Sut mae LED yn gweithio?
Er eu bod yn cael eu defnyddio mewn sawl agwedd ar fywyd modern, megis goleuo ein cartrefi, pweru sgriniau ffôn clyfar, a chyfeirio traffig, mae deuodau allyrru golau (LEDs) yn wahanol i dechnolegau goleuo mwy confensiynol fel bylbiau gwynias neu fflworoleuol oherwydd eu ffiseg lled-ddargludyddion soffistigedig.LEDsdefnyddio proses a elwir yn electroluminescence, sef allyrru ffotonau (gronynnau golau) pan fydd cerrynt trydan yn llifo trwy ddeunydd lled-ddargludyddion a wnaed yn arbennig. Mae hyn mewn cyferbyniad â gwynias, sy'n cynhyrchu golau trwy wresogi ffilament, neu fflwroleuadau, sy'n defnyddio nwy ac ymbelydredd UV. Rhaid inni yn gyntaf archwilio hanfodion lled-ddargludyddion, dyluniad LED, a'r weithdrefn ddilyniannol sy'n trosi trydan yn olau gweladwy er mwyn deall sut mae hyn yn digwydd.
Y Sail: Bandiau Ynni a Lled-ddargludyddion
Mae pob LED yn cael ei bweru gan lled-ddargludydd, sylwedd sy'n dargludo trydan yn waeth na dargludyddion (fel copr) ond yn well nag ynysyddion (fel gwydr). Mae'r bandiau egni electronau-meysydd egni y gall electronau eu meddiannu-yn hanfodol i ymddygiad nodedig lled-ddargludydd. Mae gan electronau lefelau egni gwahanol ym mhob defnydd, ond mewn solidau, mae'r lefelau hyn yn cyfuno i ffurfio dau brif fand: y band dargludiad a'r band falens.
Mae atomau'r deunydd yn cael eu dal at ei gilydd mewn strwythur crisialog gan yr electronau yn y band falens, sydd wedi'u cysylltu'n gadarn â'r atomau. Mae dargludedd trydanol yn bosibl oherwydd yr electronau yn y band dargludo, sy'n rhydd i lifo drwy'r sylwedd. Mae'r bwlch band, sef ystod o egni na all electronau fyw ynddo, yn bodoli rhwng y ddau fand hyn. Mae maint bwlch band deunydd yn pennu a yw'n ynysydd, dargludydd, neu lled-ddargludydd: mae gan lled-ddargludyddion fwlch band bach, mesuradwy (gall electronau groesi'r bwlch gyda mewnbwn bach o egni, fel cerrynt trydan), nid oes gan ddargludyddion unrhyw fwlch band (mae electronau'n symud yn rhydd rhwng bandiau), ac mae gan ynysyddion fylchau band mawr iawn (gan ei gwneud hi'n anodd i'r bandiau neidio).
Mae'r lled-ddargludydd a ddefnyddir mewn LEDs yn "doped", sef gweithdrefn sy'n addasu nodweddion trydanol y deunydd trwy ychwanegu symiau hybrin o amhureddau. Mae lled-ddargludyddion math n-math a p-math yn cael eu cynhyrchu trwy ddopio. Pan fydd elfennau ag electronau ychwanegol, fel ffosfforws, yn cael eu dopio i mewn i lled-ddargludyddion math N, maen nhw'n dod yn rhydd i symud yn y band dargludiad ac yn rhoi gwefr negatif net i'r defnydd. Mae elfennau sydd â llai o electronau, fel boron, yn cael eu defnyddio i ddopio P-deipio lled-ddargludyddion. Mae hyn yn arwain at "dyllau", neu electronau ar goll yn y band falens, sy'n gweithredu fel gwefrau positif ac yn gallu pasio trwy'r deunydd wrth i electronau eu llenwi. Mae LED yn gweithredu oherwydd y gyffordd p-n, sef croestoriad y ddau ranbarth dop hyn.
Strwythur y LED: O Allbwn Golau i Gyffordd P{0}}N
Mae dyluniad syml ond cywir LED yn gwneud y mwyaf o allbwn golau tra'n lleihau colled ynni. Mae ei gyffordd p{1}}n wedi'i lleoli mewn haen denau o ddeunydd lled-ddargludyddion, yn nodweddiadol yn seiliedig ar gallium, fel gallium arsenide neu gallium nitride. Y swbstrad, deunydd sylfaen sy'n darparu cefnogaeth a chymhorthion mewn afradu gwres, yw lle mae'r haen lled-ddargludyddion hon ynghlwm. Mae hyn yn bwysig oherwydd gall gorboethi leihau hyd oes LED.
Mae un electrod ynghlwm wrth y rhanbarth math p (yr anod, terfynell bositif) a'r llall i'r rhanbarth math n (y catod, terfynell negatif) ar ben yr haen lled-ddargludyddion. Mae maes trydan yn cael ei gynhyrchu ar draws y gyffordd p-n pan fydd foltedd yn cael ei gyflenwi ar draws yr electrodau hyn (y catod yn negatif a'r anod yn bositif). Mae electronau rhydd y lled-ddargludydd n{5}math yn cael eu gwthio tuag at y gyffordd gan y maes hwn, tra bod tyllau'r lled-ddargludydd math p yn cael eu tynnu i'r un cyfeiriad.
Er mwyn i'r golau a gynhyrchir ar y gyffordd p-n ddianc, rhaid i'r haen lled-ddargludyddion fod yn dryloyw neu'n lled-dryloyw (neu fod â haen adlewyrchol ar un ochr). ModernLEDscyflogi deunyddiau fel gallium nitride (GaN), sy'n dryloyw i olau gweladwy ac yn gwarantu bod y mwyafrif o ffotonau yn cyrraedd yr wyneb, yn wahanol i LEDs cynnar, a oedd yn aml yn defnyddio deunyddiau lled-ddargludyddion afloyw a oedd yn cyfyngu ar allbwn golau. Cyffordd p{1}}n y lled-ddargludydd yw'r man lle mae'r broses gynhyrchu golau sylfaenol yn digwydd, er bod gan rai LEDs lens neu orchudd hefyd i ffocysu'r golau neu newid ei liw.
Cam 1: Defnyddio Electron-Hole Recombination a Voltage
Mae foltedd allanol a roddir i electrodau'r LED yn cychwyn y broses allyrru golau trwy sefydlu gogwydd ymlaen, sef cyfeiriad cywir llif cerrynt ar gyfer yLEDi weithredu; mae gogwydd gwrthdro, ar y llaw arall, yn stopio cerrynt ac yn cynhyrchu dim golau. Mae electronau rhydd o'r ardal math n yn cael eu cyflymu i'r rhanbarth math p, ac mae tyllau o'r rhanbarth math p yn cael eu cyflymu i'r rhanbarth math n gan y maes trydan ar draws y gyffordd p-n pan ddefnyddir bias ymlaen.
Mae'r electronau a'r tyllau hyn yn dod at ei gilydd yn y pen draw neu'n agos at y gyffordd p-n wrth iddynt deithio i'r un cyfeiriad. Mae electron rhydd o fand dargludiad yr ardal n-math "yn cwympo" i'r twll pan fydd yn gwrthdaro â thwll o fand falens y rhanbarth math p, gan newid o gyflwr egni uwch yn y band dargludiad i lefel egni is yn y band falens. Mae'r electron a'r twll yn canslo ei gilydd yn ystod y trawsnewid hwn, a elwir yn ailgyfuniad, ac mae'r egni ychwanegol y maent yn ei golli yn cael ei allyrru fel ffoton.
Mae maint bwlch band y lled-ddargludydd yn effeithio'n uniongyrchol ar egni'r ffoton hwn, sy'n rhoi ei liw i'r golau. Mae ffoton ag egni uwch (a thonfedd fyrrach, fel golau glas neu fioled) yn cael ei greu pan fydd electron yn ailgyfuno â thwll ac yn colli mwy o egni oherwydd bwlch band ehangach. Mae ffoton gyda thonfedd hirach, fel golau coch neu oren, a llai o egni yn cael ei gynhyrchu gan fwlch band llai.
Er enghraifft:
Oherwydd ei fwlch band cul, mae gallium arsenide (GaAs) yn allyrru golau coch gyda thonfedd o tua 650 nm.Oherwydd ei fwlch band ehangach, mae gallium nitride (GaN) yn allyrru golau glas neu fioled gyda thonfedd o tua 450 nm.
Gall gweithgynhyrchwyr addasu'r bwlch band i gynhyrchu LEDs sy'n cynhyrchu golau gwyrdd, melyn, neu hyd yn oed gwyn trwy gyfuno amrywiol ddeunyddiau lled-ddargludyddion (fel gallium indium nitride, neu InGaN) (mwy ar LEDs gwyn isod).
Cam 2: Effeithlonrwydd ac Echdynnu Golau
Mae rhai o'r ffotonau a gynhyrchir gan ailgyfuniad yn cael eu hamsugno gan y deunydd lled-ddargludyddion ei hun, tra bod eraill yn adlewyrchu oddi ar yr electrodau neu'r gyffordd p-n ac yn cael eu rhyddhau fel gwres. Nid yw pob un o'r ffotonau hyn yn gadael yLEDfel golau gweladwy. Mae dylunwyr LED yn defnyddio nifer o strategaethau i wella "echdynnu golau" er mwyn optimeiddio effeithlonrwydd:
Swbstradau sy'n dryloyw: Cafodd y rhan fwyaf o'r golau ei ddal gan y swbstradau afloyw (fel germaniwm) a ddefnyddiwyd mewn LEDs cynnar. Defnyddir swbstradau tryloyw, fel carbid silicon neu saffir, mewn LEDau modern i adael i ffotonau gyrraedd yr wyneb.
Arwynebau Gweadog: Er mwyn lleihau faint o olau a adlewyrchir yn ôl i'r deunydd, mae wyneb y lled-ddargludydd yn aml yn cael ei ysgythru â phatrymau bach, fel lympiau neu rhigolau. Trwy newid yr ongl y mae golau yn taro'r wyneb, mae hyn yn cynyddu'r tebygolrwydd y bydd yn dianc yn hytrach na bownsio'n ôl.
Haenau adlewyrchol: Mae cefn y lled-ddargludydd wedi'i orchuddio â haen denau o adlewyrchiad, sy'n aml yn cynnwys metel fel alwminiwm neu arian. Mae'r haen hon yn cynyddu faint o olau sy'n gadael y LED trwy adlewyrchu ffotonau a fyddai fel arall yn cael eu colli trwy'r swbstrad yn ôl tuag at flaen y LED.
Er yn llawer llai na gyda goleuadau gwynias, mae rhywfaint o egni yn dal i gael ei golli fel gwres er gwaethaf y datblygiadau hyn. Dim ond 10-25% o ynni sy'n cael ei golli fel gwres mewn LEDs, gyda 75-90% o'r ynni'n cael ei drawsnewid yn olau, o'i gymharu â 90-95% mewn gwynias. Oherwydd eu heffeithlonrwydd rhagorol, mae LEDs yn defnyddio llawer llai o ynni na goleuadau confensiynol.
Sut mae LEDs Gwyn yn Gweithredu: Sefyllfa Unigryw
Mae'r mwyafrif o LEDs yn allyrru un lliw yn unig, neu olau monocromatig, ond mae angen strategaeth wahanol ar LEDau gwyn, a ddefnyddir mewn prif oleuadau, setiau teledu a goleuadau cartref, oherwydd nid oes deunydd lled-ddargludyddion gyda bwlch band sy'n creu golau gwyn yn uniongyrchol. Yn hytrach, mae LEDs gwyn yn defnyddio un o ddwy dechneg sylfaenol:
Trosi Ffosfforws: GlasLED(wedi'i wneud o gallium nitride) wedi'i orchuddio â ffosffor melyn-defnyddir sylwedd sy'n amsugno golau o un donfedd ac yn allyrru golau o un arall-yn y dechneg fwyaf poblogaidd. Mae'r ffosffor yn amsugno rhai o'r ffotonau glas sy'n cael eu hallyrru gan y LED glas ac yn ail-allyrru ffotonau melyn. Mae ein llygaid yn dehongli'r ffotonau glas sydd dros ben fel golau gwyn ar ôl iddynt gyfuno â'r ffotonau melyn. Mae gweithgynhyrchwyr yn ychwanegu symiau hybrin o ffosfforau coch neu wyrdd i'r cotio i newid tymheredd lliw, neu "gynhesrwydd" neu "oerni", y golau gwyn. Er enghraifft, mae ychwanegu golau glas ychwanegol yn cynhyrchu golau gwyn oer (5,000K-6,500K), tra bod ychwanegu ffosffor coch yn cynhyrchu golau gwyn cynnes (2,700K-3,000K).
Cymysgu RGB: Mae'r dechneg lai poblogaidd hon yn cyfuno tri LED gwahanol-coch, gwyrdd a glas-mewn un pecyn. Mae'r tri lliw yn cyfuno i greu golau gwyn (neu unrhyw liw sbectrwm gweladwy arall) trwy amrywio disgleirdeb pob LED. Er bod y dechneg hon yn ddrutach na thrawsnewid ffosffor, fe'i defnyddir mewn sefyllfaoedd lle mae angen rheoli lliw yn union, megis goleuadau llwyfan neu arddangosfeydd pen uchel.
Y Gwahaniaethau Rhwng LEDs a Goleuadau Confensiynol
Mae gwybod sut mae LEDs yn gweithredu yn ei gwneud hi'n haws gweld pam eu bod yn perfformio'n well na bylbiau fflwroleuol a gwynias ym mron pob categori:
Effeithlonrwydd Ynni: Mae LEDs yn defnyddio electroluminescence, sy'n naturiol effeithlon; yn wahanol i incandescents, sy'n gwario ynni gwresogi ffilament, nid fflworoleuadau yn gwastraffu ynni cynhyrchu ymbelydredd UV.
Hyd Oes Hir: Nid yw LEDs yn llosgi allan yn hawdd oherwydd nad oes ganddyn nhw unrhyw rannau symudol na ffilamentau cain. Yn wahanol i gwynias, sydd â hyd oes o 1,000-2,000 o oriau, mae gan LEDs hyd oes o 50,000-100,000 o oriau oherwydd diraddiad graddol iawn y deunydd lled-ddargludyddion dros amser.
Instant On / Off: Yn wahanol i fflworoleuadau, sy'n gofyn am ychydig eiliadau i oleuo'n llwyr, nid oes gan LEDs unrhyw amser cynhesu ac maent yn actifadu i ddisgleirdeb llawn ar unwaith.
Gwydnwch: OherwyddLEDsyn electroneg cyflwr solid, gallant wrthsefyll sioc, dirgryniad, a thymheredd uchel, sy'n eu gwneud yn berffaith ar gyfer cymwysiadau awyr agored neu osodiadau llym (fel ceir neu ffatrïoedd).
Dyfodol Technoleg LED
Mae datblygiadau newydd yn cynyddu potensial technoleg LED wrth i ymchwilwyr a pheirianwyr barhau i'w wella. Er enghraifft:
QLEDs, neu LEDs dot cwantwm: Mae'r rhain yn gwella disgleirdeb a chywirdeb lliw trwy ddefnyddio dotiau cwantwm, sef gronynnau lled-ddargludyddion bach. Mae ymchwilwyr yn ceisio gwneud QLEDs yn fwy ynni-effeithlon ar gyfer goleuadau cyffredinol, ac maent i'w cael ar hyn o bryd mewn setiau teledu pen uchel.
Micro LEDs: Gellir grwpio'r LEDau hynod fach hyn, sydd ond ychydig o ficrometrau ar eu traws, mewn rhesi trwchus i gynhyrchu golau hyblyg neu sgriniau -cydraniad uchel. Rhagwelir y bydd ffonau smart a setiau teledu yn y dyfodol yn defnyddio micro-LEDs yn lle OLEDs oherwydd eu hoes hirach a gwell allbwn.
LEDau Perovskite: O'i gymharu â deunyddiau confensiynol sy'n seiliedig ar gallium, mae perovskite yn fath newydd o ddeunydd lled-ddargludyddion sy'n rhatach i'w gynhyrchu. Mae ymchwilwyr yn ceisio cynyddu sefydlogrwydd LEDau perovskite ar gyfer defnydd masnachol gan eu bod wedi dangos addewid wrth ddarparu golau llachar, effeithlon.
I gloi
LEDsyn ddyfeisiau syml iawn wedi'u gwneud o lled-ddargludydd dop gyda chyffordd ap-n sy'n defnyddio ailgyfuniad tyllau electron i drawsnewid egni trydanol yn olau. Maent ymhlith y technolegau goleuo mwyaf effeithiol ac addasadwy a ddatblygwyd erioed, ond mae eu symlrwydd yn cuddio cymhlethdod eu hadeiladu, sy'n cynnwys popeth o beirianneg echdynnu golau i union reoleiddio'r bwlch band. Mae gwybod sut mae LEDs yn gweithredu yn ein galluogi i ddeall y wyddoniaeth soffistigedig sy'n sail iddynt yn ogystal â'u manteision defnyddiol (hyd oes hirach, costau ynni rhatach). Wrth i dechnoleg LED ddatblygu ymhellach, mae'n debyg y bydd yn cyfrannu hyd yn oed yn fwy at leihau defnydd ynni byd-eang, atal newid yn yr hinsawdd, a dylanwadu ar ddyluniad goleuo yn y dyfodol-gan ddangos bod y datblygiadau mwyaf arwyddocaol weithiau'n dod o'r egwyddorion gwyddonol mwyaf sylfaenol.
Shenzhen Benwei goleuo technoleg Co., Ltd
Ffôn: +86 0755 27186329
Symudol(+86)18673599565
Whatsapp: 19113306783
E-bost:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
Gwe:www.benweilight.com
