איך עובד LED?
למרות השימוש בהיבטים רבים של החיים המודרניים, כגון תאורת הבתים שלנו, הפעלת מסכי סמארטפון והכוונת תנועה, דיודות פולטות אור- (LED) שונות מטכנולוגיות תאורה קונבנציונליות יותר כמו נורות ליבון או פלורסנט בשל הפיזיקה המתוחכמת של מוליכים למחצה שלהן.נוריותהשתמש בתהליך המכונה אלקטרולומינסנציה, שהוא פליטת פוטונים (חלקיקי אור) כאשר זרם חשמלי זורם דרך חומר מוליך למחצה שנעשה במיוחד. זאת בניגוד ללהיט, המייצרים אור על ידי חימום נימה, או פלורסנטים, המשתמשים בגז ובקרינת UV. ראשית עלינו לבחון את היסודות של מוליכים למחצה, את העיצוב של LED ואת ההליך הרציף הממיר חשמל לאור נראה על מנת להבין כיצד זה מתרחש.
הבסיס: להקות אנרגיה ומוליכים למחצה
כל LED מופעל על ידי מוליך למחצה, חומר שמוליך חשמל גרוע יותר ממוליכים (כמו נחושת) אך טוב יותר ממבודדים (כמו זכוכית). רצועות האנרגיה של האלקטרונים-אזורי האנרגיה שהאלקטרונים יכולים לכבוש-חיוניים להתנהגות הייחודית של מוליך למחצה. לאלקטרונים יש רמות אנרגיה ברורות בכל החומרים, אבל במוצקים, רמות אלו מתחברות ויוצרות שתי פסים עיקריים: פס ההולכה ופס הערכיות.
האטומים של החומר מוחזקים יחד במבנה גבישי על ידי האלקטרונים בפס הערכיות, המחוברים היטב לאטומים. מוליכות חשמלית מתאפשרת על ידי האלקטרונים ברצועת ההולכה, החופשיים לזרום דרך החומר. פער הרצועות, טווח של אנרגיה שהאלקטרונים לא יכולים לאכלס, קיים בין שתי הרצועות הללו. גודל פער הרצועה של חומר קובע אם זה מבודד, מוליך או מוליך למחצה: למוליכים למחצה יש פער פס קטן וניתן למדידה (אלקטרונים יכולים לחצות את הפער עם כניסת אנרגיה קטנה, כמו זרם חשמלי), למנצחים אין פער פס (לאלקטרונים נעים בחופשיות בין הפסים), ולמבודדים קשה מאוד לקפוץ לפס ההולכה של האלקטרונים (מה שגורם לו לקפוץ לפס ההולכה).
המוליך למחצה המשמש ב-LED הוא "מסומם", שהוא הליך שמשנה את המאפיינים החשמליים של החומר על ידי הוספת כמויות עקבות של זיהומים. גם מוליכים למחצה מסוג n- וגם מסוג p- מיוצרים על ידי סימום. כאשר יסודות עם אלקטרונים נוספים, כגון זרחן, מסוממים לתוך מוליכים למחצה מסוג N-, הם נעשים חופשיים לנוע בפס ההולכה ונותנים לחומר מטען שלילי נטו. אלמנטים עם פחות אלקטרונים, כמו בורון, משמשים לסימום מוליכים למחצה מסוג P-. כתוצאה מכך נוצרים "חורים", או אלקטרונים חסרים בפס הערכיות, שמתפקדים כמטענים חיוביים ויכולים לעבור דרך החומר כאשר אלקטרונים ממלאים אותם. LED מתפקד בגלל צומת p-n, שהוא המפגש בין שני האזורים המסוימים הללו.
מבנה ה-LED: מתפוקת אור לצומת P-N
העיצוב הפשוט אך המדויק של LED ממקסם את תפוקת האור תוך הפחתת אובדן אנרגיה. צומת p-n שלו ממוקם בשכבה דקה של חומר מוליכים למחצה, בדרך כלל על בסיס גליום-, כגון גליום ארסניד או גליום ניטריד. המצע, חומר יסוד המספק תמיכה ומסייע בפיזור חום, הוא המקום שבו מחוברת שכבת מוליכים למחצה זו. זה חשוב שכן התחממות יתר עלולה לקצר את תוחלת החיים של LED.
אלקטרודה אחת מחוברת לאזור מסוג p-(האנודה, מסוף חיובי) והשנייה לאזור מסוג n-(הקתודה, מסוף שלילי) על גבי שכבת המוליך למחצה. שדה חשמלי נוצר על פני צומת p-n כאשר מתח מסופק על פני האלקטרודות הללו (הקתודה שלילית והאנודה חיובית). האלקטרונים החופשיים של המוליך למחצה מסוג n- נדחפים לכיוון הצומת על ידי שדה זה, בעוד שהחורים של המוליך למחצה מסוג p- מצוירים באותו כיוון.
על מנת שהאור שנוצר בצומת p-n יברח, שכבת המוליכים למחצה חייבת להיות שקופה או -שקופה למחצה (או שתהיה לה שכבה מחזירה בצד אחד). מוֹדֶרנִינוריותמשתמשים בחומרים כמו גליום ניטריד (GaN), שהם שקופים לאור הנראה ומבטיחים שרוב הפוטונים מגיעים לפני השטח, בניגוד לנוריות LED מוקדמות, שהשתמשו לעתים קרובות בחומרים מוליכים למחצה אטומים שהגבילו את תפוקת האור. צומת p-n של המוליך למחצה הוא המקום שבו מתרחש תהליך יצירת האור העיקרי-, אם כי לחלק מהנוריות יש גם עדשה או ציפוי כדי למקד את האור או לשנות את צבעו.
שלב 1: שימוש באלקטרון-ריקומבינציה ומתח של חורים
מתח חיצוני הניתן לאלקטרודות של ה-LED מתחיל את תהליך פליטת האור על ידי יצירת הטיה קדימה, שהיא הכיוון הנכון של זרימת הזרם עבורLEDלתפקד; הטיה הפוכה, לעומת זאת, מפסיקה את הזרם ואינה מפיקה אור. אלקטרונים חופשיים מאזור מסוג n- מואצים לאזור מסוג p-, וחורים מאזור מסוג p-מואצים לאזור מסוג n- על ידי השדה החשמלי על פני צומת p-n כאשר מופעל הטיה קדימה.
האלקטרונים והחורים הללו מתכנסים בסופו של דבר בצומת p-n או קרוב אליו כשהם נעים באותו כיוון. אלקטרון חופשי מרצועת ההולכה של אזור ה-n-"נופל" לתוך החור כשהוא מתנגש עם חור מרצועת הערכיות של האזור מסוג p-, ומשתנה ממצב אנרגיה גבוה יותר בפס ההולכה לרמת אנרגיה נמוכה יותר בפס הערכיות. האלקטרון והחור מבטלים זה את זה במהלך המעבר הזה, המכונה רקומבינציה, והאנרגיה הנוספת שהם מאבדים נפלטת כפוטון.
גודל מרווח הפס של המוליך למחצה משפיע ישירות על האנרגיה של הפוטון הזה, מה שנותן לאור את צבעו. פוטון בעל אנרגיה גבוהה יותר (ואורך גל קצר יותר, כגון אור כחול או סגול) נוצר כאשר אלקטרון מתחבר מחדש עם חור ומאבד יותר אנרגיה עקב פער פס רחב יותר. פוטון בעל אורך גל ארוך יותר, כגון אור אדום או כתום, ופחות אנרגיה מופק על ידי פער פס קטן יותר.
לְמָשָׁל:
בשל מרווח הפס הצר שלו, גליום ארסניד (GaAs) פולט אור אדום באורך גל של כ-650 ננומטר. בגלל מרווח הרצועה הרחב יותר שלו, גליום ניטריד (GaN) פולט אור כחול או סגול עם אורך גל של כ-450 ננומטר.
היצרנים יכולים לשנות את פער הרצועה כדי לייצר נוריות שיוצרות אור ירוק, צהוב או אפילו לבן על ידי שילוב חומרים מוליכים למחצה שונים (כגון גליום אינדיום ניטריד או InGaN) (עוד על נוריות לבנים להלן).
שלב 2: יעילות וחילוץ אור
חלק מהפוטונים הנוצרים על ידי ריקומבינציה נספגים בחומר המוליך למחצה עצמו, בעוד שאחרים משתקפים מהאלקטרודות או בצומת p-n ומשתחררים כחום. לא כל הפוטונים הללו עוזבים אתLEDכאור נראה. מעצבי LED משתמשים במספר אסטרטגיות לשיפור "חילוץ האור" על מנת לייעל את היעילות:
מצע שקוף: רוב האור נלכד על ידי המצעים האטומים (כגון גרמניום) ששימשו בנורות LED מוקדמות. מצעים שקופים, כגון סיליקון קרביד או ספיר, משמשים בנורות LED מודרניות כדי לאפשר לפוטונים להגיע לפני השטח.
משטחים בעלי מרקם: כדי להפחית את כמות האור המוחזרת אל החומר, פני המוליך למחצה נחרטים לעתים קרובות בדפוסים זעירים, כגון בליטות או חריצים. על ידי שינוי הזווית שבה האור פוגע במשטח, זה מגדיל את הסבירות שהוא יברח ולא יקפוץ בחזרה.
שכבות רפלקטיביות: החלק האחורי של המוליך למחצה מכוסה בשכבה דקה של השתקפות, המורכבת לרוב ממתכת כגון אלומיניום או כסף. שכבה זו מגדילה את כמות האור שעוזבת את ה-LED על ידי החזרת פוטונים שאחרת היו הולכים לאיבוד דרך המצע בחזרה לכיוון הקדמי של LED.
למרות שהרבה פחות מאשר עם אורות ליבון, חלק מהאנרגיה עדיין אובדת כחום למרות ההתקדמות הללו. רק 10-25% מהאנרגיה הולכת לאיבוד כחום בנורות LED, כאשר 75-90% מהאנרגיה הופכת לאור, לעומת 90-95% בליבון. בגלל היעילות המצוינת שלהם, נורות LED משתמשות בהרבה פחות אנרגיה מנורות רגילות.
כיצד פועלות נוריות לבנים: מצב ייחודי
רוב נוריות הלד פולטות רק צבע אחד, או אור מונוכרומטי, אך נוריות לד לבנים, המשמשות בפנסים, טלוויזיות ותאורת בית, זקוקות לאסטרטגיה שונה מכיוון שאין חומר מוליכים למחצה עם פער פס שיוצר ישירות אור לבן. במקום זאת, נורות LED לבנות משתמשות באחת משתי טכניקות עיקריות:
המרה של זרחן: כחולLED(עשוי מגאליום ניטריד) מכוסה בזרחן צהוב-חומר הסופג אור באורך גל אחד ופולט אור אחר-משמש בטכניקה הפופולרית ביותר. הזרחן סופג חלק מהפוטונים הכחולים הנפלטים מה-LED הכחולה ופולט מחדש- פוטונים צהובים. העיניים שלנו מפרשות את שאריות הפוטונים הכחולים כאור לבן ברגע שהם מתאחדים עם הפוטונים הצהובים. היצרנים מוסיפים כמויות של זרחנים אדומים או ירוקים לציפוי כדי לשנות את טמפרטורת הצבע, או "החום" או "הקרירות", של האור הלבן. לדוגמה, הוספת אור כחול נוסף מייצרת אור לבן קריר (5,000K–6,500K), בעוד שהוספת זרחן אדום מייצרת אור לבן חם (2,700K–3,000K).
ערבוב RGB: טכניקה פחות פופולרית זו משלבת שלוש נוריות LED שונות-אדומות, ירוקות וכחולות-לחבילה אחת. שלושת הצבעים משתלבים ליצירת אור לבן (או כל גוון ספקטרום גלוי אחר) על ידי שינוי הבהירות של כל LED. למרות שהטכניקה הזו יקרה יותר מהמרת זרחן, היא מופעלת במצבים הדורשים ניהול צבע מדויק, כגון תאורת במה או תצוגות- מתקדמים.
ההבחנות בין נוריות לד ותאורה קונבנציונלית
לדעת איך נוריות LED פועלות קל יותר לראות מדוע הן מתפקדות טוב יותר מנורות פלורסנט ולבון כמעט בכל קטגוריה:
יעילות אנרגטית: נוריות LED משתמשות באלקטרולומינסנציה, שהיא יעילה באופן טבעי; בניגוד לליבונים, שמוציאים אנרגיה בחימום נימה, פלורסנטים אינם מבזבזים אנרגיה בהפקת קרינת UV.
תוחלת חיים ארוכה: נורות LED לא נשרפות בקלות מכיוון שאין להן חלקים נעים או חוטים עדינים. בניגוד ללהיט, אשר תוחלת החיים שלהם היא 1,000–2,000 שעות, ללדים יש תוחלת חיים של 50,000–100,000 שעות עקב השפלה הדרגתית ביותר של החומר המוליך למחצה לאורך זמן.
הדלקה/כיבוי מיידי: בניגוד לפלורסנטים, שדורשים כמה שניות כדי להאיר לחלוטין, לנורות ה-LED אין-זמן התחממות והן מופעלות לבהירות מלאה באופן מיידי.
עמידות: בגללנוריותהם אלקטרונים מוצקים-, הם יכולים לעמוד בפני זעזועים, רעידות וטמפרטורות גבוהות, מה שהופך אותם למושלמים עבור יישומים חיצוניים או הגדרות קשות (כגון מכוניות או מפעלים).
העתיד של טכנולוגיית LED
פיתוחים חדשים מגדילים את הפוטנציאל של טכנולוגיית LED כאשר חוקרים ומהנדסים ממשיכים לשפר אותה. לְמָשָׁל:
QLED, או נוריות נקודות קוונטיות: אלו משפרים את הבהירות ודיוק הצבע על ידי שימוש בנקודות קוונטיות, שהן חלקיקי מוליכים למחצה קטנים. חוקרים מנסים להפוך את מכשירי ה-QLED-ליעילים יותר באנרגיה עבור תאורה כללית, והם נמצאים כעת בטלוויזיות-מתקדמים.
מיקרו LED: נוריות LED זעירות להפליא, שרוחבותן רק כמה מיקרומטרים, יכולות להיות מקובצות במערכים צפופים כדי לייצר תאורה גמישה או מסכים ברזולוציה גבוהה-. סמארטפונים וטלוויזיות עתידיות צפויות להשתמש במיקרו LED במקום ב-OLED בגלל תוחלת החיים הארוכה יותר והתפוקה הטובה יותר.
נוריות פרובסקיט: בהשוואה לחומרים רגילים המבוססים על גליום-, פרוסקיט הוא סוג חדש של חומר מוליכים למחצה שפחות יקר לייצור. חוקרים מנסים להגביר את היציבות של נוריות perovskite לשימוש מסחרי מכיוון שהם הוכיחו הבטחה באספקת אור בהיר ויעיל.
לסיכום
נוריותהם מכשירים פשוטים מאוד העשויים ממוליכים למחצה מסוממים עם צומת ap-n שמשתמש בריקומבינציית חורים- אלקטרונים כדי להפוך אנרגיה חשמלית לאור. הן בין טכנולוגיות התאורה היעילות והניתנות להתאמה שפותחו אי פעם, אך הפשטות שלהן מסתירה את מורכבות הבנייה שלהן, הכוללת הכל מהנדסת שאיבת האור ועד לוויסות המדויק של פער הרצועות. הידיעה כיצד פועלים נוריות LED מאפשרת לנו להבין הן את המדע המתוחכם שעומד בבסיסן, כמו גם את היתרונות השימושיים שלהן (אורך חיים ארוך יותר, עלויות אנרגיה זולות יותר). ככל שטכנולוגיית LED תתפתח עוד יותר, היא כנראה תתרום אפילו יותר להפחתת השימוש באנרגיה העולמית, עצירת שינויי אקלים והשפעה על עיצוב התאורה בעתיד-תוכיחה שלפעמים פריצות הדרך המשמעותיות ביותר מגיעות מהעקרונות המדעיים הבסיסיים ביותר.
שנזן Benwei Lighting Technology Co., Ltd
טלפון: +86 0755 27186329
נייד (+86)18673599565
ווטסאפ: 19113306783
אֶלֶקטרוֹנִי:bwzm15@benweilighting.com
סקייפ:benweilight88
אינטרנט:www.benweilight.com
