Bir LED Nasıl Çalışır?

Bir LED nasıl çalışır?

Işık yayan diyotlar (LED'ler), evlerimizi aydınlatmak, akıllı telefon ekranlarına güç vermek ve trafiği yönlendirmek gibi modern yaşamın pek çok alanında kullanılmasına rağmen, karmaşık yarı iletken fizikleri nedeniyle akkor veya floresan ampuller gibi daha geleneksel aydınlatma teknolojilerinden farklıdır.LED'lerElektrik akımı özel olarak yapılmış bir yarı iletken malzemeden aktığında fotonların (hafif parçacıklar) emisyonu olan, elektrolüminesans olarak bilinen bir işlemi kullanırlar. Bu, bir filamanı ısıtarak ışık üreten akkor lambaların veya gaz ve UV radyasyonu kullanan floresanların tersidir. Bunun nasıl gerçekleştiğini anlamak için öncelikle yarı iletkenlerin temellerini, LED tasarımını ve elektriği görünür ışığa dönüştüren sıralı prosedürü incelememiz gerekiyor.

Temel: Enerji Bantları ve Yarı İletkenler

Her LED, elektriği iletkenlerden (bakır gibi) daha zayıf, ancak yalıtkanlardan (cam gibi) daha iyi ileten bir yarı iletken tarafından çalıştırılır. Elektron enerji bantları-elektronların işgal edebileceği enerji alanları-bir yarı iletkenin ayırt edici davranışı açısından önemlidir. Elektronların tüm materyallerde farklı enerji seviyeleri vardır, ancak katılarda bu seviyeler birleşerek iki ana bant oluşturur: iletim bandı ve valans bandı.
 

Malzemenin atomları, atomlara sıkı bir şekilde bağlı olan değerlik bandındaki elektronlar tarafından kristal yapıda bir arada tutulur. Elektriksel iletkenlik, madde içerisinden serbestçe akabilen iletim bandındaki elektronlar sayesinde mümkün olur. Bu iki bant arasında elektronların barınamayacağı bir enerji aralığı olan bant aralığı bulunur. Bir malzemenin bant aralığı boyutu, onun yalıtkan, iletken veya yarı iletken olup olmadığını belirler: yarı iletkenler küçük, ölçülebilir bir bant aralığına sahiptir (elektronlar, elektrik akımı gibi küçük bir enerji girişi ile bu aralığı geçebilir), iletkenlerin bant aralığı yoktur (elektronlar bantlar arasında serbestçe hareket eder) ve yalıtkanların bant boşlukları çok büyüktür (elektronların iletim bandına atlamasını zorlaştırır).

LED'lerde kullanılan yarı iletken, eser miktarda yabancı madde ekleyerek malzemenin elektriksel özelliklerini değiştiren bir prosedür olan "katkılıdır". Hem n-tipi hem de p-tipi yarı iletkenler katkılamayla üretilir. Fosfor gibi ilave elektronlara sahip elementler N- tipi yarı iletkenlere katkılandığında, iletken bantta hareket etmekte serbest hale gelirler ve malzemeye net bir negatif yük verirler. Bor gibi daha az elektrona sahip elementler P-tipi yarı iletkenleri katkılamak için kullanılır. Bu, değerlik bandında pozitif yükler olarak işlev gören ve elektronlar onları doldururken malzemenin içinden geçebilen "delikler" veya eksik elektronlarla sonuçlanır. Bir LED, bu iki katkılı bölgenin kesişimi olan p-n bağlantısı nedeniyle çalışır.
LED'in Yapısı: Işık Çıkışından P-N Kavşağı'na

Bir LED'in basit ama doğru tasarımı, enerji kaybını azaltırken ışık çıkışını en üst düzeye çıkarır. P-n bağlantısı, galyum arsenit veya galyum nitrür gibi genellikle galyum- bazlı, ince bir yarı iletken malzeme tabakasında bulunur. Destek sağlayan ve ısı dağılımına yardımcı olan bir temel malzemesi olan alt tabaka, bu yarı iletken katmanın bağlandığı yerdir. Aşırı ısınma LED'in ömrünü kısaltabileceğinden bu önemlidir.

Elektrotlardan biri yarı iletken katmanın üzerindeki p- tipi bölgeye (anot, pozitif terminal) ve diğeri n- tipi bölgeye (katot, negatif terminal) bağlanır. Bu elektrotlara bir voltaj uygulandığında p-n bağlantısı boyunca bir elektrik alanı üretilir (katot negatif ve anot pozitiftir). n- tipi yarı iletkenin serbest elektronları bu alan tarafından bağlantı noktasına doğru itilirken, p- tipi yarı iletkenin delikleri aynı yönde çizilir.

p-n ​​kavşağında üretilen ışığın kaçması için, yarı iletken katmanın şeffaf veya yarı-şeffaf olması (veya bir tarafında yansıtıcı katman bulunması) gerekir. ModernLED'lerIşık çıkışını sınırlayan opak yarı iletken malzemeleri sıklıkla kullanan ilk LED'lerin aksine, görünür ışığa karşı şeffaf olan ve fotonların çoğunluğunun yüzeye ulaşmasını garanti eden galyum nitrür (GaN) gibi malzemeler kullanılır. Yarı iletkenin p-n bağlantısı, birincil ışık-üretim sürecinin gerçekleştiği yerdir, ancak bazı LED'lerde ayrıca ışığı odaklamak veya rengini değiştirmek için bir mercek veya kaplama bulunur.

1. Adım: Elektron-Delik Rekombinasyonunu ve Gerilimi Kullanma

LED'in elektrotlarına verilen harici voltaj, LED için doğru akım akışı yönü olan ileri bir eğilim oluşturarak ışık emisyon sürecini başlatır.NEDEN OLMUŞişlev görmek; ters önyargı ise akımı durdurur ve ışık üretmez. n-tipi alandan gelen serbest elektronlar, p-tipi bölgeye doğru hızlandırılır ve ileri eğilim uygulandığında p-n eklemi boyunca elektrik alanı tarafından p-tipi bölgeden gelen delikler, n-tipi bölgeye doğru hızlandırılır.

Bu elektronlar ve delikler, aynı yönde hareket ederken en sonunda p-n ​​kavşağında veya yakınında bir araya gelir. n- tipi alanın iletim bandından gelen serbest bir elektron, p- tipi bölgenin valans bandındaki bir delikle çarpıştığında deliğe "düşür" ve iletim bandındaki daha yüksek bir enerji durumundan valans bandındaki daha düşük bir enerji seviyesine dönüşür. Rekombinasyon adı verilen bu geçiş sırasında elektron ve delik birbirini iptal eder ve kaybettikleri fazla enerji foton olarak yayılır.
Yarı iletkenin bant aralığının boyutu, ışığa rengini veren bu fotonun enerjisini doğrudan etkiler. Bir elektron bir delikle yeniden birleştiğinde ve daha geniş bant aralığı nedeniyle daha fazla enerji kaybettiğinde, daha yüksek enerjiye (ve mavi veya mor ışık gibi daha kısa dalga boyuna) sahip bir foton yaratılır. Kırmızı veya turuncu ışık gibi daha uzun dalga boyuna sahip ve daha az enerjiye sahip bir foton, daha küçük bir bant aralığı tarafından üretilir.

Örneğin:

Galyum arsenit (GaAs) dar bant aralığı nedeniyle dalga boyu yaklaşık 650 nm olan kırmızı ışık yayar. Galyum nitrür (GaN), daha geniş bant aralığı nedeniyle yaklaşık 450 nm dalga boyu olan mavi veya mor ışık yayar.

Üreticiler, çeşitli yarı iletken malzemeleri (galyum indiyum nitrür veya InGaN gibi) birleştirerek yeşil, sarı ve hatta beyaz ışık üreten LED'ler üretmek için bant aralığını değiştirebilirler (beyaz LED'ler hakkında daha fazla bilgi aşağıdadır).

Adım 2: Verimlilik ve Işık Çıkarımı

Rekombinasyon tarafından üretilen fotonların bir kısmı yarı iletken malzemenin kendisi tarafından emilirken, diğerleri elektrotlardan veya p-n ​​bağlantı noktasından yansır ve ısı olarak salınır. Bu fotonların hepsiNEDEN OLMUŞgörünür ışık olarak. LED tasarımcıları verimliliği optimize etmek amacıyla "ışık çıkarımını" geliştirmek için bir dizi strateji kullanır:

Şeffaf alt tabakalar: Işığın büyük bir kısmı, ilk LED'lerde kullanılan opak alt tabakalar (germanyum gibi) tarafından tutuluyordu. Fotonların yüzeye ulaşmasını sağlamak için modern LED'lerde silisyum karbür veya safir gibi şeffaf alt tabakalar kullanılır.
Dokulu Yüzeyler: Malzemeye geri yansıyan ışık miktarını azaltmak için yarı iletkenin yüzeyi sıklıkla tümsekler veya oyuklar gibi küçük desenlerle kazınır. Işığın yüzeye çarptığı açının değiştirilmesi, ışığın geri dönmek yerine kaçma olasılığını artırır.

Yansıtıcı Katmanlar: Yarı iletkenin arkası, genellikle alüminyum veya gümüş gibi metallerden oluşan ince bir yansıma katmanıyla kaplıdır. Bu katman, aksi takdirde alt tabaka boyunca kaybolacak olan fotonları LED'in önüne doğru yansıtarak LED'den ayrılan ışık miktarını artırır.

Akkor lambalardan çok daha az olmasına rağmen, bu gelişmelere rağmen enerjinin bir kısmı ısı olarak kayboluyor. LED'lerde enerjinin yalnızca %10-25'i ısı olarak kaybolur ve enerjinin %75-90'ı ışığa dönüşürken, akkor lambalarda bu oran %90-95'tir. Mükemmel verimlilikleri nedeniyle LED'ler, geleneksel ışıklara göre çok daha az enerji kullanır.

Beyaz LED'ler Nasıl Çalışır: Benzersiz Bir Durum

LED'lerin çoğunluğu yalnızca tek renkli veya tek renkli ışık yayar, ancak farlarda, TV'lerde ve ev aydınlatmasında kullanılan beyaz LED'ler farklı bir stratejiye ihtiyaç duyar çünkü doğrudan beyaz ışık oluşturan bant aralığına sahip bir yarı iletken malzeme yoktur. Bunun yerine, beyaz LED'ler iki temel teknikten birini kullanır:

Fosforun Dönüşümü: MaviNEDEN OLMUŞSarı fosforla kaplı (galyum nitrürden yapılmış)-bir dalga boyundaki ışığı emen ve başka bir dalga boyundaki ışığı yayan bir madde-en popüler teknikte kullanılır. Fosfor, mavi LED tarafından yayılan mavi fotonların bir kısmını emer ve-sarı fotonları yeniden yayar. Geriye kalan mavi fotonlar sarı fotonlarla birleştiğinde gözlerimiz beyaz ışık olarak yorumluyor. Üreticiler, beyaz ışığın renk sıcaklığını veya "sıcaklığını" veya "soğukluğunu" değiştirmek için kaplamaya eser miktarda kırmızı veya yeşil fosfor ekliyor. Örneğin, ilave mavi ışık eklenmesi soğuk beyaz ışık (5.000K–6.500K) üretirken, kırmızı fosfor eklenmesi sıcak beyaz ışık (2.700K–3.000K) üretir.

RGB Karıştırma: Bu daha az popüler olan teknik, üç farklı LED'i-kırmızı, yeşil ve mavi-tek bir pakette birleştirir. Üç renk birleşerek her LED'in parlaklığını değiştirerek beyaz ışık (veya herhangi bir görünür spektrum tonu) oluşturur. Bu teknik, fosfor dönüşümünden daha maliyetli olmasına rağmen, sahne aydınlatması veya ileri teknoloji ekranlar gibi tam renk yönetimi gerektiren durumlarda kullanılır.

LED'ler ve Geleneksel Aydınlatma Arasındaki Farklar

LED'lerin nasıl çalıştığını bilmek, neredeyse her kategoride neden floresan ve akkor ampullerden daha iyi performans gösterdiklerini anlamanızı kolaylaştırır:

Enerji Verimliliği: LED'ler, doğal olarak verimli olan elektrolüminesans kullanır; Bir filamanı ısıtmak için enerji harcayan akkor lambalardan farklı olarak floresanlar, UV radyasyonu üreterek enerji harcamazlar.

Uzun Ömür: LED'ler hareketli parçalara veya hassas filamentlere sahip olmadıkları için kolayca yanmazlar. 1.000-2.000 saatlik kullanım ömrüne sahip akkor lambalardan farklı olarak LED'lerin kullanım ömrü, yarı iletken malzemenin zaman içinde son derece kademeli olarak bozulması nedeniyle 50.000-100.000 saattir.

Anında Açılma/Kapanma: Tamamen yanması birkaç saniye süren floresanlardan farklı olarak LED'lerin ısınma süresi- yoktur ve anında tam parlaklığa etkinleştirilirler.

Dayanıklılık: ÇünküLED'lerkatı hal elektronikleridir; şoka, titreşime ve yüksek sıcaklıklara dayanabilirler; bu da onları dış mekan uygulamaları veya zorlu ortamlar (otomobiller veya fabrikalar gibi) için mükemmel kılar.

LED Teknolojisinin Geleceği

Araştırmacılar ve mühendisler geliştirmeye devam ettikçe yeni gelişmeler LED teknolojisinin potansiyelini artırıyor. Örneğin:
QLED'ler veya kuantum nokta LED'leri: Bunlar, küçük yarı iletken parçacıklar olan kuantum noktalarını kullanarak parlaklığı ve renk doğruluğunu artırır. Araştırmacılar, genel aydınlatma için QLED'leri enerji-daha verimli hale getirmeye çalışıyorlar ve bunlar şu anda ileri teknoloji TV'lerde- bulunuyor.

Mikro LED'ler: Yalnızca birkaç mikrometre çapında olan bu inanılmaz derecede küçük LED'ler, esnek aydınlatma veya yüksek-çözünürlüklü ekranlar üretmek için yoğun diziler halinde gruplandırılabilir. Gelecekteki akıllı telefonların ve TV'lerin, daha uzun ömürleri ve daha iyi çıktıları nedeniyle OLED'ler yerine mikro LED'ler kullanması bekleniyor.

Perovskit LED'ler: Geleneksel galyum-bazlı malzemelerle karşılaştırıldığında perovskit, üretimi daha ucuz olan yeni bir tür yarı iletken malzemedir. Araştırmacılar, parlak ve verimli ışık sunma konusunda umut vaat ettiklerini gösterdikleri için ticari kullanım için perovskit LED'lerin stabilitesini artırmaya çalışıyorlar.

Sonuç olarak

LED'lerelektrik enerjisini ışığa dönüştürmek için elektron-deliği rekombinasyonunu kullanan ap-n ​​bağlantı noktasına sahip katkılı bir yarı iletkenden yapılmış çok basit cihazlardır. Bunlar şimdiye kadar geliştirilen en etkili ve uyarlanabilir aydınlatma teknolojileri arasında yer alıyor, ancak basitlikleri, ışık çıkarma mühendisliğinden bant aralığının tam olarak düzenlenmesine kadar her şeyi içeren yapılarının karmaşıklığını gizliyor. LED'lerin nasıl çalıştığını bilmek, hem onları destekleyen gelişmiş bilimi hem de yararlı avantajlarını (daha uzun ömür, daha ucuz enerji maliyetleri) kavramamıza olanak tanır. LED teknolojisi daha da geliştikçe küresel enerji kullanımının azaltılmasına, iklim değişikliğinin durdurulmasına ve gelecekte aydınlatma tasarımını etkilemeye muhtemelen daha fazla katkıda bulunacaktır-bu da bazen en önemli atılımların en temel bilimsel ilkelerden geldiğini göstermektedir.

Shenzhen Benwei Aydınlatma Teknolojisi Co, Ltd
Telefon: +86 0755 27186329
Mobil(+86)18673599565
Whatsapp :19113306783
E-posta:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
İnternet:www.benweilight.com