Superbright LED is een advertentietruc, een epitheton waarop verkopers nietsvermoedende klanten lokken. In feite vertrouwt het alleen op efficiëntie om op te letten.
Het concept van helderheid
Weinig studies van de karakteristieken van de LED in dit nummer, de beperkingen opgelegd door de menselijke fysiologie. De gevoeligheid van het oog voor de groene golven is een orde van grootte hoger dan de analoge parameter voor rood. Het is niet genoeg om de stroomfluxdichtheid te berekenen, het is niet genoeg om ervoor te zorgen dat het thermisch regime niet verder gaat dan wat is toegestaan, dankzij de goede efficiëntie. Het is vereist om het resulterende resultaat op te leggen aan de kenmerken van het menselijke gezichtsvermogen.
Nu wordt duidelijk dat de verklaringen van fabrikanten over superheldere LED's slechts een reclamegitaar zijn. Het is de bedoeling dat het product in het complex wordt geëvalueerd, maar onthoud ook - geachte lezer - dat coherent licht gevaarlijk is voor het oog. Je moet de producten niet op hun eigen visie bekijken.
Het is al pijnlijk om naar een gewoon 10 watt LED-lampje te kijken als de stralingsmatrix door een matglas schijnt. De auteurs zijn ervan overtuigd dat het toegestaan is om elke aangeboden super heldere LED te noemen.
De geschiedenis van de ontwikkeling van
De meeste diodes werken vanwege het luminescentie-effect, ontdekt aan het begin van de 20e eeuw. Er wordt aangenomen dat de eerste LED's onbedoeld werden gemaakt door Henry Joseph Round toen hij de gelijkrichtende eigenschappen van siliciumcarbide beoordeelde. Het is opmerkelijk dat het minerale carborundum op de planeet Aarde bijna nooit wordt gevonden, hoewel het zeer vaak voorkomt in sterrenatmosferen.
Heldere verlichting van
Vanaf daar kwam een meteoriet aan, die te moeilijk was voor Eugene Achison in 1891.Het idee van de graafmachine is heel begrijpelijk - hij besloot dat hij diamanten op de dode asteroïde had ontdekt en wilde de vondst rustig verkopen. Maar de juwelier merkte op dat er geen kenmerkende tekens zijn van de meest kostbare steen op de planeet. En het gebeurde jaren later.
Henry Joseph Round Carborund was kunstmatig. Aan het begin van de 20e eeuw werd het mineraal al geleerd om te synthetiseren. In hardheid is de steen alleen inferieur aan diamant. Onderzoekend een kristaldetector voor radio( aangemoedigd door de ervaring van andere onderzoekers die reeds hebben geoctrooieerd), ontdekte Henry een gloed. Hij schreef onmiddellijk de redactie van het tijdschrift Electric World en rapporteerde deze informatie:
- Bij een spanning van 10 V AC, lichten geel carburundum-monsters van geel op.
- Naarmate het potentiaalverschil toeneemt tot 110 volt, vertonen alle experimentele kristallen luminescentie.
- Naarmate de spanning in het spectrum toeneemt, worden naast de gele, groene, oranje en blauwe kleuren ook de kleuren aangegeven.
- Afzonderlijke materialen gloeien alleen vanaf de rand, andere tonen een volumetrisch effect.
- Het fenomeen wordt niet verklaard door thermo-elektriciteit.
Gloed treedt op wanneer de pn-overgang vooringenomen is. Bij een grote aangelegde spanning dringt een aanzienlijk aantal minderheidsladingsdragers het kristal in. Het proces wordt verklaard door het tunneleffect. Wanneer de "gastreis" begint te recombineren met de hoofdladingsdragers, verandert de overtollige energie in licht. Dit verklaart het feit dat Henry Joseph bij lage voltages de Ronde niet observeerde.
Niet alles is echter zo eenvoudig. Schottky-diodes - vertegenwoordigd door carborundum met metalen contacten - kunnen ook gloeien met een negatief aangelegde spanning. Het schema is precies hetzelfde, maar met een aanzienlijk potentiaalverschil ontstaat er een lawine-uitsplitsing. De halfgeleideratomen worden geïoniseerd door versnelde ladingsdragers, de omgekeerde recombinatie wordt uitgevoerd met de emissie van een foton van licht.
Waarschuwing! Moderne LED's zenden alleen uit op een directe verplaatsing van de pn-overgang, wanneer een positieve potentiaal op de anode wordt toegepast.
De werken van de Ronde werden herhaald door de Russische Losev in 1928.De wetenschapper op de kristaldetector slaagde erin een gloed te krijgen en ontdekte dat de eerste monsters alleen gloeien met een unipolaire verbinding, en voor anderen doet de richting van de directe stroom er niet toe. Pogingen om het feit te begrijpen leidden niet tot het resultaat. Maar de conclusie van de Ronde werd bevestigd dat het effect niet wordt geassocieerd met thermo-elektrische verwarming.
Het begin van het LED-tijdperk wordt beschouwd als het begin van de jaren 60, toen de eerste carborundum-films verschenen. De efficiëntie van de eerste exemplaren bleek verbazingwekkend klein en bedroeg 0,005%.De reden is simpel: siliciumcarbide is verre van het beste materiaal voor de productie van superheldere diodes. Dit laatste is in deze fase van de technologie niet haalbaar.
Welke is beter?
Begin jaren '90 verdween carborundum uit de schappen. De laatste blauwe LED's die zijn uitgezonden in het bereik van 470 nm met een efficiëntie van 0,03%.
Al in de jaren 50 werden halfgeleiders uit de AIIBVI-groep goed bestudeerd. Geproduceerd een constante zoektocht naar nieuwe technische oplossingen. De licht-emitterende diodes van III-V klasse halfgeleiders verschenen, gebruikmakend van het voorbeeld waarvan natuurkundeleraren het fenomeen van onzuiverheidsgeleiding verklaren. Materialen van dit type kunstmatige oorsprong worden niet in de natuur gevonden. Door gallium met arseen te dopen, verkreeg de wetenschap een nieuw onderzoeksgebied. Onzuiverheden werden op het substraat geïnjecteerd door middel van vloeistoffase of gasfase-epitaxie.
Tegen 1962 waren er al lasers verschenen op basis van het beschreven materiaal. Ze voorspelden een grote toekomst in de ruimtevaartindustrie, geschikt voor communicatie en metingen. De serieproductie van LED's op basis van galliumarsenide werd uitgevoerd door Texas Instruments. De prijs van het stuk was 130 dollar. Tegenwoordig zijn de kosten van LED's sterk gedaald en wordt galliumarsenide massaal gebruikt om bedieningspanelen, communicatie-apparaten en andere dingen te maken.
Gefosforyleerd galliumarsenide
De efficiëntie van bekende materialen bleek te klein om superheldere LED's te creëren. Dus Holonyak en Bevac kwamen in 1962 op de noodzaak van fosforylatie van galliumarsenide om de prestaties te verbeteren. Een kenmerk van de nieuwe apparaten was de hoge coherentie van straling. Dit betekende dat communicatieapparatuur wachtte op verdere verbeteringen, balkhomogeniteit speelt een grote rol.
Moderne technologieën
Voordat het over de ontwikkeling ging, voornamelijk van IBM-technici, met uitzondering van de geheime NASA-projecten. In 1962 voegde de beroemde General Electric zich bij de strijd. Groeiende kristallen door gasfase-epitaxie, hebben de ingenieurs van het bedrijf opmerkelijke successen behaald. De efficiëntie van de apparaten werd snel verhoogd, maar de coherentie van de straling was sterk verminderd. De prijs van General Electric was twee keer zo hoog als die van Texas Instruments, de partij kwam er schaars uit.
In 1968 kocht Monsanto de rechten en startte de massaproductie van LED's op basis van gefosforyleerd galliumarsenide. De omzet groeide jaarlijks minstens verviervoudigd, maar bleef absoluut absoluut microscopisch. Ten slotte verschijnen de eerste digitale LED-displays.
Gallium Phosphide
Parallel werd de galliumfosfide productietechnologie ontwikkeld. Elk bedrijf in de branche worstelde met zijn eigen unieke materiaal. Galliumfosfide werd opgenomen door Bell Laboratories. Dit was waarschijnlijk geen bewuste strategie, bedrijven waren bang voor wederzijdse absorptie. Hoewel het feit van uniformiteit alarmerend is.
Galliumfosfide LED's maakten het mogelijk om een gele en rode gloed te krijgen. Bell Labs begon in de vroege jaren 60 met anderen samen te werken. Waarom denk je aan de geplande actie? De eerste publicaties waren onafhankelijk en werden slechts door twee wetenschappers gemaakt( 1964):
- Grimmeys;
- Scholz.
Tin-gelegeerde LED-overgangen van galliumfosfide zijn naar hen vernoemd. De gegevens verkregen dat de optische eigenschappen sterk worden verbeterd door de introductie van onzuiverheden van stikstof. Gloeien van de structuur van een halfgeleider na zijn groei, de efficiëntie was in staat om te verhogen tot 2%.Tegelijkertijd werd er gezocht naar nieuwe kleurkwaliteiten. Dus gemaakt dioden op basis van galliumfosfide, geven een groene tint, de efficiëntie was 0.6%.
echter! De efficiëntie van groene LED's is lager, maar vanwege de verhoogde gevoeligheid van het oog voor het groene bereik, leken ze helderder dan rood.
LED
efficiëntie Opdat de LED superhelder zou worden, wordt deze gekenmerkt door een hoog rendement. De logica is elementair. Hoe hoger de stroom, hoe groter het verlies op de ohmse weerstand van de contacten. Om een hoge helderheid te verkrijgen met een laag rendement, wordt de stroom dus extreem verhoogd. De halfgeleider zal niet staan en smelten. Het was niet voor niets dat de eerste laser met koeling tot 77 K werkte. Behalve de fysieke eigenschappen zorgde dit ook voor een goede koeling.
Een ideale LED met een efficiëntie van 100% die één foton uitstraalt voor elk geïnjecteerd elektron. Dit wordt een kwantumopbrengst genoemd, idealiter gelijk aan één. In een echte LED wordt de efficiëntie geschat door de verhouding van het vermogen van optische straling tot de injectiestroom.
De uitgezonden fotonen moeten de ruimte ingaan. Hiertoe wordt, indien mogelijk, het gebied van de pn-overgang geopend. In werkelijkheid blijft een aanzienlijk deel van de fotonen binnen. Daarom wordt elk ontwerp onder meer gekenmerkt door een optische uitgang. Doorgaans wordt de parameter de belangrijkste beperkende factor, die amper 50% bereikt.
De efficiëntie van een LED wordt gewoonlijk begrepen als de verhouding van het aantal uitgezonden fotonen tot het opgetelde vermogen. Typisch is een spanning op de pn-overgang in de orde van grootte van anderhalf volt, en dan stijgt de stroom lineair. Dientengevolge gaat het vermogen verloren door de verplaatsing van de barrièrelaag, de straling en de verwarming van de ohmse weerstand. Aan het begin van de 21e eeuw werd de LED-efficiëntie van 4% als normaal beschouwd( rekening houdend met de optische output).
Om de output te vergroten en uiteindelijk een superheldere LED te krijgen, gingen technici op zoek naar nieuwe constructieve oplossingen.
Verbetering van de efficiëntie van LED's
Dubbele heterostructuren
Het vergroten van de lichtsterkte van de diode wordt bereikt door een hoge concentratie draaggolven te handhaven. De methode van prestatie is het creëren van een dubbele pn-overgang. In dit geval wordt de stralingslaag aan beide zijden omringd door halfgeleiders van een ander soort geleidbaarheid, waardoor het gebied van gieten van minderheidsdragers wordt vergroot. Het ontwerp ziet eruit als een 5-laags sandwich:
- De actieve stralingslaag bevindt zich in het midden.
- Aan beide kanten is het bedekt met halfgeleiders, wat de aanwezigheid van twee sluitlagen veroorzaakt.
- -contacten dekken de buitenste halfgeleiders over het hele gebied af om de stroomsterkte te verbeteren.
De kwantumopbrengst is afhankelijk van de kerndikte. De grafiek is niet-lineair en vertoont een uitgesproken vlakke of hellende bult. Dienovereenkomstig is de diktewaarde vereist om uit zijn grenzen te kiezen, die tientallen microns zijn. Experimenten tonen aan dat verhogingen van de kwantumopbrengst worden bereikt door zwakke doping van het actieve gebied. Het aantal onzuiverheidsatomen is niet groter dan tien tot het zeventiende vermogen van eenheden per kubieke centimeter. Over het algemeen is het proces relatief slecht begrepen.
Verhoogde injectie wordt bereikt door extreme lagen te doteren. De concentratie van onzuiverheden is hier minstens een orde van grootte lager dan in het vorige geval, of een vergelijkbaar aantal malen hoger. Hoewel de barrière en actieve lagen per definitie worden vertegenwoordigd door verschillende materialen, is het belangrijk dat hun kristalroosters qua structuur identiek zijn. Met toenemende mismatch daalt de kwantumopbrengst scherp.
