Ringkasan
Pada tahun 2014, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, dan Shuji Nakamura dianugerahi Hadiah Nobel dalam Fisika untuk penciptaan dioda pemancar cahaya biru yang efisien, yang memfasilitasi pengembangan sumber cahaya putih yang cerah dan hemat energi. Dalam beberapa tahun terakhir,Dioda pemancar cahaya (LED) semakin menembus sektor pencahayaan rumah dan pasar massa lainnya. Artikel ini berupaya memberikan gambaran tentang fisika LED, terobosan utama yang memuncak dalam Hadiah Nobel 2014, dan potensi konservasi energi yang dapat difasilitasi LED.
1. Pendahuluan
Dioda pemancar cahaya (LED) telah menjadi bagian integral dari kehidupan sehari-hari selama beberapa dekade, berasal dari lampu indikator dan remote control inframerah pada 1960-an. Namun, Hadiah Nobel dalam Fisika diberikan pada tahun 2014 khusus untuk LED biru, yang pada akhirnya memungkinkan produksi cahaya putih. Artikel ini bertujuan untuk menjelaskan fisika LED fundamental untuk menunjukkan potensi mereka sebagai pemancar cahaya superior, terutama untuk aplikasi pencahayaan. Ini juga akan memberikan sejarah singkat tentang penemuan yang berkontribusi pada LED modern dan menjelaskan alasan di balik Hadiah Nobel 2014 dalam fisika yang diberikan kepada Akasaki, Amano, dan Nakamura. Pada akhirnya, saya akan memeriksa apakah LED kontemporer benar -benar menghasilkan konservasi energi, dan lebih pragmatis, jika secara ekonomi masuk akal bagi konsumen individu untuk membeliLED Bulbsuntuk iluminasi rumah.
2. Bagaimana fungsi LED semikonduktor?
Bagian ini akan memberikan gambaran singkat tentang sejarah elektroluminesensi, berkonsentrasi pada elektroluminesensi semikonduktor anorganik, diikuti oleh deskripsi fisika yang mendasari LED kontemporer. Elektroluminesensi adalah fenomena di mana cahaya dipancarkan ketika arus listrik melewati suatu zat. Dapat diperdebatkan bahwa lampu pijar (bohlam "Edison") adalah elektroluminescent; Namun, dalam skenario ini, aliran arus memanaskan material, dan hasil emisi cahaya semata -mata dari suhu tinggi filamen. Dengan demikian, lebih akurat untuk merujuk pada elektroluminesensi ketika aliran arus secara langsung memfasilitasi mekanisme emisi cahaya. Dokumentasi awal elektroluminesensi terjadi pada tahun 1907 oleh HJ Round, yang dipekerjakan oleh Perusahaan Marconi. Dia mengklasifikasikan spesimen silikon karbida (kemudian disebut sebagai carborundum) dan mengamati cahaya warna yang berbeda menurut penempatan elektroda dan tegangan yang diterapkan. Dia tidak memahami fenomena pada waktu itu. Dua dekade kemudian, Oleg Losev, seorang teknisi muda Rusia di Laboratorium Radio Nizhny Novgorod, mencapai kemajuan yang signifikan dalam pengamatan eksperimental dan pemahaman dioda pemancar cahaya silikon karbida. Secara khusus, ia mengajukan paten pada tahun 1929 yang mencakup klaim selanjutnya: "Penemuan yang diusulkan menggunakan fenomena pendaran yang ditetapkan dalam detektor carborundum dan melibatkan pemanfaatan link yang akan memfasilitasi link yang secara langsung, di mana link yang langsung, di mana link yang langsung, di mana link -linker, di mana link yang secara langsung, di mana link yang langsung melakukan ton -ton -telegrafrafik, transmisi gambar, dan transmisi gambar yang langsung, di mana transmisi contacling, dan transmisi gambar yang langsung, di mana link, dan transmisi citra, dan transmisi gambar yang secara langsung, dan link yang langsung, dan transmisi, dan transmisi citra, dan transmisi link yang langsung, dan aplikasi linker, dan transmisi langsung, dan aplikasi link, dan transmisi link, dan transmisi yang langsung, dan aplikasi line, dan transmisi, dan transmisi gambar yang langsung, dan aplikasi linker, dan transmisi, dan transmisi langsung. Sirkuit. " Ini benar-benar luar biasa: A 26- pekerja tahun dengan pendidikan formal terbatas dalam fisika mematenkan transfer data tingkat tinggi menggunakan modulasi listrik dari sumber cahaya semikonduktor pada tahun 1929. Publikasi inovatif dan paten Losev, sebagian besar tetap tidak jelas. Pada tahun 1940 -an, peningkatan pemahaman dan kontrol semikonduktor menghasilkan penciptaan persimpangan P -N pertama, diikuti oleh penemuan transistor pertama. LED awal yang menggunakan persimpangan P-I-N yang berkembang dengan baik dapat dibuat dan ditingkatkan.
Semikonduktor adalah zat yang konduktivitasnya dapat diubah dengan pengenalan kotoran yang dikenal sebagai dopan. Semikonduktor anorganik adalah bahan kristal seperti silikon (SI), gallium arsenide (GaAs), indium fosfida (INP), dan gallium nitrida (Gan), ditandai oleh pita energi untuk elektron. Pita energi yang ditempati paling atas disebut sebagai pita valensi, yang diisi dengan elektron dalam semikonduktor yang tidak teropei, tetapi pita energi yang lebih tinggi berikutnya, yang dikenal sebagai pita konduksi, tetap sama sekali kosong dalam semikonduktor yang tidak teropei. Perbedaan energi antara minimum pita konduksi dan tertinggi pita valensi disebut sebagai celah band semikonduktor. Proses emisi cahaya dalam semikonduktor langsung: ketika elektron menempati pita konduksi dan lowongan ada di pita valensi (disebut lubang), elektron konduksi-band dapat beralih untuk menempati keadaan kosong dalam pita valensi, melepaskan perbedaan energi (celah pita) sebagai foton yang dipancarkan (Gbr. 1). Elektron dan lubang bergabung kembali, menghasilkan emisi foton. Proses ini terjadi di sebagian besar semikonduktor, dengan pengecualian yang dikenal sebagai semikonduktor tidak langsung, seperti silikon atau germanium, di mana emisi foton tidak diizinkan secara langsung, menghasilkan inefisiensi yang signifikan. Untuk membuat LED semikonduktor, penting untuk memposisikan elektron secara bersamaan dalam pita konduksi dan lubang di pita valensi di dalam material. Di sinilah doping mengasumsikan signifikansi. Sebuah semikonduktor intrinsik berfungsi sebagai isolator, karena elektron dalam pita valensi tetap tidak bergerak karena tidak adanya keadaan yang tersedia untuk gerakan elektronik; Namun demikian, semikonduktor dapat didoping dalam dua perilaku yang berbeda. Ketika kotoran dimasukkan ke dalam kristal dengan elektron tambahan per atom, transisi elektron surplus ini ke pita konduksi. Sebagai contoh, mengganti beberapa atom GA dengan atom Si dalam kristal GaAs menghasilkan doping tipe-N, ditandai dengan adanya elektron dalam pita konduksi. Sebaliknya, kotoran tanpa elektron dapat diperkenalkan, menghasilkan doping tipe-p, ditandai oleh keberadaan lubang di pita valensi. Aspek penting adalah bahwa dopan merupakan atom minoritas di dalam struktur kristal: atom doping tunggal di antara satu juta atom standar dapat secara signifikan meningkatkan konduktivitas listrik. Menguasai tingkat doping sangat penting untuk menyesuaikan karakteristik listrik semikonduktor. Keahlian ini, yang dimulai pada tahun 1940 -an dan 1950 -an, memicu revolusi dalam mikroelektronika dan optoelektronika. Konfigurasi mendasar untuk emisi cahaya dari semikonduktor melibatkan integrasi tipe-N (dengan elektron dalam pita konduksi) dan tipe-p (dengan lubang, atau tidak adanya bahan elektron, dalam pita valensi). Ketika mengalami bias listrik, elektron dan lubang, yang melintasi arah yang berlawanan di mana lubang yang bergerak ke kiri dalam pita valensi sesuai dengan konverge elektron yang bergerak ke kanan di persimpangan PN, menghasilkan rekombinasi yang memancarkan foton (Gbr. 2). Setelah dipahami oleh komunitas penelitian, tindakan yang diperlukan menjadi jelas: kemampuan untuk mensintesis kristal berkualitas tinggi dengan tipe-p yang dikontrol secara tepat dan doping tipe-N. LED Infrared GaAs perdana dipamerkan pada tahun 1962, kemudian digantikan oleh LED yang terlihat awal yang dikembangkan oleh tim lain. N. Holonyak, seorang peneliti di General Electric, mengadvokasi paduan GaASP, memungkinkannya untuk memamerkan laser dioda semikonduktor yang terlihat perdana. Sangat penting untuk mengakui N. Holonyak, yang, antara lain, telah secara signifikan memajukan pemahaman dan kontrol emisi cahaya semikonduktor. Pada tahun 1963, Nick Holonyak memperkirakan dalam Digest Reader bahwa LED semikonduktor pada akhirnya akan menggantikan semua bola lampu untuk aplikasi pencahayaan umum, meskipun LED semikonduktor awal memancarkan cahaya yang sangat redup dan menunjukkan efisiensi hanya fraksi persen karena kualitas bahan yang lebih rendah. Kriteria apa yang dia manfaatkan untuk menghasilkan prediksi ini? Holonyak mengakui bahwa fungsi bola lampu pijar mirip dengan emitor tubuh hitam, menghasilkan kurva spektral yang berkorelasi dengan suhu filamen; Ketika suhu meningkat, spektrum emisi bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek. Lampu pijar yang paling efisien sebagian besar memancarkan cahaya inframerah, yang tidak efektif untuk penerangan dan sebaliknya berfungsi sebagai sumber panas. Konversi daya listrik ke daya optik yang terlihat secara inheren dibatasi sekitar 5%. Dalam LED semikonduktor, fisika berbeda secara signifikan: hampir 100% daya listrik dapat diubah menjadi daya optik, dengan panjang gelombang emisi yang diatur dengan baik (terutama, celah pita menentukan energi dan akibatnya panjang gelombang foton yang dipancarkan). Seseorang dapat membayangkan perangkat yang dilengkapi dengan LED yang memancarkan beberapa panjang gelombang yang terlihat, masing -masing menunjukkan efisiensi konversi yang tinggi (lebih disukai satu kesatuan), sehingga memungkinkan emisi cahaya putih yang terlihat (atau kombinasi warna yang terlihat yang dipilih) tanpa kerugian termal (Gbr. 3). Ini harus, secara teori, fungsi; Tantangan tunggal adalah dalam mencapai kematangan teknologi yang diperlukan untuk memproduksi LED yang sangat efisien pada panjang gelombang tertentu. Upaya ini menempati peneliti semikonduktor selama beberapa dekade berikutnya dan akhirnya menghasilkanHadiah Nobel 2014.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd didirikan pada 2010. Ini adalah desain integrasi perusahaan teknologi tinggi nasional, R&D, produksi dan penjualan produk pencahayaan indoor dan outdoor dan juga dapat melakukan OEM, ODM. Untuk lebih detail tentang penawaran kami, silakan hubungi kami dibwzm18@ledbenweilighting.com
