Zusammenfassung
Im Jahr 2014 erhielten Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura den Nobelpreis für Physik für ihre Schaffung effizienter blau-emittierender Dioden, die die Entwicklung heller und energieeffizienter weißer Lichtquellen erleichterten. In den letzten Jahren,Lichtemittierende Dioden (LEDs) haben zunehmend in den Heimbeleuchtungssektor und andere Massenmärkte eingedrungen. In diesem Artikel wird versucht, einen Überblick über die Physik von LEDs, die wichtigsten Durchbrüche zu geben, die im Nobelpreis 2014 gipfelten, und das Potenzial für die Energieeinsparung, die LEDs erleichtern können.
1. Einführung
Leichtemittierende Dioden (LEDs) sind seit mehreren Jahrzehnten ein wesentlicher Bestandteil des täglichen Lebens, der in den 1960er Jahren mit Indikatorlampen und Infrarot-Fernbedienungen stammt. Der Nobelpreis für Physik wurde jedoch 2014 speziell für blaue LEDs gewährt, was letztendlich die Produktion von weißem Licht ermöglichte. Dieser Artikel zielt darauf ab, die grundlegende LED -Physik aufzuklären, um ihr Potenzial als überlegene Lichtemitter, insbesondere für Beleuchtungsanwendungen, zu demonstrieren. Es wird auch eine kurze Geschichte der Erfindungen bieten, die zu modernen LEDs beitrugen und die Begründung des Nobelpreises 2014 für Physik an Akasaki, Amano und Nakamura erklären. Letztendlich werde ich untersuchen, ob zeitgenössische LEDs wirklich zu Energieeinsparungen führen, und pragmatischer, wenn es für einzelne Verbraucher wirtschaftlich sinnvoll ist, zu kaufen, wirtschaftlich sinnvoll sindLED -Lampenfür die Häuserbeleuchtung.
2. Wie funktionieren Halbleiter -LEDs?
Dieser Abschnitt bietet einen kurzen Überblick über die Geschichte der Elektrolumineszenz und konzentriert sich auf die Elektrolumineszenz anorganischer Halbleiter, gefolgt von einer Beschreibung der Physik, die zeitgenössischen LEDs zugrunde liegt. Elektrolumineszenz ist das Phänomen, bei dem Licht emittiert wird, wenn ein elektrischer Strom durch eine Substanz führt. Es kann geltend gemacht werden, dass Glühbirnen (die "Edison" -Birne) elektrolumineszierend sind; In diesem Szenario erweckt der Stromfluss jedoch das Material und die Lichtemission ergibt sich ausschließlich aus der erhöhten Temperatur des Filaments. Daher ist es genauer, sich auf Elektrolumineszenz zu beziehen, wenn der Stromfluss direkt den Lichtemissionsmechanismus erleichtert. Die erste Dokumentation der Elektrolumineszenz erfolgte 1907 von HJ Round, die von der Marconi Company beschäftigt war. Er schloss eine Siliziumkarbidprobe (dann als Carborundum bezeichnet) an und beobachtete das Licht unterschiedlicher Farben entsprechend der Elektrodenplatzierung und Spannung. Er verstand das Phänomen zu dieser Zeit nicht. Zwei Jahrzehnte später erzielte Oleg Losev, ein junger russischer Techniker im Funklabor von Nizhny Novgorod, signifikante Fortschritte bei der experimentellen Beobachtung und des Verständnisses von Siliziumcarbid-lichtemittierenden Dioden. Insbesondere legte er 1929 ein Patent ein, das die nachfolgende Behauptung umfasste: "Die vorgeschlagene Erfindung verwendet das etablierte Phänomen der Lumineszenz in einem Carborundum -Detektor und führt zu der Verwendung eines solchen Detektors in einem opischen Relais, um schnelle telegraphische und telefonische Übertragung zu ermöglichen, und andere Anwendungen, bei denen ein Modulationsantrag und eine andere Anträge auf die Einstellung von Modulationen, und andere Anwendungen, bei denen ein lumineszierendes Kontakt mit einer Einstellung von TELTE -Modulationen, und eine andere Anwendungen, und eine andere Anwendungen, die eine Anmeldevermittlung ermöglicht, und eine andere Anwendungen, bei denen ein lumineszierendes Kontakt aufgetragen wurde, und eine andere Anwendungen und andere Anwendungen ermöglicht. Schaltung. " Dies ist wirklich bemerkenswert: A {26- -Jahrer mit begrenzter formaler Bildung in der Physik patentierte die hochrate Datenübertragung unter Verwendung der elektrischen Modulation einer Halbleiter-Lichtquelle im Jahr 1929. Die innovativen Veröffentlichungen und Patente von Losev blieben jedoch für Jahrzehnte weitgehend obskur. In den 1940er Jahren führte ein verstärktes Verständnis und die Kontrolle von Halbleitern zur Schaffung der ersten P -N -Übergang, gefolgt von der Erfindung des ersten Transistors. Die anfänglichen LEDs, die gut entwickelte P-I-N-Verbindungen verwenden, konnten folglich hergestellt und verbessert werden.
Ein Halbleiter ist eine Substanz, deren Leitfähigkeit durch die Einführung von Verunreinigungen, die als Dotiermittel bekannt sind, verändert werden. Anorganische Halbleiter sind kristalline Materialien wie Silizium (Si), Galliumarsenid (GAAs), Indiumphosphid (INP) und Galliumnitrid (GaN), die durch Energienbanden für Elektronen gekennzeichnet sind. Das oberste Energiebande wird als Valenzband bezeichnet, das mit Elektronen in einem undotierten Halbleiter gefüllt ist, aber das anschließende höhere Energieband, das als Leitungsband bekannt ist, bleibt in einem undotierten Halbleiter völlig leer. Die Energieunterschiede zwischen dem Minimum der Leitungsband und dem höchsten Valenzband wird als die Bandlücke des Halbleiters bezeichnet. Der Lichtemissionsprozess in einem Halbleiter ist unkompliziert: Wenn ein Elektron das Leitungsband einnimmt und im Valenzband (als Loch als Loch bezeichnet wird), kann das Elektron des Leitungsbandes den vakanten Zustand im Valenzband belegen und den Energieunterschied (die Bandlücke) als ausgestrahltes Photon freigeben (Abb. 1). Das Elektron und die Lochrekombination, was zur Emission eines Photons führt. Dieses Verfahren tritt bei den meisten Halbleitern auf, wobei bemerkenswerte Ausnahmen als indirekte Halbleiter wie Silizium oder Germanium bezeichnet werden und bei denen die Photonenemission nicht direkt zulässig ist, was zu einer erheblichen Ineffizienz führt. Um eine Halbleiter -LED herzustellen, ist es wichtig, Elektronen im Leitungsband und Löcher im Valenzband im Material gleichzeitig zu positionieren. Hier setzt Doping Bedeutung an. Ein intrinsischer Halbleiter fungiert als Isolator, da die Elektronen im Valenzband aufgrund des Fehlens verfügbarer Zustände für die elektronische Bewegung unbeweglich bleiben; Trotzdem können Halbleiter in zwei unterschiedlichen Manieren dotiert werden. Wenn Verunreinigungen mit einem zusätzlichen Elektron pro Atom in den Kristall eingebaut werden, wechseln diese überschüssigen Elektronen zum Leitungsband. Zum Beispiel führt das Ersetzen einiger GA-Atome durch SI-Atome in einem GaAs-Kristall zu einer Doping von N-Typ, die durch das Vorhandensein von Elektronen im Leitungsband gekennzeichnet ist. Umgekehrt können Verunreinigungen ohne Elektron eingeführt werden, was zu einem P-Typ-Doping führt, der durch die Existenz von Löchern im Valenzband gekennzeichnet ist. Ein entscheidender Aspekt ist, dass Dotierstoffe Minderheitenatome innerhalb der Kristallstruktur bilden: Ein einzelnes Doping -Atom unter einer Million Standardatomen kann die elektrische Leitfähigkeit erheblich verbessern. Das Beherrschen des Doping -Levels ist für die Anpassung der elektrischen Eigenschaften von Halbleitern von wesentlicher Bedeutung. Dieses Fachwissen, das in den 1940er und 1950er Jahren begann, löste die Revolutionen in Mikroelektronik und Optoelektronik aus. Die grundlegende Konfiguration für die Lichtemission aus einem Halbleiter beinhaltet die Integration von N-Typen (mit Elektronen im Leitungsband) und P-Typ (mit Löchern oder Abwesenheit von Elektronen im Valenzband). Bei elektrischer Vorspannung, Elektronen und Löchern, die sich in entgegengesetzte Richtungen durchqueren-entspricht ein links bewegendes Loch im Valenzband der nach rechts bewegenden Elektronenkonverge am PN-Übergang, was zu einer Rekombination führt, die Photonen emittiert (Abb. 2). Nach dem Verständnis der Forschungsgemeinschaft wurde die erforderliche Handlung offensichtlich: Die Fähigkeit, hochwertige Kristalle mit präzise kontrollierten Doping vom Typ P-Typ und N-Typ zu synthetisieren. Die erste Gaas -Infrarot -LED wurde 1962 ausgestellt, die später von den ersten sichtbaren LEDs, die von anderen Teams entwickelt wurden, erfolgreich waren. N. Holonyak, ein Forscher bei General Electric, setzte sich für die Gaasp -Legierung ein und ermöglichte es ihm, den ersten sichtbaren Semiconductor -Diodenlaser zu präsentieren. Es ist wichtig, N. Holonyak anzuerkennen, der unter anderem das Verständnis und die Kontrolle von Halbleiter -Lichtemitter erheblich vorangetrieben hat. Im Jahr 1963 prognostizierte Nick Holonyak in Reader's Digest, dass Halbleiter -LEDs trotz der anfänglichen Halbleiter -LEDs, die sehr düsteres Licht ausstrahlen und eine Effizienz von nur Aktionen von prozentualer Prozent aufweisen, schließlich alle Glühbirnen für allgemeine Beleuchtungsanwendungen ersetzen würden. Welche Kriterien haben er verwendet, um diese Vorhersage zu generieren? Holonyak erkannte, dass Glühlampen in ähnlicher Weise mit Schwarzkörper-Emitter funktionieren und eine spektrale Kurve erzeugen, die mit der Filamenttemperatur korrelierte. Wenn die Temperatur zunimmt, verschiebt sich das Emissionsspektrum in Richtung kürzerer Wellenlängen. Die effizientesten Glühbirnen sind hauptsächlich Infrarotlicht aus, was für die Beleuchtung unwirksam ist und stattdessen als Wärmequelle fungiert. Die Umwandlung der elektrischen Leistung in sichtbare optische Leistung wird von Natur aus auf ca. 5%eingeschränkt. In Halbleiter -LEDs weist die Physik erheblich unter: Fast 100% der elektrischen Leistung kann in optische Leistung mit einer gut regulierten Emissionswellenlänge umgewandelt werden (insbesondere bestimmt die Bandlücke die Energie und folglich die Wellenlänge des ausgestrahlten Photons). Man kann sich ein Gerät vorstellen, das mit LEDs ausgestattet ist, die über mehrere sichtbare Wellenlängen ausgestattet sind und jeweils eine hohe (vorzugsweise Einheit) Umwandlungseffizienz aufweisen und daher die Emission von sichtbarem weißem Licht (oder einer ausgewählten Kombination von sichtbaren Farben) ohne thermische Verluste ermöglichen (Abb. 3). Dies sollte theoretisch funktionieren; Die einzige Herausforderung besteht darin, die technologische Reife zu erreichen, die für die Herstellung von extrem effizienten LEDs bei bestimmten Wellenlängen erforderlich ist. Dieses Bestreben besetzte die Halbleiterforscher für die folgenden Jahrzehnte und führte letztendlich in die2014 Nobelpreis.
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