LED untuk Pencahayaan: Fizik Asas dan Prospek untuk Penjimatan Tenaga

Pada tahun 2014, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, dan Shuji Nakamura dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Fizik untuk penciptaan diod pemancar cahaya biru yang cekap, yang memudahkan perkembangan sumber cahaya putih yang cerah dan tenaga. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini,Diod pemancar cahaya (LED) semakin menembusi sektor pencahayaan rumah dan pasaran massa yang lain. Artikel ini bertujuan untuk memberikan gambaran keseluruhan fizik LED, kejayaan utama yang memuncak dalam Hadiah Nobel 2014, dan potensi pemuliharaan tenaga yang LED dapat memudahkan.

heat lights for chicken coops

Diod pemancar cahaya (LED) telah menjadi penting untuk kehidupan seharian selama beberapa dekad, yang berasal dari lampu penunjuk dan kawalan jauh inframerah pada tahun 1960-an. Walau bagaimanapun, Hadiah Nobel dalam Fizik telah diberikan pada tahun 2014 khusus untuk LED biru, yang akhirnya membolehkan pengeluaran cahaya putih. Artikel ini bertujuan untuk menjelaskan fizik LED asas untuk menunjukkan potensi mereka sebagai pemancar cahaya yang unggul, terutamanya untuk aplikasi pencahayaan. Ia juga akan menyediakan sejarah ringkas mengenai ciptaan yang menyumbang kepada LED moden dan menjelaskan rasional di sebalik 2014 Hadiah Nobel dalam Fizik yang diberikan kepada Akasaki, Amano, dan Nakamura. Akhirnya, saya akan mengkaji sama ada LED kontemporari benar -benar menghasilkan pemuliharaan tenaga, dan lebih pragmatik, jika ia secara ekonomi bijak bagi pengguna individu untuk membeliMentol LEDuntuk pencahayaan rumah.

Bahagian ini akan memberikan gambaran ringkas mengenai sejarah elektroluminescence, menumpukan pada elektroluminescence semikonduktor anorganik, diikuti dengan penerangan fizik yang mendasari LED kontemporari. Electroluminescence adalah fenomena di mana cahaya dipancarkan apabila arus elektrik melalui bahan. Ia boleh dikatakan bahawa mentol pijar (mentol "Edison") adalah elektroluminescent; Walau bagaimanapun, dalam senario ini, aliran semasa memanaskan bahan, dan hasil pelepasan cahaya semata -mata dari suhu tinggi filamen. Oleh itu, lebih tepat untuk merujuk kepada electroluminescence apabila aliran semasa secara langsung memudahkan mekanisme pelepasan cahaya. Dokumentasi awal elektroluminescence berlaku pada tahun 1907 oleh HJ Round, yang digunakan oleh syarikat Marconi. Dia menafikan spesimen karbida silikon (kemudian dirujuk sebagai carborundum) dan cahaya yang diperhatikan warna yang berbeza mengikut penempatan elektrod dan voltan yang digunakan. Dia tidak memahami fenomena pada masa itu. Dua dekad kemudian, Oleg Losev, seorang juruteknik muda Rusia di Makmal Radio Nizhny Novgorod, mencapai kemajuan yang signifikan dalam pemerhatian eksperimen dan pemahaman diod pemancar cahaya karbida silikon. Khususnya, beliau mengemukakan paten pada tahun 1929 yang merangkumi tuntutan berikutnya: "Ciptaan yang dicadangkan menggunakan fenomena luminescence yang ditubuhkan dalam pengesan karborundum dan memerlukan penggunaan pengesan yang sama dengan pemohon, litar semasa. " Ini benar-benar luar biasa: pekerja berusia setahun 26- dengan pendidikan formal yang terhad dalam fizik yang dipatenkan pemindahan data tinggi menggunakan modulasi elektrik sumber cahaya semikonduktor pada tahun 1929. Pada tahun 1940 -an, pemahaman dan kawalan semikonduktor yang dipertingkatkan mengakibatkan penciptaan persimpangan P -N yang pertama, diikuti dengan penciptaan transistor pertama. LED awal yang menggunakan persimpangan p-i-n yang maju dapat direka dan dipertingkatkan.
Semikonduktor adalah bahan yang kekonduksiannya dapat diubah oleh pengenalan kekotoran yang dikenali sebagai dopan. Semikonduktor anorganik adalah bahan kristal seperti silikon (SI), gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (INP), dan galium nitride (GaN), dicirikan oleh band tenaga untuk elektron. Band tenaga yang diduduki paling tinggi dirujuk sebagai band valensi, yang dipenuhi dengan elektron dalam semikonduktor yang tidak terperinci, tetapi band tenaga yang lebih tinggi berikutnya, yang dikenali sebagai band konduksi, tetap kosong sepenuhnya dalam semikonduktor yang tidak ditarik. Ketidaksamaan tenaga antara minimum band konduksi dan tertinggi band valensi disebut sebagai jurang band semikonduktor. Proses pelepasan cahaya dalam semikonduktor adalah mudah: apabila elektron menduduki jalur konduksi dan kekosongan wujud dalam jalur valensi (disebut lubang), elektron pengaliran boleh beralih untuk menduduki keadaan kosong dalam jalur valensi, melepaskan perbezaan tenaga (jurang band) sebagai foton yang dipancarkan (Rajah 1). Elektron dan lubang rekombin, mengakibatkan pelepasan foton. Proses ini berlaku dalam majoriti semikonduktor, dengan pengecualian yang ketara yang dikenali sebagai semikonduktor tidak langsung, seperti silikon atau germanium, di mana pelepasan foton tidak dibenarkan secara langsung, mengakibatkan ketidakcekapan yang signifikan. Untuk mengarang LED semikonduktor, adalah penting untuk secara serentak meletakkan elektron dalam jalur konduksi dan lubang di band valensi dalam bahan. Di sinilah doping menganggap penting. Fungsi semikonduktor intrinsik sebagai penebat, kerana elektron dalam band valensi tetap tidak bergerak kerana ketiadaan keadaan yang ada untuk pergerakan elektronik; Walau bagaimanapun, semikonduktor boleh doped dalam dua sikap yang berbeza. Apabila kekotoran dimasukkan ke dalam kristal dengan elektron tambahan per atom, peralihan elektron lebihan ini ke jalur konduksi. Sebagai contoh, menggantikan beberapa atom GA dengan atom SI dalam hasil kristal GaAs dalam doping N-jenis, yang dicirikan oleh kehadiran elektron dalam jalur konduksi. Sebaliknya, kekotoran tanpa elektron boleh diperkenalkan, mengakibatkan doping p-jenis, yang dicirikan oleh kewujudan lubang dalam band valensi. Aspek penting ialah dopan membentuk atom minoriti di dalam struktur kristal: satu atom doping di antara satu juta atom standard dapat meningkatkan kekonduksian elektrik dengan ketara. Menguasai tahap doping adalah penting untuk menyesuaikan ciri -ciri elektrik semikonduktor. Kepakaran ini, yang bermula pada tahun 1940 -an dan 1950 -an, mencetuskan revolusi dalam mikroelektronik dan optoelektronik. Konfigurasi asas untuk pelepasan cahaya dari semikonduktor melibatkan integrasi N-jenis (dengan elektron dalam jalur konduksi) dan p-jenis (dengan lubang, atau ketiadaan elektron, dalam band valensi). Apabila tertakluk kepada kecenderungan elektrik, elektron dan lubang, yang melintasi arah menentang-di mana lubang yang bergerak ke kiri dalam jalur valensi sepadan dengan elektron yang bergerak ke kanan di persimpangan PN, mengakibatkan penggabungan semula yang memancarkan foton (Rajah 2). Setelah pemahaman oleh komuniti penyelidikan, tindakan yang diperlukan menjadi jelas: keupayaan untuk mensintesis kristal berkualiti tinggi dengan doping p-jenis dan N-jenis yang dikawal dengan tepat. LED Inframerah GaAs yang pertama dipamerkan pada tahun 1962, kemudiannya berjaya oleh LED yang kelihatan awal yang dibangunkan oleh pasukan lain. N. Holonyak, seorang penyelidik di General Electric, yang menganjurkan untuk aloi Gaasp, membolehkannya mempamerkan laser diod semikonduktor yang kelihatan sulung. Adalah penting untuk mengakui N. Holonyak, yang, antara lain, telah memajukan pemahaman dan kawalan pemancar cahaya semikonduktor. Pada tahun 1963, Nick Holonyak meramalkan dalam Digest Reader bahawa LED semikonduktor akhirnya akan menggantikan semua mentol lampu untuk aplikasi pencahayaan umum, walaupun LED semikonduktor awal memancarkan cahaya yang sangat redup dan mempamerkan kecekapan hanya pecahan peratus disebabkan oleh kualiti bahan yang lebih rendah. Apa kriteria yang dia gunakan untuk menghasilkan ramalan ini? Holonyak mengakui bahawa mentol lampu pijar berfungsi sama seperti pemancar hitam badan, menghasilkan lengkung spektrum yang dikaitkan dengan suhu filamen; Apabila suhu meningkat, spektrum pelepasan beralih ke arah panjang gelombang yang lebih pendek. Mentol pijar yang paling berkesan kebanyakannya memancarkan cahaya inframerah, yang tidak berkesan untuk pencahayaan dan sebaliknya berfungsi sebagai sumber haba. Penukaran kuasa elektrik ke kuasa optik yang dapat dilihat secara semulajadi dikekang kira -kira 5%. Dalam LED semikonduktor, fizik menyimpang dengan ketara: hampir 100% kuasa elektrik boleh diubah menjadi kuasa optik, dengan panjang gelombang pelepasan yang dikawal dengan baik (terutamanya, jurang band menentukan tenaga dan akibatnya panjang gelombang foton yang dipancarkan). Seseorang dapat membayangkan peranti yang dilengkapi dengan LED yang memancarkan beberapa panjang gelombang yang dapat dilihat, masing -masing mempamerkan kecekapan penukaran yang tinggi (sebaik -baiknya), dengan itu membolehkan pelepasan cahaya putih yang kelihatan (atau gabungan warna yang dapat dilihat) tanpa kerugian terma (Rajah 3). Ini sepatutnya, dalam teori, fungsi; Cabaran tunggal adalah dalam mencapai kematangan teknologi yang diperlukan untuk mengeluarkan LED yang sangat cekap pada panjang gelombang tertentu. Usaha ini menduduki penyelidik semikonduktor untuk dekad -dekad berikutnya dan akhirnya mengakibatkan2014 Hadiah Nobel.
led hog barn lights