Fizyka diody elektroluminescencyjnej - Light-emitting diode physics

W fizyce diod elektroluminescencyjnych rekombinacja elektronów i dziur elektronowych w półprzewodniku wytwarza światło (lub promieniowanie podczerwone), w procesie zwanym „ elektroluminescencją ”. Długość fali wytwarzanego światła zależy od przerwy energetycznej stosowanych półprzewodników. Ponieważ materiały te mają wysoki współczynnik załamania światła, do skutecznego emitowania światła wymagane są cechy konstrukcyjne urządzeń, takie jak specjalne powłoki optyczne i kształt matrycy. Dioda LED jest długotrwałym źródłem światła, ale pewne mechanizmy mogą powodować powolną utratę wydajności urządzenia lub nagłą awarię. Długość fali emitowanego światła jest funkcją pasma zabronionego użytego materiału półprzewodnikowego; Materiały takie jak arsenek galu i inne, zawierające różne pierwiastki śladowe, są używane do wytwarzania światła o różnych kolorach. Inny rodzaj diody LED wykorzystuje kropkę kwantową, której właściwości i długość fali można dostosować do swoich rozmiarów. Diody elektroluminescencyjne są szeroko stosowane w funkcjach wskaźników i wyświetlaczy, a białe diody LED wypierają inne technologie w ogólnych celach oświetleniowych.

Elektroluminescencja

Wewnętrzne działanie diody LED, pokazujące obwód (na górze) i schemat pasmowy (na dole)

Złącze p–n w dowolnym bezpośrednim materiale z przerwą energetyczną emituje światło, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny. To jest elektroluminescencja . Elektrony przecinają się z obszaru n i rekombinują z dziurami istniejącymi w obszarze p. Elektrony swobodne znajdują się w paśmie przewodnictwa poziomów energetycznych, a dziury w paśmie energii walencyjnej . Zatem poziom energii dziur jest niższy niż poziomy energii elektronów. Pewna część energii musi zostać rozproszona, aby ponownie połączyć elektrony i dziury. Ta energia jest emitowana w postaci ciepła i światła.

Jako materiały z pośrednią przerwą energetyczną elektrony rozpraszają energię w postaci ciepła w krystalicznych diodach krzemowych i germanowych, ale w półprzewodnikach z fosforku arsenku galu (GaAsP) i fosforku galu (GaP) elektrony rozpraszają energię poprzez emisję fotonów . Jeśli półprzewodnik jest półprzezroczysty, złącze staje się źródłem światła, stając się w ten sposób diodą elektroluminescencyjną.

Schemat IV dla diody . Dioda LED zaczyna emitować światło, gdy przyłożone do przodu napięcie przekracza 2 lub 3 V. Region polaryzacji wstecznej wykorzystuje inną skalę pionową niż region polaryzacji przewodzenia, aby pokazać, że prąd upływu jest prawie stały z napięciem, aż do wystąpienia przebicia. Przy polaryzacji przewodzenia prąd jest mały, ale rośnie wykładniczo wraz z napięciem.

Długość fali emitowanego światła, a tym samym jego barwa, zależy od energii przerwy energetycznej materiałów tworzących złącze pn . W diodach krzemowych lub germanowych elektrony i dziury zwykle rekombinują w wyniku przejścia niepromienistego , które nie powoduje emisji optycznej, ponieważ są to materiały z pośrednią przerwą energetyczną. Materiały użyte do produkcji diody LED mają bezpośrednią przerwę wzbronioną o energiach odpowiadających światłu bliskiej podczerwieni, widzialnemu lub bliskiemu ultrafioletowi.

Rozwój diod LED rozpoczął się od urządzeń na podczerwień i czerwieni wykonanych z arsenku galu . Postępy w materiałoznawstwie umożliwiły tworzenie urządzeń o coraz krótszych długościach fal, emitujących światło w różnych kolorach.

Diody LED są zwykle zbudowane na podłożu typu n , z elektrodą przymocowaną do warstwy typu p osadzonej na jego powierzchni. Podłoża typu P , choć rzadziej spotykane, występują również. Wiele komercyjnych diod LED, zwłaszcza GaN/InGaN, również wykorzystuje podłoża szafirowe .

Współczynnik załamania światła

Wyidealizowany przykład stożków emisji światła w prostym półprzewodniku kwadratowym, dla strefy emisji z jednego źródła punktowego. Lewa ilustracja przedstawia półprzezroczysty wafel, podczas gdy prawa ilustracja przedstawia półstożki utworzone, gdy dolna warstwa jest nieprzezroczysta. Światło jest emitowane równomiernie we wszystkich kierunkach ze źródła punktowego, ale może wydostać się z powierzchni półprzewodnika tylko w zakresie kilku stopni prostopadłości, co ilustrują kształty stożka. Po przekroczeniu kąta krytycznego fotony odbijają się wewnętrznie. Obszary pomiędzy stożkami reprezentują uwięzioną energię świetlną traconą w postaci ciepła.

Niepokryte półprzewodniki, takie jak krzem, wykazują bardzo wysoki współczynnik załamania światła w stosunku do powietrza. Fotony zbliżające się do powierzchni pod zbyt dużym kątem do pionu doświadczają całkowitego wewnętrznego odbicia . Właściwość ta wpływa zarówno na efektywność emisyjną diod LED, jak i na efektywność pochłaniania światła przez ogniwa fotowoltaiczne . Współczynnik załamania światła krzemu wynosi 3,96 (przy 590 nm), podczas gdy współczynnik załamania powietrza wynosi 1,0002926.

Ogólnie rzecz biorąc, niepowlekany chip półprzewodnikowy LED o płaskiej powierzchni emituje tylko światło, które dociera prawie prostopadle do powierzchni półprzewodnika, w kształcie stożka zwanego stożkiem świetlnym , stożkiem światła lub stożkiem ucieczkowym . Fotony docierające do powierzchni bardziej skośnie, o kącie padania przekraczającym kąt krytyczny , ulegają całkowitemu odbiciu wewnętrznemu i powracają do wnętrza kryształu półprzewodnikowego, jakby jego powierzchnia była zwierciadłem .

Odbicia wewnętrzne mogą uciec przez inne powierzchnie krystaliczne, jeśli kąt padania jest wystarczająco niski, a kryształ jest wystarczająco przezroczysty, aby nie absorbować ponownie emisji fotonów. Ale w przypadku prostej kwadratowej diody LED z powierzchniami nachylonymi pod kątem 90 stopni ze wszystkich stron, wszystkie powierzchnie działają jak lustra o równym kącie. W takim przypadku większość światła nie może uciec i jest tracona jako ciepło odpadowe w krysztale.

Zawinięta powierzchnia chipa z ukośnymi ściankami podobnymi do klejnotów lub soczewek Fresnela może zwiększyć moc światła poprzez rozprowadzenie światła prostopadle do powierzchni chipa i daleko do boków punktu emisji fotonów.

Idealnym kształtem półprzewodnika o maksymalnym strumieniu świetlnym byłaby mikrosfera z emisją fotonów występującą dokładnie w środku, z elektrodami penetrującymi środek i stykającymi się w punkcie emisji. Wszystkie promienie świetlne wychodzące ze środka byłyby prostopadłe do całej powierzchni kuli, co nie powodowałoby wewnętrznych odbić. Działałby również półprzewodnik półkulisty, z płaską powierzchnią tylną służącą jako lustro dla wstecznie rozproszonych fotonów.

Powłoki przejściowe

Po domieszkowaniu wafelek jest zwykle cięty na pojedyncze wykrojniki . Każda kostka jest powszechnie nazywana chipem.

Wielu układach scalonych LED są zamknięte lub wbita w jasnym lub kolorem formowanego stałego tworzywa sztucznego. Hermetyzacja z tworzywa sztucznego ma trzy cele:

1. Montaż chipa półprzewodnikowego w urządzeniach jest łatwiejszy do wykonania.
2. Drobne, delikatne przewody elektryczne są fizycznie podparte i chronione przed uszkodzeniem.
3. Tworzywo sztuczne działa jako refrakcyjny pośrednik między półprzewodnikiem o stosunkowo wysokim indeksie a otwartym powietrzem o niskim indeksie.

Trzecia cecha pomaga zwiększyć emisję światła z półprzewodnika poprzez zmniejszenie odbić Fresnela fotonów w stożku świetlnym. Płaska powłoka nie zwiększa bezpośrednio rozmiaru stożka światła w półprzewodniku; zapewnia pośredni szerszy kąt stożka w powłoce, ale krytyczny kąt między promieniami w półprzewodniku i powietrzu poza powłoką nie zmienia się. Jednak przy zakrzywionej powłoce lub enkapsulacji wydajność można jeszcze zwiększyć.

Wydajność i parametry operacyjne

Typowe diody wskaźnikowe są zaprojektowane do działania przy nie więcej niż 30-60 miliwatów (mW) mocy elektrycznej. Około 1999 r. firma Philips Lumileds wprowadziła diody LED mocy zdolne do ciągłego użytkowania przy mocy jednego wata . Te diody LED wykorzystywały znacznie większe rozmiary matryc półprzewodnikowych do obsługi dużych mocy wejściowych. Ponadto matryce półprzewodnikowe zostały zamontowane na metalowych kulkach, aby umożliwić lepsze rozpraszanie ciepła z matrycy LED.

Jedną z kluczowych zalet źródeł światła opartych na technologii LED jest wysoka skuteczność świetlna . Białe diody LED szybko dopasowywały się i przewyższały skuteczność standardowych żarowych systemów oświetleniowych. W 2002 roku firma Lumileds udostępniła pięciowatowe diody LED o skuteczności świetlnej 18–22 lumenów na wat (lm/W). Dla porównania, konwencjonalna żarówka o mocy 60–100 watów emituje około 15 lm/W, a standardowe świetlówki emitują do 100 lm/W.

Począwszy od 2012 r. firma Philips osiągnęła następujące skuteczności dla każdego koloru. Wartości wydajności pokazują fizykę – moc światła na wejście mocy elektrycznej. Wartość skuteczności lumenów na wat obejmuje charakterystykę ludzkiego oka i jest uzyskiwana za pomocą funkcji jasności .

We wrześniu 2003 firma Cree zademonstrowała nowy typ niebieskiej diody LED . W ten sposób uzyskano komercyjnie zapakowane białe światło o mocy 65 lm/W przy 20 mA, które stało się najjaśniejszą białą diodą LED dostępną w tamtym czasie i ponad czterokrotnie wydajniejszą od standardowych żarówek. W 2006 roku zademonstrowali prototyp z rekordową skutecznością świetlną białej diody LED 131 lm/W przy 20 mA. Nichia Corporation opracowała białą diodę LED o skuteczności świetlnej 150 lm/W przy prądzie przewodzenia 20 mA. Diody LED XLamp XM-L firmy Cree, dostępne na rynku w 2011 roku, wytwarzają 100 lm/W przy pełnej mocy 10 W i do 160 lm/W przy około 2 W mocy wejściowej. W 2012 roku firma Cree wprowadziła białe diody LED dające 254 lm/W, aw marcu 2014 303 lm/W. Praktyczne oświetlenie ogólne wymaga diod LED o dużej mocy, o mocy jednego wata lub większej. Typowe prądy robocze dla takich urządzeń zaczynają się od 350 mA.

Te sprawności dotyczą tylko diody elektroluminescencyjnej, utrzymywanej w laboratorium w niskiej temperaturze. Ponieważ diody LED zainstalowane w rzeczywistych oprawach działają w wyższej temperaturze i ze stratami sterowników, rzeczywiste wydajności są znacznie niższe. Testy Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) komercyjnych lamp LED zaprojektowanych w celu zastąpienia żarówek lub świetlówek kompaktowych wykazały, że średnia skuteczność nadal wynosiła około 46 lm/W w 2009 roku (testowana wydajność wahała się od 17 lm/W do 79 lm/W).

Spadek wydajności

Spadek sprawności to spadek skuteczności świetlnej diod LED wraz ze wzrostem prądu elektrycznego .

Początkowo sądzono, że efekt ten jest związany z podwyższonymi temperaturami. Naukowcy udowodnili, że jest odwrotnie: chociaż żywotność diody LED jest skrócona, spadek wydajności jest mniej dotkliwy w podwyższonych temperaturach. Mechanizm powodujący spadek wydajności został zidentyfikowany w 2007 roku jako rekombinacja Augera .

Oprócz tego, że są mniej wydajne, diody LED pracujące przy wyższych prądach elektrycznych wytwarzają więcej ciepła, co może pogorszyć żywotność diod LED. Diody LED o wysokiej jasności często działają przy prądzie 350 mA, co stanowi kompromis między wydajnością światła, wydajnością i trwałością.

Zamiast zwiększania natężenia prądu, zwykle zwiększa się luminancję, łącząc wiele diod LED w jednej żarówce. Rozwiązanie problemu spadku wydajności oznaczałoby, że domowe żarówki LED potrzebowałyby mniej diod, co znacznie obniżyłoby koszty.

Naukowcy z US Naval Research Laboratory znaleźli sposób na zmniejszenie spadku wydajności. Odkryli, że opadanie powstaje w wyniku niepromienistej rekombinacji Augera wstrzykniętych nośników. Stworzyli studnie kwantowe z potencjałem miękkiego zamknięcia, aby zmniejszyć niepromieniujące procesy Augera.

Naukowcy z Taiwan National Central University i Epistar Corp opracowują sposób na zmniejszenie spadku wydajności poprzez zastosowanie podłoży ceramicznych z azotku glinu (AlN), które mają lepszą przewodność cieplną niż komercyjnie używany szafir. Wyższa przewodność cieplna zmniejsza efekty samonagrzewania.

Żywotność i awaria

Urządzenia półprzewodnikowe, takie jak diody LED, podlegają bardzo ograniczonemu zużyciu eksploatacyjnemu, jeśli są używane przy niskich prądach i niskich temperaturach. Typowa podana żywotność wynosi od 25 000 do 100 000 godzin, ale ustawienia ogrzewania i prądu mogą znacznie wydłużyć lub skrócić ten czas. Należy zauważyć, że te prognozy są oparte na standardowym teście, który może nie przyspieszyć wszystkich potencjalnych mechanizmów, które mogą powodować awarie diod LED.

Najczęstszym objawem awarii diod LED jest stopniowe obniżanie mocy świetlnej. Mogą również wystąpić nagłe awarie, choć rzadkie. Wczesne czerwone diody LED wyróżniały się krótką żywotnością. Wraz z rozwojem diod LED o dużej mocy, urządzenia są poddawane wyższym temperaturom złącza i wyższym gęstościom prądu niż tradycyjne urządzenia. Powoduje to naprężenie materiału i może powodować wczesną degradację mocy świetlnej. Żywotność diody można podać jako czas działania do 70% lub 50% początkowej mocy wyjściowej.

W przeciwieństwie do lamp spalinowych lub żarowych, diody LED działają tylko wtedy, gdy są wystarczająco chłodne. Producent zwykle określa maksymalną temperaturę złącza na 125 lub 150 °C, a niższe temperatury są zalecane ze względu na długą żywotność. W tych temperaturach promieniowanie traci stosunkowo niewiele ciepła, co oznacza, że ​​wiązka światła generowana przez diodę LED jest chłodna.

Ciepło odpadowe z diody LED dużej mocy jest odprowadzane przez urządzenie do radiatora , który rozprasza ciepło do otaczającego powietrza. Ponieważ maksymalna temperatura pracy diody LED jest ograniczona, należy obliczyć rezystancje termiczne pakietu, radiatora i interfejsu. Diody LED średniej mocy są często przeznaczone do lutowania bezpośrednio do płytki drukowanej zawierającej przewodzącą ciepło warstwę metalu. Diody LED o dużej mocy są pakowane w wielkopowierzchniowe opakowania ceramiczne, które są przymocowane do metalowego radiatora za pomocą pasty termicznej lub innego materiału do przewodzenia ciepła.

Jeśli lampa LED nie ma swobodnej cyrkulacji powietrza, dioda LED może się przegrzać, co skutkuje skróceniem żywotności lub wczesną awarią. Konstrukcja termiczna systemu musi uwzględniać temperaturę otoczenia wokół lampy; lampa w zamrażarce doświadcza niższego otoczenia niż lampa na bilbordzie w słonecznym klimacie.

Materiały

Diody LED są wykonane z różnych nieorganicznych materiałów półprzewodnikowych . Poniższa tabela przedstawia dostępne kolory wraz z zakresem długości fal, spadkiem napięcia i materiałem:

Diody LED z kropkami kwantowymi

Kropki kwantowe (QD) to półprzewodnikowe nanokryształy o właściwościach optycznych, które pozwalają na dostrojenie barwy ich emisji z widzialnego do widma w podczerwieni. Dzięki temu diody LED z kropkami kwantowymi mogą tworzyć prawie każdy kolor na diagramie CIE . Zapewnia to więcej opcji kolorystycznych i lepsze oddawanie barw niż białe diody LED, ponieważ widmo emisji jest znacznie węższe, co jest charakterystyczne dla stanów kwantowych.

Istnieją dwa rodzaje schematów wzbudzania QD. Jeden wykorzystuje fotowzbudzenie z głównym źródłem światła LED (zwykle stosuje się diody niebieskie lub diody UV). Drugim jest bezpośrednie wzbudzenie elektryczne po raz pierwszy zademonstrowane przez Alivisatos et al.

Jednym z przykładów schematu fotowzbudzenia jest metoda opracowana przez Michaela Bowersa z Vanderbilt University w Nashville, polegająca na powlekaniu niebieskiej diody LED kropkami kwantowymi, które świecą na biało w odpowiedzi na niebieskie światło z diody LED. Metoda ta emituje ciepłe, żółtawo-białe światło podobne do tego, jakie dają żarówki żarowe . Rozważa się również zastosowanie kropek kwantowych w białych diodach emitujących światło w telewizorach z wyświetlaczami ciekłokrystalicznymi (LCD).

W lutym 2011 roku naukowcom z firmy PlasmaChem GmbH udało się zsyntetyzować kropki kwantowe do zastosowań LED i zbudować na ich podstawie konwerter światła, który był w stanie wydajnie zamieniać światło z niebieskiego na dowolny inny kolor przez wieleset godzin. Takie QD można wykorzystać do emitowania światła widzialnego lub bliskiej podczerwieni o dowolnej długości fali, wzbudzanego przez światło o krótszej długości fali.

Struktura diod QD-LED użytych w schemacie wzbudzenia elektrycznego jest podobna do podstawowej konstrukcji diod OLED . Warstwa kropek kwantowych jest umieszczona pomiędzy warstwami materiałów przenoszących elektrony i dziury. Przyłożone pole elektryczne powoduje, że elektrony i dziury przemieszczają się do warstwy kropek kwantowych i rekombinują, tworząc ekscyton, który wzbudza QD. Ten schemat jest powszechnie badany pod kątem wyświetlania kropek kwantowych . Przestrajanie długości fal emisji i wąskie pasmo są również korzystne jako źródła wzbudzenia do obrazowania fluorescencyjnego. Zademonstrowano fluorescencyjną mikroskopię optyczną skaningu bliskiego pola ( NSOM ) wykorzystującą zintegrowaną diodę QD-LED.

W lutym 2008 roku przy użyciu nanokryształów osiągnięto skuteczność świetlną 300 lumenów światła widzialnego na wat promieniowania (nie na wat elektryczny) oraz emisję ciepłego światła .

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Fizyka diod elektroluminescencyjnych w Curlie
• Film edukacyjny o diodach LED na YouTube