요약
2014 년, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano 및 Shuji Nakamura는 효율적인 푸른 광선 방출 다이오드 생성으로 노벨 물리학상을 수상하여 밝고 에너지 효율적인 백색 광원의 발전을 촉진했습니다. 최근 몇 년 동안가벼운 방출 다이오드 (LED) 가정 조명 부문과 다른 대량 시장에 점점 더 침투했습니다. 이 기사는 LED의 물리학, 2014 년 노벨상에서 절정에 이르는 주요 획기적인 획기적인 개요, LED가 촉진 될 수있는 에너지 절약의 가능성을 제공하고자합니다.
1. 소개
가벼운 방출 다이오드 (LED)는 1960 년대에 지표 램프와 적외선 원격 제어에서 시작된 수십 년 동안 일상 생활에 필수적이었습니다. 그러나 노벨 물리학상은 2014 년에 특히 파란색 LED를 위해 부여되었으며, 이는 궁극적으로 백색광 생산을 가능하게했습니다. 이 기사는 기본 LED 물리학을 설명하여 특히 조명 응용 분야에서 우수한 조명 방출기로서의 잠재력을 입증하는 것을 목표로합니다. 또한 현대 LED에 기여한 발명품의 간단한 역사를 제공하고 아카사키, 아마노 및 나카무라에 수여 된 2014 년 노벨 물리학의 이론적 근거를 설명 할 것입니다. 궁극적으로, 나는 현대의 LED가 진정으로 에너지 절약을 초래하는지, 그리고 개별 소비자가 구매하는 것이 경제적으로 합리적이라면 더 실용적으로 생성하는지 여부를 조사 할 것입니다.LED 전구가정 조명을 위해.
2. 반도체 LED는 어떻게 작동합니까?
이 섹션은 전기 발광 이력에 대한 간략한 개요를 제공하여 무기 반도체의 전기 발광에 집중 한 다음 현대 LED의 기본 물리에 대한 설명을 제공합니다. 전기 발광은 전류가 물질을 통과 할 때 빛이 방출되는 현상이다. 백열 전구 ( "에디슨"전구)는 전기 발광이라는 것이 주장 될 수있다. 그러나이 시나리오에서, 전류 흐름은 재료를 가열하며, 광 방출은 전적으로 필라멘트의 고온에서 발생합니다. 따라서, 전류 흐름이 광 방출 메커니즘을 직접 용이하게 할 때 전기 발광을 참조하는 것이 더 정확하다. 전기 발광에 대한 초기 문서화는 1907 년 Marconi Company가 채택한 HJ Round에 의해 발생했습니다. 그는 실리콘 카바이드 시편 (Carborundum이라고 함)을 바이어스하고 전극 배치 및 전압에 따라 다른 색상의 빛을 관찰했습니다. 그는 당시 현상을 이해하지 못했습니다. 20 년 후, Nizhny Novgorod 라디오 실험실의 젊은 러시아 기술자 인 Oleg Losev는 실리콘 카바이드 광 배출 다이오드의 실험 관찰 및 이해력에서 상당한 발전을 달성했습니다. 구체적으로, 그는 1929 년에 후속 주장을 포괄하는 특허를 제출했다. 회로. " 물리학에 대한 공식 교육이 제한된 26- 노인은 1929 년에 반도체 광원의 전기적 변조를 사용하여 데이터의 고위급 전송을 특허 한 26- 노인들의 혁신적인 출판물과 특허는 수십 년 동안 크게 모호한 것으로 남아있었습니다. 1940 년대에 반도체의 이해력과 제어는 제 1 P – N 접합의 생성을 초래 한 후 첫 번째 트랜지스터의 발명을 초래했습니다. 잘 발달 된 P – I – N 접합을 사용하는 초기 LED는 결과적으로 제작되고 향상 될 수 있습니다.
반도체는 도펀트로 알려진 불순물의 도입에 의해 전도도가 변경 될 수있는 물질이다. 무기 반도체는 실리콘 (SI), 갈륨 비소 (GAAS), 인듐 포스페이드 (INP) 및 질화 갈륨 (GAN)과 같은 결정질 물질이며, 전자 에너지 밴드가 특징입니다. 최상위 점유 에너지 밴드는 삽입되지 않은 반도체에서 전자로 채워진 원자가 대역으로 지칭되지만, 전도 대역으로 알려진 후속 상위 에너지 밴드는 삽관되지 않은 반도체에서 완전히 비어 있습니다. 전도 밴드의 최소값과 밸런스 밴드의 최고 사이의 에너지 불일치는 반도체의 밴드 갭이라고합니다. 반도체의 광 방출 공정은 간단합니다. 전자가 전도 대역을 점유하고 공석이 원자가 밴드 (구멍이라고 함)에 존재할 때, 전도 대역은 원자가 밴드에서 빈 상태를 차지로 전환하여 에너지 차이 (대역 갭)을 방출 할 수 있습니다 (그림 1). 전자 및 구멍은 재조합되어 광자가 방출됩니다. 이 프로세스는 대부분의 반도체에서 발생하며, 음극 방출이 직접 허용되지 않는 실리콘 또는 게르마늄과 같은 간접 반도체로 알려진 주목할만한 예외는 비효율이 상당한 비효율을 초래합니다. 반도체 LED를 제조하려면 전도 대역에 전자를 동시에 배치하고 재료 내의 원자가 밴드에 구멍을 배치하는 것이 필수적입니다. 이것은 도핑이 중요성을 가정하는 곳입니다. 고유 반도체는 원자가 밴드의 전자가 전자 이동에 이용 가능한 상태가 없기 때문에 움직이지 않기 때문에 절연체로서 기능한다; 그럼에도 불구하고, 반도체는 두 개의 별개의 매너로 도핑 될 수있다. 불순물이 원자 당 추가 전자와 함께 결정에 혼입 될 때, 이들 잉여 전자는 전도 대역으로 전이한다. 예를 들어, GAAS 결정에서 Si 원자로 일부 GA 원자를 대체하면 전도 대역에서 전자의 존재에 의해 특징 지어지는 N- 타입 도핑을 초래한다. 반대로, 전자가없는 불순물이 도입되어 P- 타입 도핑을 초래할 수 있으며, 원자가 밴드에 구멍이 존재한다는 특징이 있습니다. 중요한 측면은 도펀트가 결정 구조 내부의 소수 원자를 구성한다는 것입니다. 백만 개의 표준 원자 중 단일 도핑 원자는 전기 전도성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 도핑 레벨을 마스터하는 것은 반도체의 전기적 특성을 사용자 정의하는 데 필수적입니다. 1940 년대와 1950 년대에 시작된이 전문 지식은 미세 전자 및 광전자 공학의 혁명을 촉진시켰다. 반도체로부터의 광 방출에 대한 기본 구성은 N- 타입 (전도 대역의 전자) 및 P- 타입 (원자가 대역에 전자 또는 전자의 부재 포함)의 통합을 포함한다. 전기 바이어스, 전자 및 구멍이 적용되는 경우, 반대 방향으로 가로 지르는 방향으로 이동합니다. 원자가 밴드의 왼쪽으로 움직이는 구멍은 PN 접합부에서 오른쪽으로 움직이는 전자-개수에 해당하여 광자를 방출하는 재조합을 초래합니다 (그림 2). 연구 커뮤니티의 이해에 따라, 필수 조치는 분명해졌다 : 정확하게 제어 된 P- 타입 및 N- 타입 도핑으로 고품질 결정을 합성하는 능력. 취임식 GAAS 적외선 LED는 1962 년에 전시되었으며, 이후 다른 팀이 개발 한 초기 가시 LED에 의해 성공했습니다. General Electric의 연구원 인 N. Holonyak은 GAASP 합금을 옹호하여 취임식 반도체 다이오드 레이저를 선보일 수있었습니다. N. Holonyak을 인정하는 것이 필수적입니다. N. Holonyak은 무엇보다도 반도체 빛 이미지의 이해와 제어를 크게 발전 시켰습니다. 1963 년, Nick Holonyak은 독자의 소화기에서 반도체 LED가 최초의 반도체 LED가 매우 희미한 빛을 방출하고 열등한 재료 품질로 인해 백분율의 비율만을 나타내는 초기 반도체 LED에도 불구하고 일반적인 조명 응용 분야의 모든 전구를 대체 할 것이라고 예측했습니다. 그는이 예측을 생성하기 위해 어떤 기준을 활용 했습니까? Holonyak은 백열 전구 전구가 검은 색 방출기와 유사하게 기능하여 필라멘트 온도와 상관 관계가있는 스펙트럼 곡선을 생성한다는 것을 인식했다. 온도가 증가함에 따라 방출 스펙트럼은 짧은 파장으로 이동합니다. 가장 효율적인 백열 전구는 대부분의 적외선을 방출하며, 이는 조명에 효과적이지 않으며 대신 열원으로 기능합니다. 가시 광학 전력으로 전력을 전환하는 것은 본질적으로 약 5%로 제한됩니다. 반도체 LED에서 물리학은 크게 발산됩니다. 전력의 거의 100%가 잘 조절 된 방출 파장으로 광 전력으로 변환 될 수 있습니다 (특히 밴드 갭은 에너지와 결과적으로 방출 된 광자의 파장을 결정합니다). 하나는 여러 가시적 파장에 걸쳐 방출되는 LED가 장착 된 장치를 구상 할 수 있으며, 각각은 높은 (바람직하게는 단일) 변환 효율을 나타내므로, 열 손실없이 가시적 인 흰색 빛 (또는 가시 색상의 선택된 조합)을 방출 할 수 있습니다 (그림 3). 이것은 이론적으로는 기능을해야한다. 유일한 도전은 특정 파장에서 매우 효율적인 LED를 제조하는 데 필요한 기술 성숙도를 달성하는 것입니다. 이 노력은 이후 수십 년 동안 반도체 연구원을 점령했으며 궁극적으로2014 노벨상.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd는 2010 년에 설립되었습니다.이 회사는 실내 및 실외 조명 제품의 디자인, R & D, 생산 및 판매 및 OM, ODM을 수행 할 수있는 National High-Tech Enterprise 통합 설계, R & D, 생산 및 판매입니다.bwzm18@ledbenweilighting.com
