תַקצִיר
בשנת 2014 זכו איסאמו אקאסאקי, הירושי אמנו ושוג'י נקמורה בפרס נובל לפיזיקה על יצירתם של דיודות פולטות אור כחול, אשר הקלו על התפתחות מקורות אור לבנים בהירים ואנרגיה. בשנים האחרונות,דיודות פולטות אור (נוריות LED) חדרו יותר ויותר לענף התאורה הביתי ושווקי המונים אחרים. מאמר זה מבקש לספק סקירה של הפיזיקה של נוריות LED, את הפריצות העיקריות שהגיעו לשיאם בפרס נובל לשנת 2014, והפוטנציאל לשימור אנרגיה שנוריות LED עשוי להקל.
1. מבוא
דיודות פולטות אור (נוריות LED) היו אינטגרליות לחיי היומיום מזה כמה עשורים, שמקורם במנורות מחוון ושלטים מרחוק אינפרא אדום בשנות השישים. עם זאת, פרס נובל לפיזיקה ניתן בשנת 2014 במיוחד עבור נוריות LED כחולות, מה שבסופו של דבר איפשר לייצור אור לבן. מאמר זה נועד להבהיר את פיזיקת ה- LED הבסיסית להפגין את הפוטנציאל שלהם כפולטני אור מעולה, במיוחד עבור יישומי תאורה. זה גם יספק היסטוריה קצרה של ההמצאות שתרמו לנוריות LED מודרניות ולהסביר את הרציונל מאחורי פרס נובל לפיזיקה לשנת 2014 שהוענק לאקאסאקי, אמנו ונקאמורה. בסופו של דבר, אבחן האם נוריות LED עכשוויות גורמות באמת לשימור אנרגיה, ובאופן פרגמטי יותר, אם זה הגיוני מבחינה כלכלית עבור צרכנים בודדים לרכושנורות LEDלהארת בית.
2. כיצד נוריות LED של מוליכים למחצה מתפקדת?
פרק זה יספק סקירה קצרה של ההיסטוריה של האלקטרולומינצנטיות, תוך התרכזות באלקטרולומינצנטיות של מוליכים למחצה אורגניים, ואחריה תיאור של הפיזיקה העומדת בבסיס נוריות LED עכשוויות. אלקטרולומינצנטיות היא התופעה בה נופלת אור כאשר זרם חשמלי עובר דרך חומר. ניתן לטעון כי נורות ליבון (נורת "אדיסון") הן אלקטרולומינצנטיות; עם זאת, בתרחיש זה, הזרימה הנוכחית מחממת את החומר, ופליטת האור נובעת אך ורק מהטמפרטורה הגבוהה של הנימה. לפיכך, מדויק יותר להתייחס לאלקטרולומינצנציה כאשר הזרימה הזרם מקלה ישירות את מנגנון פליטת האור. התיעוד הראשוני של אלקטרולומינצנציה התרחש בשנת 1907 על ידי HJ Round, שהועסק על ידי חברת מרקוני. הוא הטיל דגימה של סיליקון קרביד (המכונה אז קרבורונדום) וצפה באור של צבעים שונים בהתאם למיקום האלקטרודה והמתח המופעל. באותה תקופה הוא לא הבין את התופעה. שני עשורים לאחר מכן, אולג לוסב, טכנאי רוסי צעיר במעבדת הרדיו של ניז'ני נובגורוד, השיג התקדמות משמעותית בהתבוננות ובהבנה של דיודות פולטות אור סיליקון. באופן ספציפי, הוא הגיש פטנט בשנת 1929 והקיף את הטענה שלאחר מכן: "ההמצאה המוצעת מעסיקה את התופעה שנקבעה של תאורה בגלאי קרבורונדום וכוללת ניצול של גלאי כזה ביישום אופטי, כדי להקל על מצוקה של מגע. זה ראוי לציון באמת: עובד בן שנה {3}} עם חינוך רשמי מוגבל בפיזיקה פטנט את העברת הנתונים בקצב גבוה באמצעות אפנון חשמלי של מקור אור מוליך למחצה בשנת 1929. הפרסומים והפטנטים החדשניים של לוסב, עם זאת, נותרו מעורפלים ברובם בעשורים. בשנות הארבעים של המאה העשרים, ההבנה והבקרה המשופרת של מוליכים למחצה הביאו ליצירת צומת ה- P - N הראשון, ואחריו המצאת הטרנזיסטור הראשון. נוריות ה- LED הראשוניות המשתמשות בצומת P-I-N מפותח היטב עלולות להיות מפוברק ולשפר.
מוליך למחצה הוא חומר שהמוליכות שלו יכולה להשתנות על ידי הכנסת זיהומים המכונה דופקים. מוליכים למחצה אורגניים הם חומרים גבישיים כמו סיליקון (SI), Gallium Arsenide (GAAS), אינדיום פוספייד (INP) וגליום ניטריד (GAN), המאופיינים על ידי רצועות אנרגיה לאלקטרונים. רצועת האנרגיה הכבושה העליונה מכונה פס Valence, המלא באלקטרונים במוליכים למחצה לא מפוקפקים, אך פס האנרגיה הגבוהה יותר שלאחר מכן, המכונה להקת ההולכה, נותרה פנויה לחלוטין במוליך סמי -מוליך לא מפוצץ. הפער האנרגטי בין המינימום של להקת ההולכה לבין הגבוה ביותר של להקת Valence מכונה פער הלהקה של המוליכים למחצה. תהליך פליטת האור במוליך למחצה הוא פשוט: כאשר אלקטרון תופס את פס ההולכה וקיים מקום פנוי בפס הערכיות (המכונה חור), האלקטרון להקת ההולכה יכול לעבור לכיבוש המצב הפנוי בפס הערכיות, לשחרר את הפרש האנרגיה (פער הלהקה) כפוטון שנפלט (איור 1). האלקטרון והחור שוב ושוב מחדש, וכתוצאה מכך פליטת פוטון. תהליך זה מתרחש ברוב המוליכים למחצה, למעט חריגים בולטים המכונים מוליכים למחצה עקיפים, כמו סיליקון או גרמניום, שם אסור לפליטת פוטון ישירות, וכתוצאה מכך חוסר יעילות משמעותית. כדי לייצר LED מוליכים למחצה, חיוני למקם במקביל אלקטרונים ברצועת ההולכה ובחורים ברצועת הערכיות בתוך החומר. זה המקום בו סמים מקבלים משמעות. מוליכים למחצה מהותיים מתפקדים כמבודד, שכן האלקטרונים ברצועת הערכיות נשארים ניידים בגלל היעדר מצבים זמינים לתנועה אלקטרונית; אף על פי כן, מוליכים למחצה יכולים להיות מסוממים בשני נימוסים מובחנים. כאשר משולבים זיהומים בקריסטל עם אלקטרון נוסף לאטום, עודפי אלקטרונים אלה עוברים לפס ההולכה. לדוגמה, החלפת כמה אטומי GA עם אטומי SI בקריסטל GAAS גורמת לסמים מסוג N, המאופיינת בנוכחות אלקטרונים ברצועת ההולכה. לעומת זאת, ניתן להכניס זיהומים נטולי אלקטרון, וכתוצאה מכך סמים מסוג P, המאופיינת בקיומם של חורים ברצועת הערכיות. היבט מכריע הוא ש- Dopants מהווים אטומי מיעוט בתוך מבנה הגביש: אטום סמים יחיד מבין מיליון אטומים סטנדרטיים יכול לשפר משמעותית את המוליכות החשמלית. שליטה ברמת הסמים חיונית להתאמה אישית של המאפיינים החשמליים של מוליכים למחצה. מומחיות זו, שהחלה בשנות הארבעים והחמישים, הפילה את המהפכות במיקרו -אלקטרוניקה ואופטו -אלקטרוניקה. התצורה הבסיסית לפליטת אור ממוליך למחצה כוללת שילוב של סוג N (עם אלקטרונים ברצועת ההולכה) ו- P-Type (עם חורים, או היעדר אלקטרונים, בלהקת הערכיות). כאשר הם נתונים להטיה חשמלית, אלקטרונים וחורים, החוצים בכיוונים מנוגדים-שם חור הנע שמאלה ברצועת הערכיות תואם את האלקטרונים המתאימים ימינה-מתארים בצומת PN, וכתוצאה מכך רקומבינציה הפולטת פוטונים (איור 2). עם הבנת קהילת המחקר התבררה הפעולה הנדרשת: היכולת לסנתז גבישים באיכות גבוהה עם סמים מסוג P מבוקרים במדויק ו- N. ה- LED האינפרא אדום של GAAS הפתיחה הוצג בשנת 1962, לאחר מכן הצליח על ידי נוריות ה- LED הראשוניות שפותחו על ידי צוותים אחרים. נ 'הולוניאק, חוקר בג'נרל אלקטריק, דגל בסגסוגת GAASP, ומאפשר לו להציג את לייזר הדיודה המוליך למחצה הנראה לעין. חיוני להכיר בנ 'הולוניאק, שבין היתר קידמה משמעותית את ההבנה והשליטה של פולטי האור המוליכים למחצה. בשנת 1963 ניבא ניק הולוניאק בעיכול הקורא כי נוריות LED של מוליכים למחצה יחליפו בסופו של דבר את כל הנורות ליישומי תאורה כללית, למרות נוריות המוליכים למחצה הראשונות הפולטות אור עמום מאוד ומציגות יעילות של שברים בלבד של אחוזים בגלל איכות חומר נחות. באילו קריטריונים הוא השתמש בכדי לייצר תחזית זו? הולוניאק זיהה כי נורות ליבון מתפקדות באופן דומה לפולטות גוף שחור, ומייצרות עקומה ספקטרלית המתואמת עם טמפרטורת הנימה; ככל שהטמפרטורה עולה, ספקטרום הפליטה עובר לכיוון אורכי גל קצרים יותר. נורות ליבון היעילות ביותר פולטות לרוב אור אינפרא אדום, שאינו יעיל להארה ובמקום זאת מתפקד כמקור לחום. ההמרה של כוח חשמלי לכוח אופטי גלוי מוגבלת מטבעה בכ- 5%. בנוריות LED של מוליכים למחצה, הפיזיקה מתפרקת באופן משמעותי: ניתן להפוך כמעט 100% מהעוצמה החשמלית לכוח אופטי, עם אורך גל פליטה מוסדר היטב (ראוי לציון, פער הלהקה קובע את האנרגיה וכתוצאה מכך את אורך הגל של הפוטון הנפלט). ניתן לדמיין מכשיר המצויד בנוריות LED הפולטות על פני מספר אורכי גל גלויים, שכל אחד מהם מציג יעילות המרה גבוהה (רצוי אחדות), ומכאן מאפשר פליטה של אור לבן גלוי (או כל שילוב שנבחר של צבעים גלויים) ללא הפסדים תרמיים (איור 3). זה אמור, בתיאוריה, לתפקד; האתגר היחיד הוא בהשגת הבשלות הטכנולוגית הנדרשת לייצור נוריות LED יעילות במיוחד באורכי גל מסוימים. מאמץ זה כבש את החוקרים מוליכים למחצה במשך עשרות שנים שלאחר מכן ובסופו של דבר הביא לפרס נובל לשנת 2014.
Shenzhen Benwei Technology Technology Co., Ltd הוקמה בשנת 2010. זהו ארגון היי-טק לאומי המשלב עיצוב, מו"פ, ייצור ומכירות של מוצרי תאורה פנימיים וחיצוניים וגם יכול לעשות OEM, ODM. לפרטים נוספים על ההצעות שלנו, אנא צור איתנו קשר בbwzm18@ledbenweilighting.com
