Das Funktionsprinzip der LED: Funktionsweise der Lampe, technische Eigenschaften und Entstehungsgeschichte

Die LED ist eine zweiadrige Halbleiterlichtquelle. Wenn ein geeigneter Strom an die Anschlüsse angelegt wird, können die Elektronen mit den Elektronenlöchern im Inneren des Geräts rekombinieren und Energie in Form von Photonen freisetzen. Dieser Effekt wird Elektrolumineszenz genannt, und die Farbe des Lichts wird durch die Energielücke des Halbleiters bestimmt.

Was ist LED?

Eine Leuchtdiode ist eine optoelektronische Vorrichtung, die Licht emittieren kann, wenn ein elektrischer Strom durch sie geleitet wird. Leuchtdiode lässt elektrischen Strom nur in eine Richtung durch und erzeugt aus der Umwandlung von elektrischer Energie inkohärente monochromatische oder polychromatische Strahlung.

Er besitzt mehrere Ableitungen:

• OLED.
• AMOLED.
• FOLED.

Aufgrund ihrer Lichtausbeute machen LEDs derzeit 75 % des Marktes für Innen- und Automobilbeleuchtung aus. Sie werden beim Bau von Flachbildfernsehern verwendet, nämlich zur Hintergrundbeleuchtung von LCD-Bildschirmen oder als Stromquelle. Wird als Hauptbeleuchtung in OLED-Fernsehern verwendet.

Die ersten LEDs, die auf den Markt kamen, produzierten infrarotes, rotes, grünes und dann gelbes Licht. Die mit dem technischen und Installationsfortschritt verbundene Leistung der blauen LED ermöglicht die Abdeckung des Strahlungswellenlängenbereichs von Ultraviolett (350 nm) bis Infrarot (2000 nm). nm), die viele Anforderungen erfüllt. Viele Geräte sind mit zusammengesetzten LEDs (drei in einer Komponente: Rot, Grün und Blau) ausgestattet, um viele Farben anzuzeigen.

LED-Lampe

LED-Lampen sind Beleuchtungsprodukte für die Haushalts-, Industrie- und Straßenbeleuchtung, bei denen die Lichtquelle LED ist. Im Grunde handelt es sich um eine Reihe von LEDs und Stromkreisen zur Umwandlung von Netzstrom in Niederspannungs-Gleichstrom.

Die LED-Leuchte ist ein separates und unabhängiges Gerät. Sein Korpus ist meist individuell gestaltet und speziell für verschiedene Lichtquellen ausgelegt. Eine große Anzahl von Lampen und ihre geringe Größe ermöglichen es, sie an verschiedenen Orten zu platzieren, Paneele zu montieren und sie zur Beleuchtung von Displays und Fernsehern zu verwenden.

Allgemeinbeleuchtung erfordert weißes Licht. Das Funktionsprinzip einer LED-Lampe beruht auf der Emission von Licht in einem sehr schmalen Wellenlängenbereich: also mit die Farbcharakteristik der Energie des Halbleitermaterials, das zur Herstellung verwendet wird LEDs. Um weißes Licht aus einer LED-Lampe zu emittieren, müssen Sie die Strahlung von roten, grünen und blauen LEDs mischen oder einen Phosphor verwenden, um Teile des Lichts in andere Farben umzuwandeln.

Eine der Methoden - RGB (Rot, Grün, Blau) ist die Verwendung mehrerer LED-Matrizen, jede davon emittiert verschiedene Wellenlängen in unmittelbarer Nähe, um ein Gesamtweiß zu erzeugen Farben.

Die Entstehungsgeschichte der ersten Lampen

Die erste Lichtemission eines Halbleiters stammt aus dem Jahr 1907 und wurde von Henry Joseph Round entdeckt. 1927 meldete Oleg Vladimirovich Losev das erste Patent für eine spätere Leuchtdiode an.

1955 entdeckte Rubin Braunstein Infrarotstrahlung von Galliumarsenid, einem Halbleiter, der später von Nick Holonyak, Jr. und S. Bevaccoy entwickelt 1962 die erste rote LED. Seit einigen Jahren beschränken sich Forscher auf wenige Farben wie Rot (1962), Gelb, Grün und später Blau (1972).

Beitrag japanischer Wissenschaftler

In den 1990er Jahren Forschungen von Shuji Nakamura und Takashi Mukai von Nichia in der InGaN-Halbleitertechnologie erlaubt, blaue LEDs mit hoher Helligkeit zu erzeugen und sich dann durch Hinzufügen von Gelb an Weiß anzupassen Phosphor. Dieser Fortschritt hat wichtige neue Anwendungen wie Beleuchtung und Hintergrundbeleuchtung für Fernsehbildschirme und LCD-Bildschirme ermöglicht. Shuji Nakamura, Isamu Akasaki und Hiroshi Amano erhielten am 7. Oktober 2014 den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeiten zu blauen LEDs.

So funktioniert das Gerät

Wenn die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, bewegen sich Elektronen schnell durch den Übergang. Sie vereinen sich ständig, entfernen sich gegenseitig. Kurz nachdem die Elektronen beginnen, sich vom n-Typ- zum p-Typ-Silizium zu bewegen, verbindet sich die Diode mit den Löchern und verschwindet dann. Daher macht es das gesamte Atom stabiler und gibt einen kleinen Energieimpuls in Form eines Lichtphotons ab.

Das Prinzip der Bildung einer Lichtwelle

Um zu verstehen, wie die LED funktioniert, müssen Sie ihre Materialien und ihre Eigenschaften kennen. Eine LED ist eine spezielle Form des PN-Übergangs, die eine Verbundverbindung verwendet. Die Verbindung muss das für die Verbindung verwendete Halbleitermaterial sein. Häufig verwendete Materialien, einschließlich Silizium und Germanium, sind einfache Elemente, und eine Verbindung aus diesen Materialien emittiert kein Licht. Halbleiter wie Galliumarsenid, Galliumphosphid und Indiumphosphid sind zusammengesetzt und Verbindungen aus diesen Materialien emittieren Licht.

Diese Verbundhalbleiter werden nach den von ihnen besetzten Valenzbändern klassifiziert. Galliumarsenid hat eine Wertigkeit von drei und Arsen hat eine Wertigkeit von fünf. Dies wird als Halbleiter der Gruppe III-V bezeichnet. Es gibt eine Reihe anderer Halbleiter, die in diese Kategorie fallen. Es gibt Halbleiter, die aus Materialien der Gruppe III-V gebildet werden.

Eine Leuchtdiode emittiert Licht, wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Wenn Spannung an den Übergang angelegt wird, um ihn in Vorwärtsrichtung vorzuspannen, fließt Strom, wie bei jedem PN-Übergang. Löcher aus dem p-Typ-Gebiet und Elektronen aus dem n-Typ-Gebiet treten in den Übergang ein und rekombinieren wie eine normale Diode, um einen Stromfluss zu ermöglichen. Dabei wird Energie freigesetzt.

Es wurde festgestellt, dass das meiste Licht aus dem Übergangsbereich kommt, der näher am P-Typ-Bereich liegt. Die Dioden sind so ausgelegt, dass sich dieser Bereich möglichst nahe an der Oberfläche des Gerätes befindet, damit die Struktur möglichst wenig Licht absorbiert.

Damit das Licht sichtbar wird, muss die Verbindung optimiert und die Materialien stimmen. Reines Galliumarsenid gibt Energie im Infrarotbereich des Spektrums ab. Um Lichtemission zu induzieren, wird dem Halbleiter im sichtbaren roten Spektrum Aluminium zugesetzt, gefolgt von der Produktion von Galliumarsenidarsenid (AlGaAs). Phosphor kann hinzugefügt werden, um rotes Licht zu erzeugen. Für andere Farben werden unterschiedliche Materialien verwendet. Galliumphosphid erzeugt beispielsweise grünes Licht, während Calciumaluminiumphosphid verwendet wird, um gelbes und oranges Licht zu erzeugen. Die meisten LEDs basieren auf Gallium-Halbleitern.

Quantentheorie

Der Stromfluss in Halbleitern beruht auf beiden Flüssen freier Elektronen in entgegengesetzter Richtung. Daher kommt es aufgrund des Flusses dieser Ladungsträger zu Rekombination.

Die Rekombination zeigt, dass die Elektronen im Leitungsband ins Valenzband absteigen. Wenn sie von einem Band zum anderen springen, emittieren sie elektromagnetische Energie in Form von Photonen, und die Photonenenergie ist gleich der verbotenen Energielücke.

Mathematische Gleichung angezeigt:

Gl = hf

H ist als Plancksche Konstante bekannt, und die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Strahlung ist gleich der Lichtgeschwindigkeit. Die Frequenzstrahlung hängt mit der Lichtgeschwindigkeit zu f = c / λ zusammen. λ wird als Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung bezeichnet und die Gleichung lautet:

Gl = er / λ

Anhand dieser Gleichung können Sie die Funktionsweise einer LED verstehen, da die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung umgekehrt proportional zur Bandlücke ist. Im Allgemeinen liegt die Gesamtstrahlung einer elektromagnetischen Welle während der Rekombination in Form von Infrarotstrahlung vor. Es ist unmöglich, die Wellenlänge der Infrarotstrahlung zu sehen, da sie außerhalb des sichtbaren Bereichs liegt.

Infrarotstrahlung wird Wärme genannt, weil Silizium- und Germaniumhalbleiter keine Halbleiter mit direkter Lücke sind, sondern indirekte Zwischenarten. Bei Halbleitern mit direkter Lücke treten jedoch das maximale Energieniveau des Valenzbandes und das minimale Energieniveau des Leitungsbandes nicht gleichzeitig mit Elektronen auf. Daher wandern während der Rekombination von Elektronen und Löchern Elektronen vom Leitungsband in das Valenzband, und der Impuls des Elektronenbandes wird geändert.

Vorteile und Nachteile

Wie jedes Gerät hat auch die LED eine Reihe von Funktionen, wichtigsten Vor- und Nachteilen.

Hauptvorteile sieht aus wie das:

• Kleine Größe: Sie können beispielsweise LEDs so klein wie Pixel machen (was die Möglichkeit eröffnet, mit Dioden hochauflösende Bildschirme zu erstellen).
• Einfache Leiterplattenbestückung, traditionell oder CMS (Surface Mount Component).
• Der Stromverbrauch ist geringer als der einer Glühlampe und in der gleichen Größenordnung wie der einer Leuchtstofflampe.
• Ausgezeichnete mechanische Stabilität.
• Durch den Zusammenbau mehrerer LEDs kann mit innovativen Formen eine gute Beleuchtung erreicht werden.
• Lebensdauer (ca. 20.000 bis 50.000 Stunden), die viel länger ist als bei einer herkömmlichen Glühlampe (1.000 Stunden). Stunden) oder eine Halogenlampe (2 Tsd. Std). In der gleichen Größenordnung wie bei Leuchtstofflampen (ab 5 Tsd. bis zu 70.000 Stunden).
• Sehr niedrige Spannung, sicher und leicht zu transportieren. Für Urlauber gibt es LED-Taschenlampen, die mit einer einfachen Handdynamo-Zeitlupe ("Kurbellampe") betrieben werden.
• Die Lichtträgheit ist fast Null. Dioden schalten sich in sehr kurzer Zeit ein und aus, was es ermöglicht, bei der Übertragung von Signalen von nahen (Optokoppler) oder fernen (Glasfaser) Signalen zu verwenden. Sie erreichen sofort ihre Nennlichtstärke.
• Dank ihrer Power werden die klassischen 5mm LEDs kaum heiß und können sich nicht die Finger verbrennen.
• RGB-LEDs (Rot-Grün-Blau) ermöglichen Farbverbesserungen mit unbegrenzter Variation.

Von den Mängeln folgendes kann festgehalten werden:

• LEDs haben wie jede elektronische Komponente maximale Betriebstemperaturgrenzen sowie einige passive Komponenten, die ihren Stromkreis bilden (z. B. chemische Kondensatoren, die sich je nach Effektivstrom). Die Wärmeableitung von LED-Glühbirnenkomponenten ist ein limitierender Faktor bei der Erhöhung ihrer Wattzahl, insbesondere bei Multi-Chip-Baugruppen.
• Laut Hersteller Philips sinkt die Lichtausbeute einiger LEDs rapide. Die Temperatur beschleunigt den Rückgang der Lichtausbeute. Philips weist auch darauf hin, dass sich die Farbe bei einigen weißen LEDs ändern kann und grün leuchtet, wenn sie älter werden.
• Der Herstellungsprozess der LED ist sehr energieintensiv. Wenn Sie die Hauptmerkmale von LEDs, ihre Vor- und Nachteile kennen, können Sie eine Wahl treffen - entweder sie kaufen oder den Kauf und die Verwendung gewöhnlicher Glühlampen ablehnen. Angesichts der Wirtschaftlichkeit einer solchen Beleuchtung ist jedoch zu bedenken, dass sie eine gute Alternative zu den üblichen, billigeren Lichtquellen werden kann.