieband overeen met naar rechts bewegende elektronen-convergeren bij de PN-junctie, resulterend in recombinatie die fotonen uitstraalt (Fig. 2). Na begrip door de onderzoeksgemeenschap werd de vereiste actie duidelijk: het vermogen om kristallen van hoge kwaliteit te synthetiseren met nauwkeurig gecontroleerde p-type en n-type doping. De inaugurele GaAs Infrared LED werd tentoongesteld in 1962, vervolgens opgevolgd door de eerste zichtbare LED's die door andere teams zijn ontwikkeld. N. Holonyak, een onderzoeker bij General Electric, pleitte voor de Gaasp -legering, waardoor hij de inaugurele zichtbare halfgeleidendiode -laser kan laten zien. Het is essentieel om N. Holonyak te erkennen, die onder andere het begrip en de controle van Semiconductor Light -emitters aanzienlijk heeft voortgebracht. In 1963 voorspelde Nick Holonyak in de Digest van de lezer dat Semiconductor LED's uiteindelijk alle gloeilampen zouden vervangen voor algemene verlichtingstoepassingen, ondanks de initiële halfgeleider -LED's die zeer zwak licht uitzenden en efficiëntie vertoonden van slechts fracties van een percentage als gevolg van inferieure materiaalkwaliteit. Welke criteria gebruikte hij om deze voorspelling te genereren? Holonyak erkende dat gloeilampen op vergelijkbare wijze functioneren als emitters van zwart-lichaam, waardoor een spectrale curve werd gecorreleerd met de gloeidraadtemperatuur; Naarmate de temperatuur stijgt, verschuift het emissiespectrum naar kortere golflengten. De meest efficiënte gloeilampen stoten meestal infraroodlicht uit, wat niet effectief is voor verlichting en in plaats daarvan functioneert als een warmtebron. De omzetting van elektrische vermogen naar zichtbaar optisch vermogen is inherent beperkt bij ongeveer 5%. In Semiconductor LED's divergeert de fysica aanzienlijk: bijna 100% van het elektrische vermogen kan worden omgezet in optisch vermogen, met een goed gereguleerde emissiegolflengte (met name de bandafstand bepaalt de energie en bijgevolg de golflengte van het uitgezonden foton). Men kan zich een apparaat voorstellen dat is uitgerust met LED's die over verschillende zichtbare golflengten uitstoten, die elk een hoge (bij voorkeur eenheid) conversie -efficiëntie vertonen, waardoor de emissie van zichtbaar wit licht (of een geselecteerde combinatie van zichtbare kleuren) zonder thermische verliezen mogelijk is (Fig. 3). Dit moet in theorie functioneren; De enige uitdaging is het bereiken van de technologische volwassenheid die nodig is om extreem efficiënte LED's te produceren bij bepaalde golflengten. Dit streven bezette de volgende decennia halfgeleideronderzoekers en resulteerde uiteindelijk in deNobelprijs 2014.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd werd opgericht in 2010. Het is een nationale hightech-onderneming die ontwerp, R&D, productie en verkoop van producten binnen en buitenverlichting integreert en kan ook OEM, ODM.bwzm18@ledbenweilighting.com
