Conceptul de luminozitate
Câteva studii ale caracteristicilor LED-ului în această ediție, deoarece fiziologia omului impune limitările sale. Sensibilitatea ochiului la valurile de culoare verde este un ordin de mărime mai mare decât același parametru pentru roșu. Deci, nu este suficient să calculați densitatea fluxului de putere, nu este suficient să vă asigurați că regimul termic nu depășește ceea ce este permis, datorită unei eficiențe bune. De asemenea, este necesar să se impună rezultatul asupra caracteristicilor viziunii umane.
Istoria problemei
Majoritatea diodelor funcționează în detrimentul efectului luminiscenței. A fost descoperită la începutul secolului al XX-lea. Mulți cred că prima diodă emițătoare de lumină a fost produsă accidental de către Henry Joseph Round, când a evaluat proprietățile rectificative ale carburii de siliciu. Este de remarcat că acest mineral, carborundum, pe planetă Pământ practic nu se produce, deși este foarte comun în atmosfere stelare.
De acolo a sosit un meteorit, care sa dovedit a fi prea greu pentru Eugene Achison în 1891. Ideea unui excavator este destul de ușor de înțeles - el a decis că a găsit diamante pe un asteroid mort și a vrut să-l vândă în liniște. Dar când a arătat bijuteriile bijuteriilor, a observat că nu există semne caracteristice ale uneia dintre cele mai scumpe pietre de pe planetă. Și sa întâmplat ani mai târziu. Aparent, Eugene a salvat pentru pensionare, iar stăpânul pentru mult timp strângea praf în coșurile lui.
Cât despre carborundumul lui Henry Joseph Round, el a fost artificial. La începutul secolului XX, mineralul deja învățase cum să sintetizeze. În duritatea sa, este, de fapt, inferior numai diamantului. Explorându-și detectorul de cristal pentru radio (inspirat de experiența altor cercetători care aveau deja brevete), Henry descoperi o strălucire. A scris imediat editorilor revistei The Electric World și a raportat următoarele informații:
- La o tensiune de 10 V AC, unele probe de carborund începe să lumineze galben.
- Deoarece diferența de potențial este mărită până la rețeaua de 110 V, aproape toate cristalele de test demonstrează luminiscența.
- Pe măsură ce tensiunea crește în spectru, în plus față de galben, puteți observa culorile verde, portocaliu și albastru.
- Unele materiale strălucesc doar de la margine, altele prezintă un efect tridimensional.
- Fenomenul însăși nu poate fi explicat prin termoelectricitate.
Stralucirea apare când joncțiunea p-n este deplasată direct. Cu o tensiune suficient de mare aplicată, un număr semnificativ de purtători de sarcină minoritară pătrund în cristal. Acest proces este explicat prin efectul de tunel. Când turneele de ieșire încep să se recombine cu purtătorii de sarcină principali, energia excedentară devine lumină. Acest lucru explică faptul că, la tensiuni scăzute de strălucire, Henry Joseph Round nu a observat.
Cu toate acestea, nu totul este atât de simplu. Diodele Schottky - și carborundul cu contacte metalice a fost exact - pot străluci și cu tensiune negativă aplicată. Circuitul este exact același, dar cu o diferență semnificativă de potențial, se observă o defalcare a avalanșei tranziției. Atomii semiconductorului sunt ionizați de purtători accelerați de încărcare, iar recombinarea inversă este efectuată din nou cu emisia unui foton de lumină.
Atenție vă rog! LED-urile moderne emit numai atunci când p-n-joncțiunea este deplasată direct, când un potențial pozitiv este aplicat anodului.
Lucrarea Rundei a fost repetată de compatriotul nostru Losev în 1928. El a reușit, de asemenea, să obțină o strălucire pe detectorul de cristal și a constatat că unele eșantioane lumină doar cu o conexiune unipolară, iar pentru alții direcția curentului direct nu contează. A încercat să înțeleagă acest lucru, dar nu a venit la nimic. Cu toate acestea, el a confirmat concluzia Rundei că efectul nu are nimic de-a face cu încălzirea termoelectrică.
Citiți și: Siguranță
Începutul erei LED-uri poate fi considerat la începutul anilor 60, când au apărut primele filme carborundum. Eficiența primelor probe a fost uimitor de mică și sa ridicat la aproximativ 0,005%. Si intregul punct este ca carbidul de siliciu este departe de cel mai bun material pentru a face diode super-luminoase. Mai precis, acesta din urmă nu poate fi implementat în acest stadiu al tehnologiei.
Care dintre ele este mai bună?
Ar fi surprinzător dacă primul LED a fost făcut imediat din cel mai bun material din lume. La începutul anilor '90 carborundum a dispărut de pe rafturi, așa că nu mai încercați să căutați meteoriții căzuți. Ultimele LED-uri albastre au fost emise în intervalul de 470 nm cu o eficiență de aproximativ 0,03%.
Deja în anii '50 semiconductorii din grupul AIIBVI au fost bine studiate. Și a fost o căutare constantă pentru noi soluții tehnice. Lumina a apărut LED-uri de la clasa AIIIBV de semiconductori, exemplul căruia profesorii de fizică explică fenomenul de conductivitate a impurităților. Materialele de acest tip sunt de origine artificială, care nu se găsesc în natură. Când Gallium a fost dopat cu arsenic, oamenii de știință au primit un nou domeniu de cercetare. Amestecuri au fost introduse pe substrat prin epitaxie în fază lichidă sau în fază gazoasă.
În 1962, a apărut deja pe lasere pe baza acestui material. Ei au prezis un viitor minunat în industria spațială, potrivit pentru comunicare și măsurători. Producția în serie a LED-urilor bazate pe arsenid de galiu a fost efectuată de Texas Instruments. Prețul unei piese a fost de 130 USD. Astăzi, costul LED-urilor este mult mai mic, iar arsenidul de galiu este folosit pe scară largă pentru a crea panouri de control, dispozitive de comunicații și multe altele.
Arsenid de galiu fosforilat
Eficiența materialelor cunoscute era încă prea mică pentru a crea LED-uri super-strălucitoare. Deci, Holonyak și Bevaka au venit în 1962 la necesitatea de fosforilare a arsenului de galiu pentru a îmbunătăți performanța. O caracteristică a noilor instrumente este coerența ridicată a radiației. Acest lucru a însemnat că alte îmbunătățiri așteaptă echipamentele de comunicare, deoarece omogenitatea fasciculului joacă un rol important în acest caz.
Până acum, a fost vorba despre dezvoltarea de ingineri IBM în primul rând, cu excepția proiectelor secrete ale NASA. Dar în 1962 faimosul General Electric sa alăturat luptei. Creșterea cristalelor care utilizează epitaxia în fază gazoasă, inginerii companiei au făcut progrese remarcabile. Este demn de remarcat faptul că a fost rapid posibil să se mărească eficiența dispozitivelor, dar coerența radiațiilor a fost mult redusă. Prețul GE a fost de două ori mai mare decât al celor de la Texas Instruments, așa că lotul a ieșit foarte mic.
În 1968, Monsanto a cumpărat drepturile și a început producția în masă a LED-urilor bazate pe arsenid de fosforilat de galiu. După aceea, volumul vânzărilor a crescut în fiecare an, de cel puțin patru ori, dar în termeni absoluți a fost încă unul mizerabil. În acest moment apar primele afișări digitale LED (tablou de bord).
Glium fosfid
Citiți și: Starter electromagnetic
Tranzițiile LED-urilor din fosfură de galiu dopată cu staniu au fost numite după numele lor. S-au obținut date că proprietățile optice sunt îmbunătățite semnificativ prin introducerea unei impurități de azot. Recuperarea structurii semiconductoare după creșterea sa, eficiența a crescut la 2%. În același timp, a fost făcută o căutare pentru noile calități de culoare. Deci, s-au creat diode bazate pe fosfid de galiu, dând o nuanță verde, dar eficiența lor a fost de 0,6%.
Cu toate acestea! În timp ce eficiența LED-urilor verzi a fost mai mică, datorită sensibilității crescute a ochiului la acest interval, ele păreau chiar mai strălucitoare decât cele roșii.
Eficiență LED
Pentru a face LED-ul foarte luminos, trebuie să aibă o eficiență ridicată. Logica aici este elementară. Cu cât curentul este mai mare, cu atât este mai mare pierderea rezistenței ohmice a contactelor. Prin urmare, pentru a obține o luminozitate ridicată la o eficiență scăzută, curentul trebuie să fie prea mare. Semiconductorul nu poate rezista și se poate topi. Nu e de mirare că primul laser a funcționat cu răcire la 77 K. În plus față de calitățile fizice pur, a oferit o răcire corespunzătoare.
Un LED ideal, cu o eficiență de 100%, emite un foton per electron injectat. Aceasta se numește randament cuantic. Și este în mod ideal egal cu unul. Într-un LED real, eficiența este estimată de raportul dintre puterea radiației optice și curentul de injecție.
În plus, fotonii emise ar trebui să meargă în spațiu. În acest scop, dacă este posibil, zona joncțiunii p-n trebuie să fie deschisă. În realitate, o parte semnificativă a fotonilor rămâne în interior. În consecință, fiecare design, printre altele, este caracterizat printr-o ieșire optică. De obicei, acest parametru este unul dintre principalii factori limitativi, atingând cu greu 50%.
Sub eficiența LED-ului, este obișnuit să se înțeleagă raportul dintre numărul de fotoni emise și energia furnizată. De obicei, o tensiune de ordinul unu și jumătate de volți cade pe joncțiunea p-n, iar curentul crește liniar. În consecință, puterea este pierdută prin compensarea stratului de blocare, radiația și încălzirea rezistenței ohmice. La începutul secolului XXI, eficiența LED-ului a fost considerată a fi normală la 4% (având în vedere ieșirea optică).
Pentru a îmbunătăți cumva impactul și, în sfârșit, a obține un LED super-strălucitor, inginerii au început să caute noi soluții constructive.
Creșterea eficienței LED-urilor
Dublu heterostructuri
O creștere a luminozității diodei este obținută prin menținerea unei concentrații ridicate de purtători. Una dintre metodele de realizare a acestui lucru este crearea unei joncțiuni duble p-n. În acest caz, stratul radiant este înconjurat de semiconductori de un tip diferit de conductivitate pe ambele părți. Creșterea suprafeței de turnare a transportatorilor care nu sunt principali. Întregul design arată ca un sandwich cu 5 straturi:
- În centru există un strat activ radiant.
- Pe ambele părți este acoperită de semiconductori, ceea ce determină prezența a două straturi de blocare.
- Contactele acoperă semiconductorii exteriori în întreaga zonă pentru a îmbunătăți debitul curent.
Randamentul cuantic depinde de grosimea miezului. Graficul este neliniar și are o groapă pronunțată înclinată sau înclinată. În consecință, valoarea de grosime trebuie selectată din limitele sale. De obicei, este vorba de zeci de microni. Experimentele arată că o creștere a randamentului cuantic poate fi obținută prin dopajul slab al regiunii active. Numărul atomilor de impurități nu depășește, de obicei, zece ani în cel de-al șaptesprezecelea număr de unități pe centimetru cub. În ansamblu, acest proces a fost relativ slab studiat.
Creșterea injecției poate fi obținută prin doparea straturilor exterioare. Concentrația de impurități este de cel puțin un ordin de mărime mai mică decât în cazul precedent sau în același număr de ori mai mare. Deși straturile active și barieră, prin definiție, trebuie să fie materiale diferite, este important ca laturile cristaline să fie identice în structură. Cu o nepotrivire crescândă, randamentul cuantic scade brusc.
Trimiteți-le prietenilor: