Bản tóm tắt
Vào năm 2014, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano và Shuji Nakamura đã được trao giải thưởng Nobel về vật lý vì đã tạo ra các điốt phát sáng màu xanh hiệu quả, tạo điều kiện cho sự phát triển của các nguồn sáng trắng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. Trong những năm gần đây,Điốt phát sáng (đèn LED) đã ngày càng thâm nhập vào lĩnh vực chiếu sáng nhà và các thị trường đại chúng khác. Bài viết này tìm cách cung cấp một cái nhìn tổng quan về vật lý của đèn LED, những đột phá lớn lên đến đỉnh điểm trong Giải thưởng Nobel 2014 và tiềm năng bảo tồn năng lượng có thể tạo điều kiện.
1. Giới thiệu
Các điốt phát sáng (đèn LED) đã không thể thiếu đối với cuộc sống hàng ngày trong nhiều thập kỷ, bắt nguồn từ đèn báo hiệu và điều khiển từ xa hồng ngoại trong những năm 1960. Tuy nhiên, giải thưởng Nobel về vật lý đã được cấp vào năm 2014 dành riêng cho đèn LED màu xanh, cuối cùng cho phép sản xuất ánh sáng trắng. Bài viết này nhằm mục đích làm sáng tỏ Vật lý LED cơ bản để chứng minh tiềm năng của chúng như là bộ phát ánh sáng vượt trội, đặc biệt là cho các ứng dụng chiếu sáng. Nó cũng sẽ cung cấp một lịch sử ngắn gọn về các phát minh đã góp phần vào đèn LED hiện đại và giải thích lý do đằng sau Giải thưởng Nobel 2014 về Vật lý được trao cho Akasaki, Amano và Nakamura. Cuối cùng, tôi sẽ kiểm tra xem các đèn LED đương đại có thực sự dẫn đến bảo tồn năng lượng hay không, và nếu nó là hợp lý về mặt kinh tế đối với người tiêu dùng cá nhân mua hàngBóng đèn LEDĐể chiếu sáng nhà.
2. Làm thế nào để chức năng đèn LED bán dẫn?
Phần này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về lịch sử phát quang, tập trung vào sự phát quang của chất bán dẫn vô cơ, sau đó là một mô tả về các đèn LED đương đại cơ bản. Điện phát xạ là hiện tượng trong đó ánh sáng được phát ra khi dòng điện đi qua một chất. Có thể cho rằng bóng đèn sợi đốt (bóng đèn "Edison") là điện phát quang; Tuy nhiên, trong kịch bản này, dòng chảy hiện tại làm nóng vật liệu và kết quả phát xạ ánh sáng chỉ từ nhiệt độ cao của dây tóc. Do đó, chính xác hơn khi đề cập đến phát quang khi dòng chảy trực tiếp tạo điều kiện cho cơ chế phát xạ ánh sáng. Tài liệu ban đầu về phát quang xảy ra vào năm 1907 bởi HJ Round, được sử dụng bởi Công ty Marconi. Anh ta đã đặt một mẫu cacbua silicon (sau đó được gọi là carborundum) và quan sát ánh sáng của các màu khác nhau theo vị trí điện cực và điện áp được áp dụng. Anh ấy đã không hiểu hiện tượng này vào thời điểm đó. Hai thập kỷ sau, Oleg Losev, một kỹ thuật viên trẻ người Nga tại Phòng thí nghiệm Radio Nizhny Novgorod, đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong quan sát thực nghiệm và hiểu được các điốt phát sáng silicon cacbua. Ông đã nộp bằng sáng chế vào năm 1929 bao gồm yêu cầu tiếp theo: "Sáng chế được đề xuất sử dụng hiện tượng phát quang được thiết lập trong máy dò carborundum và đòi hỏi phải sử dụng máy phát điện trực tiếp. mạch. " Điều này thực sự đáng chú ý: một công nhân năm tuổi {3}} với giáo dục chính thức hạn chế về vật lý đã cấp bằng sáng chế cho việc chuyển dữ liệu tỷ lệ cao bằng cách sử dụng điều chế điện của một nguồn ánh sáng bán dẫn vào năm 1929. Trong những năm 1940, sự hiểu biết và kiểm soát các chất bán dẫn tăng cường đã dẫn đến việc tạo ra mối nối P P P đầu tiên, tiếp theo là phát minh của bóng bán dẫn đầu tiên. Do đó, các đèn LED ban đầu sử dụng các mối quan hệ PTHER I I I I có thể được chế tạo và tăng cường.
Một chất bán dẫn là một chất có độ dẫn có thể được thay đổi bằng cách giới thiệu các tạp chất được gọi là dopants. Chất bán dẫn vô cơ là các vật liệu tinh thể như silicon (SI), gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (INP) và gallium nitride (GAN), được đặc trưng bởi các dải năng lượng cho các electron. Dải năng lượng chiếm giữ trên cùng được gọi là dải hóa trị, chứa đầy các electron trong một chất bán dẫn chưa được mở, nhưng dải năng lượng cao hơn sau đó, được gọi là dải dẫn, vẫn hoàn toàn bỏ trống trong một chất bán dẫn không mở. Sự chênh lệch năng lượng giữa mức tối thiểu của dải dẫn và cao nhất của ban nhạc hóa trị được gọi là khoảng cách băng tần của chất bán dẫn. Quá trình phát xạ ánh sáng trong chất bán dẫn rất đơn giản: khi một electron chiếm dải dẫn và chỗ trống tồn tại trong dải hóa trị (được gọi là lỗ), điện tử băng dẫn có thể chuyển sang chiếm trạng thái trống trong dải hóa trị, giải phóng sự khác biệt năng lượng (khoảng cách dải) như một bức ảnh phát ra (Hình 1). Các electron và lỗ tái tổ hợp, dẫn đến sự phát xạ của một photon. Quá trình này xảy ra trong phần lớn các chất bán dẫn, với các ngoại lệ đáng chú ý được gọi là chất bán dẫn gián tiếp, như silicon hoặc germanium, nơi phát xạ photon không được phép trực tiếp, dẫn đến không hiệu quả đáng kể. Để chế tạo đèn LED bán dẫn, điều cần thiết là phải định vị các electron đồng thời trong dải dẫn và các lỗ trong dải hóa trị trong vật liệu. Đây là nơi doping có ý nghĩa. Một chất bán dẫn nội tại hoạt động như một chất cách điện, vì các electron trong dải hóa trị vẫn bất động do không có trạng thái có sẵn cho chuyển động điện tử; Tuy nhiên, chất bán dẫn có thể được pha tạp trong hai cách cư xử riêng biệt. Khi các tạp chất được tích hợp vào tinh thể với một electron bổ sung trên mỗi nguyên tử, các electron thặng dư này chuyển sang dải dẫn. Ví dụ, thay thế một số nguyên tử GA bằng các nguyên tử Si trong tinh thể GaAs dẫn đến pha tạp loại N, được đặc trưng bởi sự hiện diện của các electron trong dải dẫn. Ngược lại, các tạp chất không có electron có thể được giới thiệu, dẫn đến pha tạp loại P, được đặc trưng bởi sự tồn tại của các lỗ trong dải hóa trị. Một khía cạnh quan trọng là các chất tạo ra các nguyên tử thiểu số bên trong cấu trúc tinh thể: một nguyên tử doping duy nhất trong số một triệu nguyên tử tiêu chuẩn có thể tăng cường đáng kể độ dẫn điện. Nắm vững mức độ pha tạp là điều cần thiết để tùy chỉnh các đặc tính điện của chất bán dẫn. Chuyên môn này, bắt đầu vào những năm 1940 và 1950, đã kết thúc các cuộc cách mạng trong vi điện tử và quang điện tử. Cấu hình cơ bản cho phát xạ ánh sáng từ chất bán dẫn liên quan đến việc tích hợp loại N (với các electron trong dải dẫn) và loại P (với các lỗ hoặc không có electron, trong dải hóa trị). Khi chịu độ lệch điện, electron và lỗ, đi qua các hướng đối nghịch-nơi một lỗ di chuyển trái trong dải hóa trị tương ứng với các electron chuyển đổi phải ở bên phải tại ngã ba PN, dẫn đến tái tổ hợp phát ra các photon (Hình 2). Sau khi hiểu biết của cộng đồng nghiên cứu, hành động cần thiết trở nên rõ ràng: khả năng tổng hợp các tinh thể chất lượng cao với loại ping loại P và loại N được kiểm soát chính xác. Đèn LED hồng ngoại GAA khai mạc đã được trưng bày vào năm 1962, sau đó đã thành công bởi các đèn LED có thể nhìn thấy ban đầu được phát triển bởi các đội khác. N. Holonyak, một nhà nghiên cứu tại General Electric, đã ủng hộ hợp kim GAASP, cho phép anh ta giới thiệu laser diode bán dẫn có thể nhìn thấy được khai mạc. Điều cần thiết là phải thừa nhận N. Holonyak, người, trong số những người khác, đã nâng cao đáng kể sự hiểu biết và kiểm soát các bộ phát ánh sáng bán dẫn. Vào năm 1963, Nick Holonyak dự đoán trong Digest của Reader rằng đèn LED bán dẫn cuối cùng sẽ thay thế tất cả các bóng đèn cho các ứng dụng chiếu sáng chung, mặc dù đèn LED bán dẫn ban đầu phát ra ánh sáng rất mờ và thể hiện hiệu quả của chỉ phần trăm do chất lượng vật liệu kém hơn. Những tiêu chí nào anh ấy đã sử dụng để tạo ra dự đoán này? Holonyak nhận ra rằng bóng đèn sợi đốt có chức năng tương tự như các bộ phát cơ thể đen, tạo ra một đường cong quang phổ tương quan với nhiệt độ sợi; Khi nhiệt độ tăng, phổ phát xạ chuyển sang bước sóng ngắn hơn. Các bóng đèn sợi đốt hiệu quả nhất chủ yếu phát ra ánh sáng hồng ngoại, không hiệu quả cho sự chiếu sáng và thay vào đó hoạt động như một nguồn nhiệt. Việc chuyển đổi công suất điện thành công suất quang có thể nhìn thấy vốn đã bị hạn chế ở mức xấp xỉ 5%. Trong đèn LED bán dẫn, vật lý phân kỳ đáng kể: Gần 100% năng lượng điện có thể được chuyển thành công suất quang, với bước sóng phát xạ được điều chỉnh tốt (đáng chú ý, khoảng cách dải xác định năng lượng và do đó bước sóng của photon phát ra). Người ta có thể hình dung một thiết bị được trang bị đèn LED phát ra trên một số bước sóng có thể nhìn thấy, mỗi bước thể hiện hiệu quả chuyển đổi cao (tốt nhất là thống nhất), do đó cho phép phát xạ ánh sáng trắng có thể nhìn thấy (hoặc bất kỳ sự kết hợp nào được chọn của màu sắc có thể nhìn thấy) mà không bị tổn thất nhiệt (Hình 3). Điều này, trong lý thuyết, chức năng; Thách thức duy nhất là trong việc đạt được sự trưởng thành công nghệ cần thiết để sản xuất các đèn LED cực kỳ hiệu quả ở các bước sóng nhất định. Nỗ lực này đã chiếm các nhà nghiên cứu bán dẫn trong nhiều thập kỷ tiếp theo và cuối cùng đã dẫn đếnGiải thưởng Nobel 2014.
Công ty TNHH Công nghệ chiếu sáng Thâm Quyến Benwei được thành lập vào năm 2010. Đây là một thiết kế tích hợp doanh nghiệp công nghệ cao quốc gia, R & D, sản xuất và bán các sản phẩm chiếu sáng trong nhà và cũng có thể làm OEM, ODM.bwzm18@ledbenweilighting.com
