ملخص
في عام 2014 ، حصل Isamu Akasaki و Hiroshi Amano و Shuji Nakamura على جائزة نوبل في الفيزياء لإنشاء ثنائيات فعالة للضوء الأزرق الباعث ، والتي سهلت تطوير مصادر الضوء الأبيض المشرقة والفعالية. في السنوات الأخيرة ،الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) اخترقت بشكل متزايد قطاع الإضاءة المنزلية وغيرها من الأسواق الجماعية. تسعى هذه المقالة إلى تقديم لمحة عامة عن فيزياء LEDs ، وهي الاختراقات الرئيسية التي بلغت ذروتها في جائزة نوبل لعام 2014 ، وإمكانية الحفاظ على الطاقة التي قد تسهل.
1. مقدمة
كانت الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) جزءًا لا يتجزأ من الحياة اليومية لعدة عقود ، والتي نشأت بمصابيح المؤشرات وعناصر التحكم عن بُعد الأشعة تحت الحمراء في الستينيات. ومع ذلك ، تم منح جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2014 على وجه التحديد لمصابيح LED الزرقاء ، والتي مكنت في النهاية من إنتاج الضوء الأبيض. تهدف هذه المقالة إلى توضيح فيزياء LED الأساسية لإظهار إمكاناتها كأبعاد للضوء المتفوقة ، وخاصة لتطبيقات الإضاءة. كما سيوفر تاريخًا موجزًا للاختراعات التي ساهمت في LEDS الحديثة وشرح الأساس المنطقي وراء جائزة نوبل 2014 في الفيزياء الممنوحة لأكاساكي وأمانو وناكامورا. في نهاية المطاف ، سأدرس ما إذا كانت المصابيح المعاصرة تؤدي بصدق إلى الحفاظ على الطاقة ، وأكثر بشكل عملي ، إذا كان من المعقول اقتصاديًا للمستهلكين للشراءمصابيح LEDلإضاءة المنزل.
2. كيف تعمل مصابيح LED أشباه الموصلات؟
سيقدم هذا القسم نظرة عامة موجزة على تاريخ التألق الكهربائي ، مع التركيز على التألق الكهربائي لأشباه الموصلات غير العضوية ، تليها وصف للفيزياء الكامنة وراء المصابيح المعاصرة. التألق الكهربائي هو الظاهرة التي ينبعث منها الضوء عندما يمر تيار كهربائي عبر مادة. قد يزعم أن المصابيح المتوهجة (لمبة "Edison") هي المنحل بالكهرباء ؛ ومع ذلك ، في هذا السيناريو ، يسخن التدفق الحالي المادة ، ونتائج انبعاث الضوء فقط من درجة الحرارة المرتفعة للخيوط. وبالتالي ، يكون الإشارة إلى التألق الكهربائي أكثر دقة عندما يسهل التدفق الحالي مباشرة آلية انبعاث الضوء. حدثت الوثائق الأولية للاتصال الكهربائي في عام 1907 بواسطة HJ Round ، التي تستخدمها شركة Marconi. لقد قام بتحيز عينة كربيد السيليكون (ثم يشار إليها باسم Carborundum) ومراقب الضوء بألوان مختلفة وفقًا لوضع القطب والجهد المطبق. لم يفهم هذه الظاهرة في ذلك الوقت. بعد عقدين من الزمن ، حقق أوليغ لوغف ، وهو فني روسي شاب في مختبر راديو نيزني نوفغورود ، تطورات كبيرة في الملاحظة التجريبية وفهم الثنائيات التي تنبعث منها كربريد السيليكون. على وجه التحديد ، قدم براءة اختراع في عام 1929 تشمل المطالبة اللاحقة: "يستخدم الاختراع المقترح الظاهرة الثابتة من التلألؤ في كاشف Carborundum ويستلزم استخدام هذا الكاشف في مرحلة التصنيف المصاح الدائرة ". هذا أمر رائع حقًا: عامل {3}} الذي يتمتع بالتعليم الرسمي المحدود في الفيزياء حصل على النقل العالي للبيانات باستخدام التعديل الكهربائي لمصدر ضوء أشباه الموصلات في عام 1929. ومع ذلك ، ظلت المنشورات المبتكر وبراءات الاختراع لـ LoStV ، غامضة إلى حد كبير لعقود. في الأربعينيات من القرن الماضي ، أدى الفهم المعزز والسيطرة على أشباه الموصلات إلى إنشاء أول تقاطع P -N ، يليه اختراع الترانزستور الأول. يمكن أن يتم تصنيع المصابيح الأولية التي تستخدم تقاطعات P-I-N المتطورة بشكل جيد.
أشباه الموصلات هي مادة يمكن تغيير الموصلية من خلال إدخال الشوائب المعروفة باسم Dopants. أشباه الموصلات غير العضوية هي مواد بلورية مثل السيليكون (SI) ، وارسينيد الغاليوم (GAAs) ، وفوسفيد الإنديوم (INP) ، ونيتريد الغاليوم (GAN) ، ويتميز بأشرطة طاقة للإلكترونات. يشار إلى نطاق الطاقة المحتلة العلوي على أنه نطاق التكافؤ ، المليء بالإلكترونات في أشباه الموصلات غير المنقوشة ، لكن نطاق الطاقة الأعلى اللاحق ، والمعروف باسم نطاق التوصيل ، لا يزال شاغراً تمامًا في أشباه الموصلات غير المنتشرة. يشار إلى تباين الطاقة بين الحد الأدنى لفرقة التوصيل وأعلى فرقة التكافؤ على أنها فجوة فرقة أشباه الموصلات. تكون عملية الانبعاثات الإضاءة في أشباه الموصلات واضحة: عندما يحتل الإلكترون نطاق التوصيل ويوجد شاغر في نطاق التكافؤ (يطلق عليه ثقب) ، يمكن أن ينتقل إلكترون نطاق التوصيل إلى احتلال الحالة الشاغرة في نطاق التكافؤ في نطاق التكافؤ في الفرق في الطاقة (فجوة النطاق) باعتباره فوتونًا منقذًا (الشكل 1). إعادة تجميع الإلكترون والثقب ، مما أدى إلى انبعاث الفوتون. تحدث هذه العملية في غالبية أشباه الموصلات ، مع استثناءات ملحوظة معروفة باسم أشباه الموصلات غير المباشرة ، مثل السيليكون أو الجرمانيوم ، حيث لا يُسمح بانبعاث الفوتون بشكل مباشر ، مما يؤدي إلى عدم كفاءة كبيرة. لتصنيع LED أشباه الموصلات ، من الضروري وضع الإلكترونات في وقت واحد في نطاق التوصيل والثقوب في نطاق التكافؤ داخل المادة. هذا هو المكان الذي يفترض فيه المنشطات الأهمية. يعمل أشباه الموصلات الجوهرية كمشعر ، حيث تظل الإلكترونات الموجودة في نطاق التكافؤ غير متحرك بسبب عدم وجود حالات متوفرة للحركة الإلكترونية ؛ ومع ذلك ، يمكن مخدر أشباه الموصلات في أخلاقين متميزين. عندما يتم دمج الشوائب في البلورة مع إلكترون إضافي لكل ذرة ، تنتقل هذه الإلكترونات الفائض إلى نطاق التوصيل. على سبيل المثال ، يؤدي استبدال بعض ذرات GA باستخدام ذرات Si في بلورة GaAs إلى تعاطي المنشطات من النوع N ، والتي تتميز بوجود الإلكترونات في نطاق التوصيل. وعلى العكس من ذلك ، يمكن إدخال الشوائب الخالية من الإلكترون ، مما يؤدي إلى تعاطي المنشطات من النوع P ، ويتميز بوجود ثقوب في نطاق التكافؤ. الجانب الحاسم هو أن المنشطات تشكل ذرات الأقليات داخل التركيب البلوري: يمكن لذرة تعاطي المنشطات الواحدة بين مليون ذرات قياسية أن تعزز الموصلية الكهربائية بشكل كبير. إتقان مستوى المنشطات أمر ضروري لتخصيص الخصائص الكهربائية لأشباه الموصلات. هذه الخبرة ، التي بدأت في الأربعينيات والخمسينات من القرن الماضي ، قد عجلت الثورات في الإلكترونيات الدقيقة والإلكترونات الضوئية. يتضمن التكوين الأساسي لانبعاثات الضوء من أشباه الموصلات تكامل نوع N (مع الإلكترونات في نطاق التوصيل) ونوع P (مع الثقوب ، أو عدم وجود إلكترونات ، في نطاق التكافؤ). عندما تتعرض للتحيز الكهربائي ، فإن الإلكترونات والثقوب ، والتي تجتاز في الاتجاهات المعارضة-حيث يتوافق ثقب متحرك اليسار في نطاق التكافؤ مع الإلكترونات المتحركة اليمنى عند تقاطع PN ، مما يؤدي إلى إعادة التركيب التي تنبعث منها الفوتونات (الشكل 2). عند الفهم من قبل مجتمع الأبحاث ، أصبح الإجراء المطلوب واضحًا: القدرة على توليف بلورات عالية الجودة مع المنشطات P-type و N-type بدقة. عُرضت LED LED الافتتاحية GAAS في عام 1962 ، وبعد ذلك نجحت في وقت لاحق من قبل المصابيح المرئية الأولية التي طورتها فرق أخرى. ن. هولونياك ، الباحث في جنرال إلكتريك ، دعا إلى سبيكة GAASP ، مما مكنه من عرض ليزر ثنائي أشباه الموصلات المرئي الافتتاحي. من الضروري الاعتراف N. Holonyak ، الذي ، من بين أمور أخرى ، بتطوير فهم ومراقبة بواعث أشباه الموصلات بشكل كبير. في عام 1963 ، تنبأ نيك هولونياك في دايجست القارئ بأن مصابيح LED أشباه الموصلات ستحل محل جميع المصابيح الإضاءة في نهاية المطاف لتطبيقات الإضاءة العامة ، على الرغم من أن مصابيح LED الأولية في أشباه الموصلات تنبعث من الضوء الخافت للغاية وتظهر كفاءة من الكسور فقط من النسبة المئوية بسبب جودة المواد السفلية. ما هي المعايير التي استخدمها لتوليد هذا التنبؤ؟ أدرك Holonyak أن المصابيح المتوهجة تعمل بشكل مشابه لبيانات الجسم الأسود ، مما ينتج عنه منحنى طيفي يرتبط بدرجة حرارة الشعيرة ؛ مع زيادة درجة الحرارة ، يتحول طيف الانبعاثات نحو أطوال موجية أقصر. تنبعث المصابيح المتوهجة الأكثر كفاءة في الغالب ضوء الأشعة تحت الحمراء ، وهو أمر غير فعال للإضاءة وبدلاً من ذلك يعمل كمصدر للحرارة. إن تحويل الطاقة الكهربائية إلى الطاقة البصرية المرئية مقيد بطبيعته بنسبة 5 ٪ تقريبًا. في مصابيح LED أشباه الموصلات ، تختلف الفيزياء بشكل كبير: يمكن تحويل ما يقرب من 100 ٪ من الطاقة الكهربائية إلى قوة بصرية ، مع طول موجة الانبعاثات بشكل جيد (لا سيما ، تحدد فجوة النطاق الطاقة وبالتالي الطول الموجي للفوتون المنبعث). يمكن للمرء أن يتصور جهازًا مزودًا بمصابيح LED التي تنبعث منها عدة أطوال موجية مرئية ، كل منها يعرض كفاءة تحويل عالية (يفضل الوحدة) ، وبالتالي السماح بانبعاث الضوء الأبيض المرئي (أو أي مزيج محدد من الألوان المرئية) دون خسائر حرارية (الشكل 3). هذا ، من الناحية النظرية ، الوظيفة ؛ يتمثل التحدي الوحيد في تحقيق النضج التكنولوجي اللازم لتصنيع مصابيح LED فعالة للغاية في بعض الأطوال الموجية. احتل هذا المسعى باحثين أشباه الموصلات للعقود اللاحقة وأدى في النهاية إلى2014 جائزة نوبل.
تم تأسيس شركة Shenzhen Benwei Lighting Technology Co. ، Ltd في عام 2010. إنها مؤسسة وطنية تدمج التصميم ، والبحث والتطوير ، وإنتاج ومبيعات منتجات الإضاءة الداخلية والخارجية ، ويمكن أيضًا القيام بعملية OEM ، ODM. لمزيد من التفاصيل حول عروضنا ، يرجى الاتصال بنا علىbwzm18@ledbenweilighting.com
