Bagaimanakah LED berfungsi?
Walaupun digunakan dalam banyak aspek kehidupan moden, seperti menyalakan rumah kita, menghidupkan skrin telefon pintar dan mengarahkan lalu lintas,-diod pemancar cahaya (LED) berbeza daripada teknologi pencahayaan yang lebih konvensional seperti mentol pijar atau pendarfluor disebabkan fizik semikonduktor yang canggih.LEDgunakan proses yang dikenali sebagai electroluminescence, iaitu pelepasan foton (zarah cahaya) apabila arus elektrik mengalir melalui bahan semikonduktor yang dibuat khas. Ini berbeza dengan pijar, yang menghasilkan cahaya dengan memanaskan filamen, atau pendarfluor, yang menggunakan gas dan sinaran UV. Kita mesti terlebih dahulu mengkaji asas semikonduktor, reka bentuk LED, dan prosedur berjujukan yang menukar elektrik kepada cahaya boleh dilihat untuk memahami bagaimana ini berlaku.
Asas: Jalur Tenaga dan Semikonduktor
Setiap LED dikuasakan oleh semikonduktor, bahan yang mengalirkan elektrik lebih lemah daripada konduktor (seperti tembaga) tetapi lebih baik daripada penebat (seperti kaca). Jalur tenaga elektron-kawasan tenaga yang boleh diduduki oleh elektron-adalah penting untuk kelakuan tersendiri semikonduktor. Elektron mempunyai tahap tenaga yang berbeza dalam semua bahan, tetapi dalam pepejal, tahap ini bergabung untuk membentuk dua jalur utama: jalur pengaliran dan jalur valens.
Atom bahan disatukan dalam struktur kristal oleh elektron dalam jalur valensi, yang melekat kuat pada atom. Kekonduksian elektrik dimungkinkan oleh elektron dalam jalur pengaliran, yang bebas mengalir melalui bahan. Jurang jalur, julat tenaga yang tidak dapat didiami oleh elektron, wujud di antara kedua-dua jalur ini. Saiz jurang jalur bahan menentukan sama ada ia adalah penebat, konduktor atau semikonduktor: semikonduktor mempunyai jurang jalur yang kecil dan boleh diukur (elektron boleh menyeberangi jurang dengan input tenaga yang kecil, seperti arus elektrik), konduktor tidak mempunyai jurang jalur (elektron bergerak bebas antara jalur), dan penebat mempunyai jurang jalur yang sangat besar (menyukarkan elektron untuk melompat).
Semikonduktor yang digunakan dalam LED adalah "doped", yang merupakan prosedur yang mengubah suai ciri elektrik bahan dengan menambah jumlah surih kekotoran. Kedua-dua semikonduktor jenis n-dan-jenis dihasilkan melalui doping. Apabila unsur dengan elektron tambahan, seperti fosforus, didopkan ke dalam semikonduktor jenis N-, ia menjadi bebas untuk bergerak dalam jalur pengaliran dan memberikan bahan cas negatif bersih. Unsur dengan elektron yang lebih sedikit, seperti boron, digunakan untuk membius semikonduktor jenis P-. Ini mengakibatkan "lubang", atau kehilangan elektron dalam jalur valens, yang berfungsi sebagai cas positif dan boleh melalui bahan semasa elektron mengisinya. LED berfungsi kerana simpang p-n, yang merupakan persilangan kedua-dua kawasan dop ini.
Struktur LED: Daripada Output Cahaya ke Persimpangan P-N
Reka bentuk LED yang ringkas namun tepat memaksimumkan output cahaya sambil mengurangkan kehilangan tenaga. Persimpangan p-nnya terletak dalam lapisan nipis bahan semikonduktor, biasanya berasaskan galium-, seperti gallium arsenide atau gallium nitride. Substrat, bahan asas yang memberikan sokongan dan membantu dalam pelesapan haba, adalah tempat lapisan semikonduktor ini dipasang. Ini penting kerana terlalu panas boleh memendekkan jangka hayat LED.
Satu elektrod disambungkan pada kawasan jenis p-(anod, terminal positif) dan satu lagi ke kawasan jenis n-(katod, terminal negatif) di atas lapisan semikonduktor. Medan elektrik terhasil merentasi simpang p-n apabila voltan dibekalkan merentasi elektrod ini (katod negatif dan anod positif). Elektron bebas semikonduktor jenis n-ditolak ke arah persimpangan oleh medan ini, manakala lubang semikonduktor jenis p-dilukis dalam arah yang sama.
Agar cahaya yang dijana pada simpang p-n terlepas, lapisan semikonduktor mestilah lutsinar atau separa-lutsinar (atau mempunyai lapisan pemantulan pada satu sisi). modenLEDmenggunakan bahan seperti galium nitrida (GaN), yang lutsinar kepada cahaya yang boleh dilihat dan menjamin bahawa majoriti foton mencapai permukaan, berbeza dengan LED awal, yang kerap menggunakan bahan semikonduktor legap yang mengehadkan pengeluaran cahaya. Persimpangan p-n semikonduktor ialah tempat proses penjanaan-cahaya utama berlaku, walaupun sesetengah LED juga mempunyai kanta atau salutan untuk memfokuskan cahaya atau menukar warnanya.
Langkah 1: Menggunakan Elektron-Penggabungan Semula Lubang dan Voltan
Voltan luaran yang diberikan kepada elektrod LED memulakan proses pelepasan cahaya dengan mewujudkan pincang ke hadapan, yang merupakan arah aliran arus yang betul untukLEDuntuk berfungsi; pincang songsang, sebaliknya, menghentikan arus dan tidak menghasilkan cahaya. Elektron bebas daripada kawasan jenis n-dipercepatkan ke kawasan jenis p-dan lubang daripada kawasan jenis p-dipercepatkan ke kawasan jenis n-oleh medan elektrik merentas simpang p-n apabila pincang ke hadapan digunakan.
Elektron dan lubang ini akhirnya bersatu pada atau hampir dengan simpang p-n semasa ia bergerak ke arah yang sama. Elektron bebas daripada jalur pengaliran kawasan jenis n-"jatuh" ke dalam lubang apabila ia berlanggar dengan lubang daripada jalur valensi kawasan jenis p-, berubah daripada keadaan tenaga yang lebih tinggi dalam jalur pengaliran kepada tahap tenaga yang lebih rendah dalam jalur valens. Elektron dan lubang membatalkan satu sama lain semasa peralihan ini, yang dikenali sebagai penggabungan semula, dan tenaga tambahan yang hilang dipancarkan sebagai foton.
Saiz jurang jalur semikonduktor secara langsung mempengaruhi tenaga foton ini, yang memberikan cahaya warnanya. Foton dengan tenaga yang lebih tinggi (dan panjang gelombang yang lebih pendek, seperti cahaya biru atau ungu) tercipta apabila elektron bergabung semula dengan lubang dan kehilangan lebih banyak tenaga disebabkan oleh jurang jalur yang lebih luas. Foton dengan panjang gelombang yang lebih panjang, seperti cahaya merah atau oren, dan kurang tenaga dihasilkan oleh jurang jalur yang lebih kecil.
Contohnya:
Oleh kerana jurang jalurnya yang sempit, galium arsenide (GaAs) memancarkan cahaya merah dengan panjang gelombang kira-kira 650 nm. Oleh kerana jurang jalurnya yang lebih luas, galium nitrida (GaN) memancarkan cahaya biru atau ungu dengan panjang gelombang kira-kira 450 nm.
Pengilang boleh mengubah suai jurang jalur untuk menghasilkan LED yang menjana cahaya hijau, kuning atau putih dengan menggabungkan pelbagai bahan semikonduktor (seperti gallium indium nitride atau InGaN) (lebih lanjut mengenai LED putih di bawah).
Langkah 2: Kecekapan dan Pengekstrakan Cahaya
Sesetengah foton yang dihasilkan melalui penggabungan semula diserap oleh bahan semikonduktor itu sendiri, manakala yang lain memantulkan elektrod atau simpang p-n dan dilepaskan sebagai haba. Tidak semua foton ini meninggalkanLEDsebagai cahaya nampak. Pereka bentuk LED menggunakan beberapa strategi untuk meningkatkan "pengeluaran cahaya" untuk mengoptimumkan kecekapan:
Substrat yang lutsinar: Sebahagian besar cahaya terperangkap oleh substrat legap (seperti germanium) yang digunakan dalam LED awal. Substrat lutsinar, seperti silikon karbida atau nilam, digunakan dalam LED moden untuk membolehkan foton mencapai permukaan.
Permukaan Bertekstur: Untuk mengurangkan kuantiti cahaya yang dipantulkan semula ke dalam bahan, permukaan semikonduktor sering terukir dengan corak kecil, seperti bonggol atau alur. Dengan mengubah sudut di mana cahaya mengenai permukaan, ini meningkatkan kemungkinan ia akan melarikan diri daripada melantun semula.
Lapisan Reflektif: Bahagian belakang semikonduktor ditutup dengan lapisan pantulan nipis, selalunya terdiri daripada logam seperti aluminium atau perak. Lapisan ini meningkatkan kuantiti cahaya yang meninggalkan LED dengan memantulkan foton yang sebaliknya akan hilang melalui substrat kembali ke hadapan LED.
Walaupun jauh lebih rendah berbanding dengan lampu pijar, beberapa tenaga masih hilang sebagai haba walaupun terdapat kemajuan ini. Hanya 10–25% tenaga hilang sebagai haba dalam LED, dengan 75–90% tenaga diubah menjadi cahaya, berbanding 90–95% dalam pijar. Oleh kerana kecekapannya yang sangat baik, LED menggunakan tenaga yang jauh lebih sedikit daripada lampu konvensional.
Cara LED Putih Beroperasi: Situasi Unik
Majoriti LED hanya memancarkan satu warna, atau cahaya monokromatik, tetapi LED putih, yang digunakan dalam lampu depan, TV dan pencahayaan rumah, memerlukan strategi yang berbeza kerana tiada bahan semikonduktor dengan jurang jalur yang menghasilkan cahaya putih secara langsung. Sebaliknya, LED putih menggunakan salah satu daripada dua teknik utama:
Penukaran Fosforus: BiruLED(diperbuat daripada galium nitrida) ditutup dengan fosfor kuning-bahan yang menyerap cahaya satu panjang gelombang dan memancarkan cahaya yang lain-digunakan dalam teknik yang paling popular. Fosfor menyerap beberapa foton biru yang dipancarkan oleh LED biru dan-memancarkan semula foton kuning. Mata kita mentafsir sisa foton biru sebagai cahaya putih apabila ia bergabung dengan foton kuning. Pengilang menambah jumlah surih fosfor merah atau hijau pada salutan untuk menukar suhu warna, atau "kehangatan" atau "kesejukan", cahaya putih. Sebagai contoh, penambahan cahaya biru tambahan menghasilkan cahaya putih yang sejuk (5,000K–6,500K), manakala penambahan fosfor merah menghasilkan cahaya putih hangat (2,700K–3,000K).
Pencampuran RGB: Teknik yang kurang popular ini menggabungkan tiga LED berbeza-merah, hijau dan biru-ke dalam satu pakej. Tiga warna bergabung untuk menghasilkan cahaya putih (atau mana-mana warna spektrum yang boleh dilihat) dengan mengubah kecerahan setiap LED. Walaupun teknik ini lebih mahal daripada penukaran fosfor, ia digunakan dalam situasi yang memerlukan pengurusan warna yang tepat, seperti pencahayaan pentas atau paparan-tinggi.
Perbezaan Antara LED dan Pencahayaan Konvensional
Mengetahui cara LED beroperasi menjadikannya lebih mudah untuk melihat sebab ia berprestasi lebih baik daripada mentol pendarfluor dan pijar dalam hampir setiap kategori:
Kecekapan Tenaga: LED menggunakan electroluminescence, yang secara semula jadi cekap; tidak seperti pijar, yang menghabiskan tenaga memanaskan filamen, pendarfluor tidak membazir tenaga menghasilkan sinaran UV.
Jangka hayat yang panjang: LED tidak mudah terbakar kerana ia tidak mempunyai bahagian yang bergerak atau filamen yang halus. Tidak seperti lampu pijar, yang mempunyai jangka hayat 1,000–2,000 jam, LED mempunyai jangka hayat 50,000–100,000 jam disebabkan oleh degradasi bahan semikonduktor yang sangat beransur-ansur dari semasa ke semasa.
Hidup/Mati Serta-merta: Tidak seperti pendarfluor, yang memerlukan beberapa saat untuk menyala sepenuhnya, LED tidak mempunyai masa-panas dan diaktifkan kepada kecerahan penuh serta-merta.
Ketahanan: KeranaLEDadalah elektronik-keadaan pepejal, ia boleh menahan kejutan, getaran dan suhu tinggi, yang menjadikannya sempurna untuk aplikasi luar atau tetapan yang keras (seperti kereta atau kilang).
Masa Depan Teknologi LED
Perkembangan baharu meningkatkan potensi teknologi LED apabila penyelidik dan jurutera terus memperbaikinya. Contohnya:
QLED, atau LED titik kuantum: Ini meningkatkan kecerahan dan ketepatan warna dengan menggunakan titik kuantum, yang merupakan zarah semikonduktor kecil. Penyelidik cuba menjadikan QLED lebih cekap tenaga-untuk pencahayaan umum dan pada masa ini ia ditemui dalam-TV tinggi.
LED Mikro: LED yang sangat kecil ini, yang hanya beberapa mikrometer melintang, boleh dikumpulkan dalam tatasusunan padat untuk menghasilkan pencahayaan yang fleksibel atau skrin{0}}resolusi tinggi. Telefon pintar dan TV masa depan dijangka menggunakan LED mikro dan bukannya OLED kerana jangka hayatnya yang lebih lama dan output yang lebih baik.
LED Perovskite: Berbanding dengan bahan berasaskan galium-konvensional, perovskite ialah jenis bahan semikonduktor baharu yang lebih murah untuk dihasilkan. Penyelidik cuba meningkatkan kestabilan LED perovskite untuk kegunaan komersial kerana mereka telah menunjukkan janji dalam menyampaikan cahaya yang terang dan cekap.
Kesimpulannya
LEDialah peranti yang sangat mudah yang diperbuat daripada semikonduktor terdop dengan persimpangan-n yang menggunakan-penggabungan semula lubang elektron untuk mengubah tenaga elektrik kepada cahaya. Ia adalah antara teknologi pencahayaan yang paling berkesan dan boleh disesuaikan yang pernah dibangunkan, tetapi kesederhanaannya menyembunyikan kerumitan pembinaannya, yang merangkumi segala-galanya daripada kejuruteraan pengekstrakan cahaya kepada peraturan tepat jurang jalur. Mengetahui cara LED beroperasi membolehkan kita memahami kedua-dua sains canggih yang menyokongnya serta kelebihan bergunanya (jangka hayat yang lebih lama, kos tenaga yang lebih murah). Apabila teknologi LED semakin berkembang, ia mungkin akan menyumbang lebih banyak lagi kepada mengurangkan penggunaan tenaga global, menghentikan perubahan iklim dan mempengaruhi reka bentuk pencahayaan pada masa hadapan-menunjukkan bahawa kadangkala kejayaan yang paling ketara datang daripada prinsip saintifik yang paling asas.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co.,Ltd
Telefon: +86 0755 27186329
Mudah Alih(+86)18673599565
Whatsapp :19113306783
e-mel:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
web:www.benweilight.com
