עקרון הפעולה של ה-LED: כיצד פועלת המנורה, מאפיינים טכניים וההיסטוריה של יצירתה

הנורית היא מקור אור מוליכים למחצה דו-חוטיים. כאשר מופעל זרם מתאים על הטרמינלים, האלקטרונים מסוגלים להתחבר מחדש עם חורי האלקטרונים שבתוך המכשיר, ולשחרר אנרגיה בצורה של פוטונים. אפקט זה נקרא אלקטרולומינסנציה, וצבע האור נקבע על ידי פער האנרגיה של המוליך למחצה.

מה זה LED

דיודה פולטת אור היא מכשיר אופטו אלקטרוני המסוגל לפלוט אור כאשר מועבר דרכה זרם חשמלי. דיודה פולטת אור מעביר זרם חשמלי רק בכיוון אחד ומייצר קרינה מונוכרומטית או פוליכרומטית לא קוהרנטית מהמרת אנרגיה חשמלית.

יש לו מספר נגזרות:

• OLED.
• AMOLED.
• FOLED.

בשל יעילות האור שלהם, נוריות LED מייצגות כיום 75% משוק התאורה הפנימית והרכב. הם משמשים בבניית טלוויזיות בעלות מסך שטוח, כלומר להארת מסכי LCD או לספק מקור חשמל. משמש כתאורה הראשית בטלוויזיות OLED.

הנוריות הראשונות שיצאו למכירה הפיקו אור אינפרא אדום, אדום, ירוק ולאחר מכן צהוב. פלט ה-LED הכחול, הקשור להתקדמות הטכנית וההתקנה, מאפשר כיסוי של טווח אורך הגל של הקרינה מאולטרה סגול (350 ננומטר) ועד אינפרא אדום (2000 ננומטר). נ"מ) שעונה על צרכים רבים. מכשירים רבים מצוידים בנורות לד מורכבות (שלושה ברכיב אחד: אדום, ירוק וכחול) להצגת צבעים רבים.

מנורת לד

מנורות לד הם מוצרי תאורה לתאורת בית, תעשייה ותאורת רחוב בהם מקור האור הוא לד. בעיקרון מדובר בסט של נוריות ומעגלי חשמל להמרת אנרגיית הרשת לזרם ישר במתח נמוך.

גוף תאורה LED הוא מכשיר נפרד ועצמאי. גופו הוא לרוב אינדיבידואלי בעיצובו ותוכנן במיוחד עבור מקורות אור שונים. מספר רב של מנורות וגודלן הקטן מאפשר להציב אותן במקומות שונים, להרכיב לוחות ולהאיר באמצעותן תצוגות וטלוויזיות.

תאורה לשימוש כללי דורשת אור לבן. עקרון הפעולה של מנורת LED מבוסס על פליטת אור בטווח אורכי גל צר מאוד: כלומר, עם הצבע המאפיין את האנרגיה של החומר המוליך למחצה המשמש לייצור נוריות. כדי לפלוט אור לבן מנורת LED, עליך לערבב את הקרינה מנורות LED אדומות, ירוקות וכחולות או להשתמש בזרחן כדי להמיר חלקים מהאור לצבעים אחרים.

אחת השיטות - RGB (אדום, ירוק, כחול), היא שימוש במספר מטריצות לד, כל אחת מהם פולטים אורכי גל שונים, בסמיכות, כדי ליצור לבן כולל צבעים.

ההיסטוריה של יצירת המנורות הראשונות

פליטת האור הראשונה על ידי מוליך למחצה מתוארכת לשנת 1907 והתגלתה על ידי הנרי ג'וזף ראונד. בשנת 1927 הגיש אולג ולדימירוביץ' לוסב את הפטנט הראשון על מה שייקרא מאוחר יותר דיודה פולטת אור.

בשנת 1955 גילה רובין בראונשטיין קרינת אינפרא אדומה מגליום ארסניד, מוליך למחצה שישמש מאוחר יותר את ניק חולוניאק, ג'וניור ו-S. Bevaccoy ייצר את ה-LED האדום הראשון ב-1962. במשך כמה שנים הגבילו החוקרים את עצמם לכמה צבעים, כמו אדום (1962), צהוב, ירוק ומאוחר יותר כחול (1972).

תרומה של מדענים יפנים

בשנות ה-90, מחקר של Shuji Nakamura ו-Takashi Mukai מ-Nichia בטכנולוגיית InGaN-מוליכים למחצה מותר ליצור נוריות כחולות בהירות גבוהה ולאחר מכן להתאים ללבן על ידי הוספת צהוב זַרחָן. התקדמות זו אפשרה יישומים חדשים גדולים כמו תאורה ותאורה אחורית עבור מסכי טלוויזיה ומסכי LCD. ב-7 באוקטובר 2014, שוג'י נקאמורה, איסאמו אקסאקי והירושי אמאנו קיבלו את פרס נובל לפיזיקה על עבודתם על נוריות LED כחולות.

איך המכשיר עובד

כאשר הדיודה מוטה קדימה, אלקטרונים נעים במהירות דרך הצומת. הם כל הזמן מתאחדים, מסירים זה את זה. זמן קצר לאחר שהאלקטרונים מתחילים לנוע מסיליקון מסוג n לסוג p, הדיודה מתחברת לחורים ואז נעלמת. לפיכך, הוא הופך את האטום כולו ליציב יותר ונותן פולס קטן של אנרגיה בצורה של פוטון של אור.

עקרון היווצרותו של גל אור

כדי להבין כיצד פועלת ה-LED, אתה צריך ללמוד על החומרים שלה ותכונותיהם. LED הוא צורה מיוחדת של צומת PN המשתמשת בחיבור מורכב. התרכובת חייבת להיות החומר המוליך למחצה המשמש לחיבור. חומרים נפוצים, כולל סיליקון וגרמניום, הם יסודות פשוטים, ותרכובת העשויה מחומרים אלו אינה פולטת אור. לגבי מוליכים למחצה כמו גליום ארסניד, גליום פוספיד ואינדיום פוספיד - הם מרוכבים, ותרכובות מחומרים אלו פולטות אור.

מוליכים למחצה מרוכבים אלו מסווגים לפי פסי הערכיות שהם תופסים. לגאליום ארסניד יש ערכיות של שלוש ולארסן ערכיות של חמש. זה נקרא מוליך למחצה קבוצה III-V. ישנם מספר מוליכים למחצה אחרים שמתאימים לקטגוריה זו. ישנם מוליכים למחצה הנוצרים מחומרים מקבוצה III-V.

דיודה פולטת אור פולטת אור כשהיא מוטה קדימה. כאשר מתח מופעל על הצומת כדי להפוך אותו מוטה קדימה, זרם זורם, כמו בכל צומת PN. חורים מאזור מסוג p ואלקטרונים מאזור מסוג n נכנסים לצומת ומתחברים מחדש כמו דיודה רגילה כדי לאפשר לזרם לזרום. כאשר זה קורה, אנרגיה משתחררת.

נמצא שרוב האור מגיע מאזור המעבר הקרוב יותר לאזור מסוג P. עיצוב הדיודות נעשה בצורה כזו שאזור זה ממוקם קרוב ככל האפשר לפני השטח של המכשיר על מנת שהמבנה יספוג כמות מינימלית של אור.

כדי לקבל את האור הנראה, יש לייעל את החיבור ולהתאים את החומרים. גליום ארסניד טהור נותן אנרגיה בחלק האינפרא אדום של הספקטרום. כדי לגרום לפליטת אור, אלומיניום מתווסף למוליך למחצה בספקטרום האדום הנראה, ואחריו ייצור גליום ארסניד ארסניד (AlGaAs). ניתן להוסיף זרחן כדי להפיק אור אדום. חומרים שונים משמשים לצבעים אחרים. לדוגמה, גליום פוספיד מייצר אור ירוק, בעוד סידן אלומיניום פוספיד משמש לייצור אור צהוב וכתום. רוב הנוריות מבוססות על מוליכים למחצה של גליום.

תורת הקוונטים

זרימת הזרם במוליכים למחצה נובעת משתי הזרימות של אלקטרונים חופשיים בכיוון ההפוך. לפיכך, תהיה רקומבינציה עקב השטף של נושאי מטען אלה.

הרקומבינציה מראה שהאלקטרונים ברצועת ההולכה יורדים לפס הערכיות. כאשר הם קופצים מרצועה אחת לאחרת, הם פולטים אנרגיה אלקטרומגנטית בצורה של פוטונים, ואנרגיית הפוטונים שווה לפער האנרגיה האסור.

מוצגת משוואה מתמטית:

Eq = hf

H ידוע בתור הקבוע של פלאנק, ומהירות הקרינה האלקטרומגנטית שווה למהירות האור. קרינת התדר קשורה למהירות האור כמו f = c / λ. λ מסומן כאורך הגל של קרינה אלקטרומגנטית, והמשוואה הופכת ל:

Eq = he / λ

בהתבסס על משוואה זו, אתה יכול להבין כיצד פועל LED, בהתבסס על העובדה שאורך הגל של קרינה אלקטרומגנטית הוא ביחס הפוך לפער הרצועה. באופן כללי, הקרינה הכוללת של גל אלקטרומגנטי במהלך הרקומבינציה היא בצורה של קרינה אינפרא אדומה. אי אפשר לראות את אורך הגל של קרינת אינפרא אדום מכיוון שהיא מחוץ לטווח הנראה.

קרינת אינפרא אדום נקראת חום מכיוון שמוליכי סיליקון וגרמניום אינם מוליכים למחצה מרווחים ישירים, אלא הם זני ביניים עקיפים. אבל במוליכים למחצה עם פער ישיר, רמת האנרגיה המקסימלית של פס הערכיות ורמת האנרגיה המינימלית של פס ההולכה לא מתרחשות בו זמנית עם אלקטרונים. לכן, במהלך ריקומבינציה של אלקטרונים וחורים, אלקטרונים נודדים מפס ההולכה לפס הערכיות, והתנע של פס האלקטרונים ישתנה.

יתרונות וחסרונות

כמו כל מכשיר, גם ל-LED יש מספר תכונות, יתרונות וחסרונות עיקריים.

יתרונות עיקריים נראה כמו זה:

• גודל קטן: לדוגמה, ניתן ליצור נוריות לד קטנות כמו פיקסלים (מה שפותח את האפשרות להשתמש בדיודות ליצירת מסכים ברזולוציה גבוהה).
• קלות הרכבה של PCB, מסורתית או CMS (רכיב הר השטח).
• צריכת החשמל נמוכה מזו של מנורת ליבון ובסדר גודל זהה לזו של מנורת פלורסנט.
• יציבות מכנית מעולה.
• על ידי הרכבת נוריות LED מרובות, ניתן להשיג תאורה טובה עם צורות חדשניות.
• תוחלת החיים (כ-20,000 עד 50,000 שעות), שהיא הרבה יותר ארוכה מאשר מנורת ליבון רגילה (1,000 שעות). שעות) או מנורת הלוגן (2 אלף. שעה (ות). אותו סדר גודל כמו עבור מנורות פלורסנט (מ-5 אלף. עד 70,000 שעות).
• מתח נמוך מאוד, בטוח וקל להובלה. לנופשים, ישנם פנסי לד המופעלים באמצעות דינמו יד פשוט בהילוך איטי ("מנורת ארכובה").
• אינרציה קלה היא כמעט אפס. דיודות נדלקות ונכבות בזמן קצר מאוד, מה שמאפשר להשתמש בעת העברת אותות של אותות קרובים (מצמידים אופטיים) או רחוקים (סיבים אופטיים). הם מגיעים מיד לעוצמת האור הנומינלית שלהם.
• הודות לעוצמה שלהם, נוריות ה-LED הקלאסיות בגודל 5 מ"מ בקושי מתחממות ואינן יכולות לשרוף את האצבעות.
• נוריות RGB (אדום-ירוק-כחול) מאפשרות שיפורי צבע עם וריאציות בלתי מוגבלות.

מהחסרונות ניתן לציין את הדברים הבאים:

• ללדים, כמו לכל רכיב אלקטרוני, יש מגבלות טמפרטורת פעולה מקסימליות, כמו גם כמה פסיביות רכיבים המרכיבים את מעגל החשמל שלהם (לדוגמה, קבלים כימיים שמתחממים בהתאם ל זרם rms). פיזור החום של רכיבי נורת LED הוא גורם מגביל בהגדלת ההספק שלהם, במיוחד במכלולים מרובי שבבים.
• לדברי היצרן פיליפס, יעילות האור של חלק מהנוריות יורדת במהירות. הטמפרטורה מאיצה את הירידה ביעילות האור. פיליפס גם מציינת שהצבע עשוי להשתנות בחלק מהנוריות הלבנות וזוהר בירוק ככל שהם מתבגרים.
• תהליך ייצור ה-LED הוא מאוד אינטנסיבי. לדעת את המאפיינים העיקריים של נוריות, היתרונות והחסרונות שלהם, אתה יכול לעשות בחירה - או לרכוש אותם, או לסרב לקנות ולהשתמש במנורות ליבון רגילות. עם זאת, בהתחשב בעלות-תועלת של תאורה כזו, כדאי לקחת בחשבון שהיא יכולה להפוך לחלופה טובה למקורות האור הרגילים והזולים יותר.