Περίληψη
Το 2014, ο Isamu Akasaki, ο Hiroshi Amano και ο Shuji Nakamura απονεμήθηκαν το βραβείο Νόμπελ στη Φυσική για τη δημιουργία αποτελεσματικών διόδων εκπομπής μπλε φωτός, οι οποίες διευκόλυναν την ανάπτυξη φωτεινών και ενεργειακών λευκών πηγών φωτός. Τα τελευταία χρόνια,Εκπομπές φωτός (LED) έχουν διεισδύσει όλο και περισσότερο στον τομέα του φωτισμού στο σπίτι και σε άλλες αγορές μαζικών. Αυτό το άρθρο επιδιώκει να παράσχει μια επισκόπηση της φυσικής των LED, των μεγάλων ανακαλύψεων που κορυφώθηκαν στο βραβείο Νόμπελ του 2014 και το δυναμικό για τη διατήρηση της ενέργειας που μπορούν να διευκολύνουν τα LED.
1. Εισαγωγή
Οι δίοδοι εκπομπής φωτός (LEDs) αποτελούν αναπόσπαστο μέρος της καθημερινής ζωής για αρκετές δεκαετίες, προέρχονται από λαμπτήρες δείκτη και τηλεχειριστήρια υπέρυθρων στη δεκαετία του 1960. Ωστόσο, το βραβείο Νόμπελ στη Φυσική χορηγήθηκε το 2014 ειδικά για μπλε LED, η οποία τελικά επέτρεψε την παραγωγή λευκού φωτός. Αυτό το άρθρο στοχεύει να διασαφηνίσει τη θεμελιώδη φυσική LED για να αποδείξει τις δυνατότητές τους ως ανώτερους εκπομπούς φωτός, ιδιαίτερα για εφαρμογές φωτισμού. Θα παράσχει επίσης μια σύντομη ιστορία των εφευρέσεων που συνέβαλαν στις σύγχρονες λυχνίες LED και θα εξηγήσουν το σκεπτικό πίσω από το βραβείο Νόμπελ της Φυσικής του 2014 που απονέμεται στο Akasaki, Amano και Nakamura. Τελικά, θα εξετάσω εάν τα σύγχρονα LED έχουν πραγματικά οδηγήσει σε εξοικονόμηση ενέργειας και πιο ρεαλιστικά, εάν είναι οικονομικά λογικό για τους μεμονωμένους καταναλωτές να αγοράσουνΛυχνίες LEDγια φωτισμό στο σπίτι.
2. Πώς λειτουργούν οι LED των ημιαγωγών;
Αυτή η ενότητα θα παράσχει μια σύντομη επισκόπηση του ιστορικού της ηλεκτροσυροφωνείας, επικεντρώνοντας στην ηλεκτροφωταύγεια των ανόργανων ημιαγωγών, ακολουθούμενη από μια περιγραφή της φυσικής που βασίζεται στα σύγχρονα LED. Η ηλεκτροφωταύγεια είναι το φαινόμενο όπου εκπέμπεται φως όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα περνάει μέσα από μια ουσία. Μπορεί να υποστηριχθεί ότι οι βολβοί πυρακτώσεως (ο λαμπτήρας "Edison") είναι ηλεκτροφωταύγεια. Ωστόσο, σε αυτό το σενάριο, η τρέχουσα ροή θερμαίνει το υλικό και η εκπομπή φωτός προκύπτει αποκλειστικά από την αυξημένη θερμοκρασία του νήματος. Έτσι, είναι πιο ακριβές να αναφέρεται στην ηλεκτροσυροφωνεία όταν η ροή ρεύματος διευκολύνει άμεσα τον μηχανισμό εκπομπών φωτός. Η αρχική τεκμηρίωση της ηλεκτροσυροφωνείας εμφανίστηκε το 1907 από τον HJ Round, που απασχολείται από την εταιρεία Marconi. Επέστρεψε ένα δείγμα καρβιδίου πυριτίου (στη συνέχεια αναφέρεται ως carborundum) και παρατηρούσε το φως διαφορετικών χρωμάτων ανάλογα με την τοποθέτηση ηλεκτροδίων και την τάση που εφαρμόζεται. Δεν κατανόησε το φαινόμενο εκείνη την εποχή. Δύο δεκαετίες αργότερα, ο Oleg Losev, ένας νεαρός Ρώσος τεχνικός στο ραδιοφωνικό εργαστήριο Nizhny Novgorod, πέτυχε σημαντικές εξελίξεις στην πειραματική παρατήρηση και κατανόηση των διόδων εκπομπής φωτός πυριτίου. Συγκεκριμένα, υπέβαλε ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1929 που περιλαμβάνει την επακόλουθη απαίτηση: "Η προτεινόμενη εφεύρεση χρησιμοποιεί το καθιερωμένο φαινόμενο φωταύγειας σε έναν ανιχνευτή Carborundum και συνεπάγεται τη χρήση ενός τέτοιου ανιχνευτή σε ένα οπτικό ρελέ για να διευκολύνει την ταχεία τηλεγραφική και την τηλεφωνική επικοινωνία, τη μετάδοση εικόνας και άλλες εφαρμογές, όπου ένα φωτεινό σημείο επαφής εξυπηρετεί την ελαφριά πηγή άμεσης πηγής. Αυτό είναι πραγματικά αξιοσημείωτο: ένας εργαζόμενος ηλικίας 26-, με περιορισμένη επίσημη εκπαίδευση στη φυσική κατοχυρώθηκε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας μεταφοράς δεδομένων υψηλού ρυθμού χρησιμοποιώντας ηλεκτρική διαμόρφωση μιας πηγής φωτός ημιαγωγών το 1929. Στη δεκαετία του 1940, η βελτιωμένη κατανόηση και ο έλεγχος των ημιαγωγών είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία της πρώτης διασταύρωσης P -N, ακολουθούμενη από την εφεύρεση του πρώτου τρανζίστορ. Οι αρχικές λυχνίες LED που χρησιμοποιούν καλά αναπτυγμένες συνδέσεις Ρ-Ι-Ν θα μπορούσαν κατά συνέπεια να κατασκευαστούν και να ενισχυθούν.
Ένας ημιαγωγός είναι μια ουσία της οποίας η αγωγιμότητα μπορεί να μεταβληθεί από την εισαγωγή ακαθαρσιών που είναι γνωστές ως ντοπατά. Οι ανόργανες ημιαγωγοί είναι κρυσταλλικά υλικά όπως το πυρίτιο (SI), το αρσενίδιο γαλλίου (GaAs), το φωσφίδιο ινδίου (INP) και το νιτριδικό γάλλιο (GAN), που χαρακτηρίζονται από ενεργειακές ζώνες για ηλεκτρόνια. Η ανώτατη κατεχόμενη ενεργειακή ζώνη αναφέρεται ως η ζώνη σθένους, η οποία είναι γεμάτη με ηλεκτρόνια σε ένα μη διαμορφωμένο ημιαγωγό, αλλά η επακόλουθη υψηλότερη ενέργεια, γνωστή ως ζώνη αγωγιμότητας, παραμένει εντελώς κενή σε έναν μη διαμορφωμένο ημιαγωγό. Η ανισότητα στην ενέργεια μεταξύ του ελάχιστου συγκροτήματος της ζώνης αγωγιμότητας και της υψηλότερης ζώνης σθένους αναφέρεται ως χάσμα συγκροτήματος του ημιαγωγού. Η διαδικασία εκπομπής φωτός σε έναν ημιαγωγό είναι απλή: όταν ένα ηλεκτρόνιο καταλαμβάνει τη ζώνη αγωγιμότητας και μια κενή θέση υπάρχει στη ζώνη σθένους (που ονομάζεται τρύπα), το ηλεκτρόνιο της ζώνης αγωγιμότητας μπορεί να μετατραπεί για να καταλαμβάνει την κενή κατάσταση στη ζώνη σθένους, απελευθερώνοντας τη διαφορά ενέργειας (το κενό ζώνης) ως εκδοθείσα φωτόνα (Εικόνα 1). Το ηλεκτρόνιο και την οπή ανασυνδυασμένη, με αποτέλεσμα την εκπομπή ενός φωτονίου. Αυτή η διαδικασία εμφανίζεται στην πλειονότητα των ημιαγωγών, με αξιοσημείωτες εξαιρέσεις γνωστές ως έμμεσοι ημιαγωγοί, όπως το πυρίτιο ή το γερμανικό, όπου η εκπομπή φωτονίων δεν επιτρέπεται άμεσα, με αποτέλεσμα σημαντική αναποτελεσματικότητα. Για να κατασκευαστεί ένα ημιαγωγό LED, είναι απαραίτητο να τοποθετήσουμε ταυτόχρονα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας και οπές στη ζώνη σθένους μέσα στο υλικό. Αυτό είναι όπου το ντόπινγκ έχει σημασία. Ένας εγγενής ημιαγωγός λειτουργεί ως μονωτήρας, καθώς τα ηλεκτρόνια στη ζώνη σθένους παραμένουν ακίνητα λόγω της απουσίας των διαθέσιμων καταστάσεων για ηλεκτρονική κίνηση. Παρ 'όλα αυτά, οι ημιαγωγοί μπορούν να προσβληθούν σε δύο διαφορετικούς τρόπους. Όταν οι ακαθαρσίες ενσωματώνονται στον κρύσταλλο με πρόσθετο ηλεκτρόνιο ανά άτομο, αυτά τα πλεονασματικά ηλεκτρόνια μετάβαση στη ζώνη αγωγιμότητας. Για παράδειγμα, η αντικατάσταση ορισμένων ατόμων GA με άτομα Si σε κρύσταλλο GaAs έχει ως αποτέλεσμα το ντόπινγκ τύπου Ν, που χαρακτηρίζεται από την παρουσία ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιμότητας. Αντιστρόφως, μπορούν να εισαχθούν ακαθαρσίες που στερείται ηλεκτρονίου, με αποτέλεσμα το ντόπινγκ τύπου Ρ, που χαρακτηρίζεται από την ύπαρξη οπών στη ζώνη σθένους. Μια κρίσιμη πτυχή είναι ότι τα ντόπια αποτελούν άτομα μειονοτήτων μέσα στην κρυσταλλική δομή: ένα μόνο άτομο ντόπινγκ μεταξύ ενός εκατομμυρίου τυποποιημένων ατόμων μπορεί να ενισχύσει σημαντικά την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Η κυριαρχία του επιπέδου ντόπινγκ είναι απαραίτητη για την προσαρμογή των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των ημιαγωγών. Αυτή η εμπειρογνωμοσύνη, η οποία ξεκίνησε στη δεκαετία του 1940 και του 1950, κατέστρεψε τις επαναστάσεις στη μικροηλεκτρονική και την οπτικοηλεκτρονική. Η θεμελιώδης διαμόρφωση για εκπομπή φωτός από ημιαγωγό περιλαμβάνει την ενσωμάτωση του τύπου Ν (με ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας) και τον τύπο Ρ (με οπές ή απουσία ηλεκτρονίων, στη ζώνη σθένους). Όταν υποβάλλονται σε ηλεκτρική προκατάληψη, ηλεκτρόνια και τρύπες, τα οποία διασχίζουν σε αντίθεση με τις κατευθύνσεις-όπου μια οπή που μετακινείται αριστερά στη ζώνη σθένους αντιστοιχεί στο προς τα δεξιά-μεταβαλλόμενα ηλεκτρόνια στη διασταύρωση PN, με αποτέλεσμα τον ανασυνδυασμό που εκπέμπει φωτόνια (Εικόνα 2). Μετά την κατανόηση από την ερευνητική κοινότητα, η απαιτούμενη δράση έγινε εμφανής: η ικανότητα να συνθέτουν κρυστάλλους υψηλής ποιότητας με ακριβώς ελεγχόμενο doping τύπου P και N. Η εναρκτήρια LED GAAS υπέρυθρης ακτινοβολίας παρουσιάστηκε το 1962, στη συνέχεια, διαδέχθηκε τα αρχικά ορατά LED που αναπτύχθηκαν από άλλες ομάδες. Ο Ν. Holonyak, ερευνητής της General Electric, υποστήριξε το κράμα GAASP, επιτρέποντάς του να παρουσιάσει το εναρκτήριο λέιζερ διόδου του ορατού ημιαγωγού. Είναι σημαντικό να αναγνωρίσουμε τον Ν. Holonyak, ο οποίος, μεταξύ άλλων, έχει προωθήσει σημαντικά την κατανόηση και τον έλεγχο των εκπομπών φωτός ημιαγωγών. Το 1963, ο Nick Holonyak προέβλεπε την αφομοίωση του αναγνώστη ότι τα LED των ημιαγωγών θα αντικαταστήσουν τελικά όλους τους λαμπτήρες για γενικές εφαρμογές φωτισμού, παρά τις αρχικές LED των ημιαγωγών που εκπέμπουν πολύ αχνό φως και εκθέτουν αποτελεσματικότητα μόνο κλασμάτων ενός ποσοστού λόγω της κατώτερης ποιότητας του υλικού. Ποια κριτήρια χρησιμοποίησε για τη δημιουργία αυτής της πρόβλεψης; Ο Holonyak αναγνώρισε ότι οι λαμπτήρες πυρακτώσεως λειτουργούν παρόμοια με τους εκπομπούς μαύρου σώματος, παράγοντας μια φασματική καμπύλη που συσχετίζεται με τη θερμοκρασία του νήματος. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, το φάσμα εκπομπών μετατοπίζεται προς μικρότερα μήκη κύματος. Οι πιο αποτελεσματικοί βολβοί πυρακτώσεως εκπέμπουν κυρίως υπέρυθρο φως, το οποίο είναι αναποτελεσματικό για τον φωτισμό και αντ 'αυτού λειτουργεί ως πηγή θερμότητας. Η μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε ορατή οπτική ισχύς είναι εγγενώς περιορισμένη σε περίπου 5%. Σε LED των ημιαγωγών, η φυσική αποκλίνει σημαντικά: σχεδόν το 100% της ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να μετατραπεί σε οπτική ισχύ, με ένα καλά ρυθμισμένο μήκος κύματος εκπομπής (κυρίως το χάσμα της ζώνης καθορίζει την ενέργεια και κατά συνέπεια το μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φωτονίου). Κάποιος μπορεί να οραματιστεί μια συσκευή εξοπλισμένη με LED που εκπέμπουν σε διάφορα ορατά μήκη κύματος, καθένα από τα οποία παρουσιάζουν μια υψηλή (κατά προτίμηση αποδοτικότητα της ενότητας), επιτρέποντας έτσι την εκπομπή ορατού λευκού φωτός (ή οποιουδήποτε επιλεγμένου συνδυασμού ορατών χρωμάτων) χωρίς θερμικές απώλειες (Εικόνα 3). Αυτό θα πρέπει, θεωρητικά, να λειτουργεί. Η μόνη πρόκληση είναι να επιτευχθεί η τεχνολογική ωριμότητα που απαιτείται για την κατασκευή εξαιρετικά αποτελεσματικών LED σε ορισμένα μήκη κύματος. Αυτή η προσπάθεια κατέλαβαν ερευνητές ημιαγωγών για επόμενες δεκαετίες και τελικά οδήγησε στο2014 Βραβείο Νόμπελ.
Η Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd ιδρύθηκε το 2010. Πρόκειται για ένα εθνικό σχεδιασμό υψηλής τεχνολογίας, την Ε & Α, την παραγωγή και τις πωλήσεις εσωτερικών και εξωτερικών προϊόντων φωτισμού και επίσης μπορεί να κάνει OEM, ODM.bwzm18@ledbenweilighting.com
