Hoe werkt een LED?
Ondanks dat ze in veel aspecten van het moderne leven worden gebruikt, zoals de verlichting van onze huizen, het voeden van smartphoneschermen en het regelen van verkeer, verschillen light{0}}emitting diodes (LED's) van meer conventionele verlichtingstechnologieën zoals gloeilampen of fluorescentielampen vanwege hun geavanceerde halfgeleiderfysica.LED'sgebruik een proces dat bekend staat als elektroluminescentie, wat de emissie is van fotonen (lichtdeeltjes) wanneer een elektrische stroom door een speciaal gemaakt halfgeleidermateriaal stroomt. Dit in tegenstelling tot gloeilampen, die licht produceren door een gloeidraad te verwarmen, of fluorescentielampen, die gebruik maken van gas- en UV-straling. We moeten eerst de grondbeginselen van halfgeleiders onderzoeken, het ontwerp van een LED en de sequentiële procedure die elektriciteit omzet in zichtbaar licht om te begrijpen hoe dit gebeurt.
De basis: energiebanden en halfgeleiders
Elke LED wordt aangedreven door een halfgeleider, een stof die elektriciteit slechter geleidt dan geleiders (zoals koper), maar beter dan isolatoren (zoals glas). De elektronenenergiebanden-energiegebieden die elektronen kunnen innemen-zijn essentieel voor het onderscheidende gedrag van een halfgeleider. Elektronen hebben in alle materialen verschillende energieniveaus, maar in vaste stoffen vormen deze niveaus samen twee hoofdbanden: de geleidingsband en de valentieband.
De atomen van het materiaal worden in een kristallijne structuur bij elkaar gehouden door de elektronen in de valentieband, die stevig aan de atomen zijn bevestigd. Elektrische geleidbaarheid wordt mogelijk gemaakt door de elektronen in de geleidingsband, die vrij door de substantie kunnen stromen. Tussen deze twee banden bestaat de bandkloof, een energiegebied waar elektronen niet in kunnen voorkomen. De bandafstand van een materiaal bepaalt of het een isolator, geleider of halfgeleider is: halfgeleiders hebben een kleine, meetbare bandafstand (elektronen kunnen de opening overbruggen met een kleine input van energie, zoals een elektrische stroom), geleiders hebben geen bandafstand (elektronen bewegen vrij tussen banden) en isolatoren hebben zeer grote bandafstanden (waardoor het moeilijk wordt voor elektronen om naar de geleidingsband te springen).
De halfgeleider die in LED's wordt gebruikt, is "gedoteerd", een procedure die de elektrische eigenschappen van het materiaal wijzigt door sporen van onzuiverheden toe te voegen. Zowel n-type als p-type halfgeleiders worden geproduceerd door doping. Wanneer elementen met extra elektronen, zoals fosfor, worden gedoteerd in halfgeleiders van het N--type, kunnen ze vrij bewegen in de geleidingsband en geven ze het materiaal een netto negatieve lading. Elementen met minder elektronen, zoals boor, worden gebruikt om halfgeleiders van het P--type te doteren. Dit resulteert in "gaten", of ontbrekende elektronen in de valentieband, die functioneren als positieve ladingen en door het materiaal kunnen gaan terwijl elektronen ze vullen. Een LED functioneert vanwege de p-n-overgang, die het snijpunt is van deze twee gedoteerde gebieden.
De structuur van de LED: van lichtopbrengst tot P-N-verbinding
Het eenvoudige maar nauwkeurige ontwerp van een LED maximaliseert de lichtopbrengst en vermindert tegelijkertijd het energieverlies. De p-n-overgang bevindt zich in een dunne laag halfgeleidermateriaal, meestal gebaseerd op gallium-, zoals galliumarsenide of galliumnitride. Het substraat, een funderingsmateriaal dat ondersteuning biedt en helpt bij de warmteafvoer, is waar deze halfgeleiderlaag is bevestigd. Dit is belangrijk omdat oververhitting de levensduur van een LED kan verkorten.
Eén elektrode is bevestigd aan het p-type gebied (de anode, een positieve pool) en de andere aan het n-type gebied (de kathode, een negatieve pool) bovenop de halfgeleiderlaag. Er wordt een elektrisch veld geproduceerd over de p-n-overgang wanneer er een spanning wordt aangelegd over deze elektroden (de kathode is negatief en de anode is positief). De vrije elektronen van het n-type halfgeleider worden door dit veld naar de junctie geduwd, terwijl de gaten van het p-type halfgeleider in dezelfde richting worden getrokken.
Om het bij de p-n-overgang gegenereerde licht te laten ontsnappen, moet de halfgeleiderlaag transparant of semi-transparant zijn (of aan één zijde een reflecterende laag hebben). ModernLED'sgebruik materialen zoals galliumnitride (GaN), die transparant zijn voor zichtbaar licht en garanderen dat de meerderheid van de fotonen het oppervlak bereikt, in tegenstelling tot vroege LED's, die vaak ondoorzichtige halfgeleidermaterialen gebruikten die de lichtopbrengst beperkten. De p-n-overgang van de halfgeleider is waar het primaire licht-generatieproces plaatsvindt, hoewel sommige LED's ook een lens of coating hebben om het licht te focusseren of de kleur ervan te veranderen.
Stap 1: Elektronen-gatrecombinatie en spanning gebruiken
Een externe spanning die aan de elektroden van de LED wordt gegeven, initieert het lichtemissieproces door een voorwaartse bias tot stand te brengen, wat de juiste stroomrichting voor de LED is.LEDfunctioneren; omgekeerde bias daarentegen stopt de stroom en produceert geen licht. Vrije elektronen uit het n-type gebied worden versneld naar het p-type gebied, en gaten uit het p-type gebied worden versneld naar het n-type gebied door het elektrische veld over de p-n-overgang wanneer voorwaartse bias wordt toegepast.
Deze elektronen en gaten komen uiteindelijk samen op of dichtbij de p-n-overgang terwijl ze in dezelfde richting reizen. Een vrij elektron uit de geleidingsband van het n-type gebied "valt" in het gat wanneer het botst met een gat uit de valentieband van het p-type gebied, en verandert van een hogere energietoestand in de geleidingsband naar een lager energieniveau in de valentieband. Het elektron en het gat heffen elkaar op tijdens deze overgang, die bekend staat als recombinatie, en de extra energie die ze verliezen wordt uitgezonden als een foton.
De grootte van de bandafstand van de halfgeleider heeft rechtstreeks invloed op de energie van dit foton, dat het licht zijn kleur geeft. Een foton met een hogere energie (en een kortere golflengte, zoals blauw of violet licht) ontstaat wanneer een elektron recombineert met een gat en meer energie verliest vanwege een grotere bandafstand. Een foton met een langere golflengte, zoals rood of oranje licht, en minder energie wordt geproduceerd door een kleinere bandafstand.
Bijvoorbeeld:
Door zijn smalle bandafstand zendt galliumarsenide (GaAs) rood licht uit met een golflengte van ongeveer 650 nm. Vanwege zijn grotere bandafstand zendt galliumnitride (GaN) blauw of violet licht uit met een golflengte van ongeveer 450 nm.
Fabrikanten kunnen de bandafstand aanpassen om LED's te produceren die groen, geel of zelfs wit licht genereren door verschillende halfgeleidermaterialen (zoals galliumindiumnitride of InGaN) te combineren (meer over witte LED's hieronder).
Stap 2: Efficiëntie en lichtextractie
Sommige van de door recombinatie gegenereerde fotonen worden geabsorbeerd door het halfgeleidermateriaal zelf, terwijl andere door de elektroden of de p-n-overgang worden gereflecteerd en als warmte vrijkomen. Niet al deze fotonen verlaten hetLEDals zichtbaar licht. LED-ontwerpers gebruiken een aantal strategieën om de "lichtextractie" te verbeteren om de efficiëntie te optimaliseren:
Substraten die transparant zijn: Het grootste deel van het licht werd opgevangen door de ondoorzichtige substraten (zoals germanium) die in vroege LED's werden gebruikt. In moderne LED's worden transparante substraten, zoals siliciumcarbide of saffier, gebruikt om fotonen het oppervlak te laten bereiken.
Getextureerde oppervlakken: Om de hoeveelheid licht die terug in het materiaal wordt gereflecteerd te verminderen, wordt het oppervlak van de halfgeleider vaak geëtst met minuscule patronen, zoals bobbels of groeven. Door de hoek waaronder licht op het oppervlak valt te veranderen, vergroot dit de kans dat het zal ontsnappen in plaats van terug te kaatsen.
Reflecterende lagen: De achterkant van de halfgeleider is bedekt met een dunne reflectielaag, vaak samengesteld uit metaal zoals aluminium of zilver. Deze laag vergroot de hoeveelheid licht die de LED verlaat door fotonen te reflecteren die anders via het substraat verloren zouden gaan, terug naar de voorkant van de LED.
Hoewel veel minder dan bij gloeilampen, gaat er ondanks deze vooruitgang nog steeds een deel van de energie verloren in de vorm van warmte. Bij LED's gaat slechts 10-25% van de energie verloren als warmte, waarbij 75-90% van de energie wordt omgezet in licht, vergeleken met 90-95% bij gloeilampen. Vanwege hun uitstekende efficiëntie verbruiken LED's veel minder energie dan conventionele lampen.
Hoe witte LED's werken: een unieke situatie
De meeste LED's zenden slechts één kleur of monochromatisch licht uit, maar witte LED's, die worden gebruikt in koplampen, tv's en huisverlichting, hebben een andere strategie nodig omdat er geen halfgeleidermateriaal bestaat met een bandafstand die direct wit licht creëert. In plaats daarvan gebruiken witte LED's een van de twee belangrijkste technieken:
Omzetting van fosfor: een blauwLED(gemaakt van galliumnitride) bedekt met gele fosfor-een stof die licht van de ene golflengte absorbeert en licht van een andere golflengte uitzendt-wordt gebruikt in de meest populaire techniek. De fosfor absorbeert een deel van de blauwe fotonen die door de blauwe LED worden uitgezonden en zendt gele fotonen opnieuw uit. Onze ogen interpreteren de overgebleven blauwe fotonen als wit licht zodra ze zich combineren met de gele fotonen. Fabrikanten voegen sporen van rode of groene fosforen toe aan de coating om de kleurtemperatuur, of "warmte" of "koelte", van het witte licht te veranderen. Als u bijvoorbeeld extra blauw licht toevoegt, ontstaat er koel wit licht (5.000 K–6.500 K), terwijl het toevoegen van rode fosfor warm wit licht produceert (2.700 K–3.000 K).
RGB-mixing: deze minder populaire techniek combineert drie verschillende LED's-rood, groen en blauw-in één pakket. De drie kleuren combineren om wit licht (of een andere zichtbare spectrumtint) te creëren door de helderheid van elke LED te variëren. Hoewel deze techniek duurder is dan fosforconversie, wordt deze gebruikt in situaties die een exact kleurbeheer vereisen, zoals podiumverlichting of hoogwaardige displays.
Het onderscheid tussen LED's en conventionele verlichting
Als u weet hoe LED's werken, kunt u gemakkelijker begrijpen waarom ze beter presteren dan fluorescentie- en gloeilampen in bijna elke categorie:
Energie-efficiëntie: LED's gebruiken elektroluminescentie, wat van nature efficiënt is; In tegenstelling tot gloeilampen, die energie verbruiken bij het verwarmen van een gloeidraad, verspillen fluorescentielampen geen energie door UV-straling te produceren.
Lange levensduur: LED's branden niet gemakkelijk door omdat ze geen bewegende delen of delicate gloeidraden hebben. In tegenstelling tot gloeilampen, die een levensduur hebben van 1.000–2.000 uur, hebben LED's een levensduur van 50.000–100.000 uur vanwege de extreem geleidelijke degradatie van het halfgeleidermateriaal in de loop van de tijd.
Direct aan/uit: in tegenstelling tot fluorescentielampen, die een paar seconden nodig hebben om volledig op te lichten, hebben LED's geen opwarmtijd- en worden ze onmiddellijk op volle helderheid geactiveerd.
Duurzaamheid: OmdatLED'sHet zijn solid{0}}elektronica, ze zijn bestand tegen schokken, trillingen en hoge temperaturen, waardoor ze perfect zijn voor buitentoepassingen of ruwe omgevingen (zoals auto's of fabrieken).
De toekomst van LED-technologie
Nieuwe ontwikkelingen vergroten het potentieel van LED-technologie terwijl onderzoekers en ingenieurs deze blijven verbeteren. Bijvoorbeeld:
QLED's of quantum dot-LED's: Deze verbeteren de helderheid en kleurnauwkeurigheid door gebruik te maken van quantum dots, kleine halfgeleiderdeeltjes. Onderzoekers proberen QLED's energiezuiniger- te maken voor algemene verlichting, en ze worden momenteel aangetroffen in high- tv's.
Micro-LED's: deze ongelooflijk kleine LED's, die slechts een paar micrometer in doorsnede zijn, kunnen in dichte arrays worden gegroepeerd om flexibele verlichting of schermen met hoge- resolutie te produceren. Verwacht wordt dat toekomstige smartphones en tv's micro-LED's zullen gebruiken in plaats van OLED's vanwege hun langere levensduur en betere output.
Perovskiet-LED's: Vergeleken met conventionele op gallium-gebaseerde materialen is perovskiet een nieuw soort halfgeleidermateriaal dat goedkoper te produceren is. Onderzoekers proberen de stabiliteit van perovskiet-LED's voor commercieel gebruik te vergroten, omdat ze veelbelovend zijn gebleken in het leveren van helder, efficiënt licht.
Tot slot
LED'szijn zeer eenvoudige apparaten gemaakt van een gedoteerde halfgeleider met een ap{0}}n-overgang die gebruik maakt van elektron--gatrecombinatie om elektrische energie in licht om te zetten. Ze behoren tot de meest effectieve en aanpasbare verlichtingstechnologieën die ooit zijn ontwikkeld, maar hun eenvoud verbergt de complexiteit van hun constructie, die alles omvat, van de engineering van lichtextractie tot de exacte regeling van de bandafstand. Als we weten hoe LED's werken, kunnen we zowel de geavanceerde wetenschap die eraan ten grondslag ligt als hun nuttige voordelen (langere levensduur, goedkopere energiekosten) begrijpen. Naarmate de LED-technologie zich verder ontwikkelt, zal deze waarschijnlijk nog meer bijdragen aan het terugdringen van het mondiale energieverbruik, het tegengaan van de klimaatverandering en het beïnvloeden van het verlichtingsontwerp in de toekomst-wat aantoont dat soms de belangrijkste doorbraken voortkomen uit de meest fundamentele wetenschappelijke principes.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd
Telefoon: +86 0755 27186329
Mobiel(+86)18673599565
Whatsapp: 19113306783
E-mail:bwzm15@benweilighting.com
Skypen:benweilight88
Web:www.benweilight.com
