Oma energiasäästlikkuse, vastupidavuse ja täpsete värvide genereerimise võime tõttu on valgusdioodid ehk LED-id tänapäevase valgustuse, kuvarite ja tehnoloogia olulised komponendid. Pooljuhtide struktuur, mis kontrollib elektrienergia valguseks muundamise ja konkreetsete lainepikkuste (värvide) vabanemise tõhusust, on nende tööks hädavajalik. Selle asemel, et keskenduda valemitele või konkreetsetele materjalide näidetele, uurib see artikkel seost pooljuhtide disaini, tõhususe ja värviväljundi vahel, tuues esile struktuurikontseptsioonid.
Semiconductor Bandgap: Color Emissions Foundation
Pooljuhtide ribalaius ehk energia erinevus selle valentsriba, kus elektronid jäävad, ja juhtivusriba, kus elektronid liiguvad vabalt, vahel on põhiliselt see, mis määrab LEDi kiirgava valguse tooni. Footon on energia, mis vabaneb, kui elektron liigub juhtivusribalt valentsribale. Selle footoni lainepikkus (värvus) on otseselt seotud selle ribalaiuse energiaga: suurema -energiaga footonid (lühemad lainepikkused, nagu sinine) tekitatakse suurema ribalaiusega, samas kui madalama -energiaga footonid (pikemad lainepikkused, nagu punane) tekitatakse väiksema ribalaiusega.
Pooljuhtide klassifitseerimiseks kasutatakse ribalaiuse tüüpi:
Otsese ribalaiusega materjalid: need materjalid sobivad suurepäraselt LED-ide jaoks, kuna elektronid ja augud taasühendavad valguse loomiseks tõhusalt.
Kaudse ribalaiusega materjalid: rekombinatsioon nõuab võre vibratsioonist tulenevat lisaenergiat, mis põhjustab ebapiisava valguse emissiooni.
Teatud toonide saamiseks saavad tehnoloogid ribalaiust{0}}peenhäälestada, muutes pooljuhtsulamite koostist. Näiteks emissioon üle nähtava spektri on võimalik, kui komponente segatakse täpses vahekorras. Sinine LED on tavaliselt kombineeritud luminofoorkatetega, mis muudavad osa sinise valguse laiema ulatusega lainepikkusteks, et tekitada valget valgust.
Dopingu ja ristmike kavandamine valgustootmise optimeerimiseks
Valgust toodetakse p-n-siirdes, mis on negatiivselt laetud (n-tüüp) ja positiivselt laetud (p-tüüpi) pooljuhtkihtide vaheline liides. Tõhusust mõjutavad oluliselt selle ristmiku kvaliteet ja doping või tahtlik lisandite lisamine:
Doping
P--tüüpi doping lisab "aukude" (positiivsete laengukandjate) loomiseks aatomeid, milles on vähem elektrone kui pooljuhis.
Lisades aatomitesse täiendavaid elektrone, tekitab n--tüüpi doping elektronide ülejääki.
Elektronid ja augud valguvad ristmikusse, kui pinget antakse, valguse tekitamiseks taasühendades.
Rekombinatsiooni efektiivsus:
Soovitav kiirgusrekombinatsiooniprotsess vabastab elektronide ja aukude segunemisel footoneid.
Mitte-kiirguse rekombinatsioon (soovimatu): defektid või lisandid põhjustavad energia raiskamist soojusena.
Tänu kõrge{0}}puhtusastmega pooljuhtkristallidele ja keerukatele tootmisprotsessidele, mis vähendavad vigu, muudetakse rohkem energiat valguseks.
Junction Engineering: rekombinatsiooni efektiivsuse suurendamiseks piiravad kaasaegsed LED-id elektronide ja aukude olemasolu aktiivses piirkonnas, kasutades mitmekihilisi struktuure. Meetodite hulgas on järgmised:
Topeltheterostruktuurid: kasutatakse laiema ribalaiusega materjale, et ümbritseda aktiivkiht ja püüniskandjad.
Ultra-õhukesed kihid, mida nimetatakse kvantkaevudeks, piiravad elektronide liikumist, parandades kiirguse rekombinatsiooni ja võimaldades peene-teralise värvi reguleerimist.
Kihiline arhitektuur: valguse tootmise parandamine
Kasutatakse mitut pooljuhtkihtitäiustatud LED-kujundusedjõudluse parandamiseks:
Valgust tootvat kihti nimetatakse "aktiivseks piirkonnaks". Rekombinatsioonikiirused ja footoni energia määratakse selle paksuse ja koostisega.
Kinnituskihid: kanduri lekke peatamiseks ümbritsevad aktiivset piirkonda suurema ribalaiusega materjalid.
Läbipaistvad juhtivad materjalid, mida nimetatakse "voolu levivateks{0}}kihtideks", hajutavad ühtlaselt elektrivoolu, vähendades takistust ja soojuse akumuleerumist.
Peegeldavad kihid: konstruktsioonid, mis suurendavad üldist heledust, suunates sisemiselt kinni jäänud valguse pinna poole.
Üheskoos tagavad need kihid tõhusa elektron{0}}aukude interaktsiooni, vähendades samal ajal energiakadusid.
Füüsiline arhitektuur: tõhus valguse eraldamine
Valgusdioodide puhul on suur projekteerimisraskus tagada, et tekkiv valgus väljub pooljuhist. Suur osa valgusest peegeldub pooljuhtmaterjalides nende kõrge murdumisnäitaja tõttu sisemiselt. Seda käsitletakse struktuuriuuenduste kaudu:
Pinna tekstureerimine: valgust hajutab karestatud pooljuhtpind, mis vähendab sisemist peegeldust ja suurendab ekstraheerimise efektiivsust.
Geomeetriline kujundamine: Valgus on suunatud väljapoole kumerate või nurga all olevate pindadega.
Objektiivi integreerimine: valguse väljund teravustab ja võimendab LED-i ümbritsemisega kuplikujulise{0}}objektiiviga.
Nende meetodite kasutamine tagab, et soojusena raiskamise asemel toodetakse rohkem footoneid ja need aitavad kaasa kasulikule valgustusele.
Soojuskontroll: efektiivsuse säilitamine
Eluiga ja tõhususLED kolmekindel valgustineid mõjutab kuumus oluliselt. Ülekuumenemine võib muuta värvi, muutes kiirguse lainepikkust ja kiirendades mitte-kiirguslikku rekombinatsiooni, mis vähendab heledust. Olulised taktikad hõlmavad järgmist:
Kõrge soojusjuhtivusega aluspinnad on ained, mis eraldavad kiiresti soojust aktiivsest piirkonnast.
Metallosad, mis neelavad ja kiirgavad soojust, on tuntud kui jahutusradiaatorid.
Kujundusi, mis vähendavad pooljuhi ja välismaailma vahelist kuumakindlust, nimetatakse täiustatud pakenditeks.
Stabiilse värviväljundi ja pikenenud LED-i eluea tagab tõhus soojusjuhtimine.
Komplekssed pooljuhtarhitektuurid
LED-tulede jõudluse piire nihutavad esilekerkivad tehnoloogiad:
Nanostruktureeritud pooljuhid koosnevad pisikestest juhtmetest või punktidest, mis parandavad valguse eraldamist ja minimeerivad vigu.
Anorgaaniliste ja orgaaniliste pooljuhtide kombinatsioone eriliste optiliste omaduste ärakasutamiseks nimetatakse hübriidmaterjalideks.
Paindlik kujundus: kantava tehnoloogia LED-id ja kumerad kuvarid on võimalikud õhukeste painduvate pooljuhtide abil.
Tõhusust, värvide puhtust ja rakenduste kohandatavust on kõik need arendused mõeldud veelgi suurendama.
