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二極管(6)為什麼LED能發光,但是普通二極管不行

LED是被稱為"發光二極管"的半導體

名稱取自"Light Emitting Diode" 的首字母。1993年基于氮化镓制造出的高亮度藍色LED實作商用化,随之制造出白色LED,該白色LED作為第4照明光源備受注目。

二極管(6)為什麼LED能發光,但是普通二極管不行

發光二極管(英語:light-emitting diode,LED)是一種半導體光源,當電流通過它時會發光;即一種電緻發光的半導體電子器件,其内電子與電子空穴複合,以光子的形式釋放能量。

二極管(6)為什麼LED能發光,但是普通二極管不行

發光二極管結構的核心部分是p-n結,周邊部分有環氧樹脂密封其引線與架構以保護内部芯線。當p-n結通以正向電流時,能發射可見或非可見輻射,此輻射為透過三價與五價元素所組成複合光源。

發光二極管隻能夠往一個方向導通(通電),叫作正向偏置;當電流流過時,電子與空穴(電子空穴)在其内複合而發出單色光,這叫“電緻發光效應”;而光線的波長、顔色跟其所采用的半導體物料種類與故意摻入的元素雜質有關。發光二極管具有效率高、壽命長、不易破損、反應速度快、可靠性高等傳統光源不及的優點。

發光二極管于1962年出現時,隻能發出低光度的紅光,被惠普買下專利後當作訓示燈利用。其後發展出其他單色光的版本,時至今日,能夠發出的光已經遍及可見光、紅外線及紫外線,光度亦提高到相當高的程度。随着白光發光二極管的出現,用途已由初期的訓示燈及顯示闆等訓示用途,逐漸發展至近年的照明用途。白光LED的發光效率近期亦有所進步,其每千流明成本,因大量資金投入已使價格下降,近年在照明用途上愈趨普及。

LED是如何被發明出來的

LED(發光二極管)的發明是一個多階段的過程,涉及許多科學家的貢獻。以下是LED發明的一些關鍵曆史時刻:

  1. 早期理論和實驗:
  • 1907年:英國科學家H.J. Round首次觀察到半導體材料碳化矽(SiC)在通電時發光。這是第一次記錄到半導體材料的電緻發光現象。
  • 1920年代:俄國科學家Oleg Losev進一步研究了這種現象,并在1927年發表了有關LED原理的論文,但當時并未引起廣泛關注。
  • 實用LED的開發:
    • 1962年:Nick Holonyak Jr.,當時在通用電氣(GE)工作的工程師,發明了第一個實用的可見光LED(紅光LED)。Holonyak被譽為“LED之父”。
    • 1972年:M. George Craford,Holonyak的學生,發明了第一個黃色LED,并大大提高了紅色和橙色LED的亮度。他在氮化镓磷(GaAsP)材料的基礎上進行了改進,使LED的亮度提高了十倍。
    • 1970年代和1980年代:不斷發展的技術使得更多顔色的LED問世,包括綠色、黃色和橙色LED。
  • 藍光LED的突破:
    • 1990年代:日立和Nichia公司的科學家,特别是Shuji Nakamura,發明了高亮度的藍光LED。這是使用氮化镓(GaN)材料的重大突破。藍光LED的發明使得全彩顯示器和白光LED成為可能。
    • 2014年:Shuji Nakamura、Isamu Akasaki和Hiroshi Amano因在藍光LED方面的貢獻而獲得諾貝爾實體學獎。
  • 白光LED的開發:
    • 白光LED通常通過将藍光LED與熒光粉結合來實作。藍光LED發出的藍光激發熒光粉,熒光粉再發出黃色光,兩者結合産生白光。

    LED技術的不斷進步不僅在可見光範圍内産生了多種顔色的LED,還擴充到紫外線和紅外線範圍。如今,LED在顯示器、照明、訓示燈和通信等多個領域都有廣泛應用。如果你對某個特定階段或科學家的工作有更多興趣,可以告訴我,我會為你提供更詳細的資訊。

    2、為什麼LED能發光

    發光二極管是一種特殊的二極管。和普通的二極管一樣,發光二極管由半導體晶片組成,這些半導體材料會預先透過注入或攙雜等工藝以産生p、n架構。與其它二極管一樣,發光二極管中電流可以輕易地從p極(陽極)流向n極(陰極),而相反方向則不能。兩種不同的載流子:空穴和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向p、n架構。當空穴和電子相遇而産生複合,電子會跌落到較低的能階,同時以光子的模式釋放出能量(光子也即是我們常稱呼的光)。

    它所發射出的光的波長(顔色)是由組成p、n架構的半導體物料的禁帶能量決定。由于矽和鍺是間接帶隙材料,在常溫下,這些材料内電子與空穴的複合是非輻射躍遷,此類躍遷沒有釋出光子,而是把能量轉化為熱能,是以矽和鍺二極管不能發光(在極低溫的特定溫度下則會發光,必須在特殊角度下才可發現,而該發光的亮度不明顯)。發光二極管所用的材料都是直接帶隙型的,是以能量會以光子形式釋放,這些禁帶能量對應着近紅外線、可見光、或近紫外線波段的光能量。

    發展初期,采用砷化镓(GaAs)的發光二極管隻能發射出紅外線或紅光。随着材料科學的進步,新研發成功的發光二極管能夠發射出頻率越來越高的光波。現今,已可制成各種顔色的發光二極管。

    二極管通常建構于N型襯底,在其表面沉積一層P型半導體,用電極連結在一起。P型襯底比較不常見,但也有被使用。很多商業發光二極管,特别是GaN/InGaN,也會使用藍寶石襯底。

    大多數用來制成發光二極管的物質具有非常高的折射率。這意味着大部分光波會在物質與空氣的接口會被反射回物質,是以,光波萃取對于發光二極管是很重要的論題,大量研究與發展都聚焦于這論題。

    LED(發光二極管)和普通二極管的主要差別在于它們的材料和結構,導緻它們在電能轉化為光能的效率上有顯著不同。以下是一些關鍵點解釋為什麼LED能發光,而普通二極管不能:

    1. 材料不同:LED使用的是III-V族半導體材料,如砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN)等。這些材料具有直接帶隙(direct bandgap),允許電子直接躍遷并釋放光子(光)。普通二極管通常使用矽或鍺,這些材料具有間接帶隙(indirect bandgap),電子的躍遷主要以釋放熱能的形式發生,而不是光。
    2. 結構不同:LED的結構設計是為了優化光的生成和發射。LED通常在p-n結處加入特定的摻雜劑和層結構,以促進光子的産生和釋放。而普通二極管的設計是為了優化電流的整流功能,并不注重光的産生。
    3. 能量帶隙:LED的材料具有較大的帶隙能量,這意味着電子在躍遷過程中釋放的能量足夠高,可以以光的形式顯現出來。普通二極管的材料帶隙能量較小,電子躍遷時主要以熱能形式釋放。
    4. 發光機制:當LED的p-n結在正向偏置下,電子從n區移動到p區,與空穴複合,能量以光子的形式釋放,産生光。而在普通二極管中,電子和空穴的複合主要以非輻射複合的形式進行,即能量以熱的形式釋放。

    這些差異使得LED可以在工作時發光,而普通二極管則不能。

    3、如何提高LED的發光效率?

    提高LED(發光二極管)發光效率的方法涉及多個方面,包括材料選擇、結構設計和制造技術。以下是一些主要政策:

    1. 優化材料選擇

    • 高效發光材料:使用高光效的半導體材料,如氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)和磷化镓(GaP)。這些材料具有較大的帶隙,可以有效地将電能轉換為光能。
    • 摻雜技術:通過摻雜特定的元素(如鋁、镓、氮)來調整材料的光學性能,進而提高LED的發光效率。

    2. 改進結構設計

    • 優化p-n結設計:通過改進p-n結的結構,優化電子和空穴的複合效率,進而提高發光效率。
    • 光學設計:設計高效的光學結構,如光學透鏡和光學腔體,以減少光的損失并提高光的輸出。

    3. 提高封裝技術

    • 光學封裝:使用高透光率的封裝材料,如矽膠或環氧樹脂,以減少光在封裝過程中被吸收或散射。
    • 反射層:在LED封裝中加入反射層,以反射未能有效發出的光,提高光的整體輸出。

    4. 改進制造技術

    • 降低缺陷密度:通過優化制造技術,減少晶體缺陷和材料雜質,進而提高LED的發光效率和穩定性。
    • 提高量子效率:提高LED晶片的量子效率(QE),即電能轉化為光能的比例,減少非輻射複合。

    5. 散熱管理

    • 改進散熱設計:有效的散熱管理可以減少LED工作時的溫度,防止由于過熱而導緻的光衰減。使用高導熱材料和設計有效的散熱結構,如散熱片和冷卻風扇。

    6. 調節電流和驅動方式

    • 适當電流:控制電流,以避免過高電流引起的效率降低。采用恒流驅動可以保持LED在最佳工作狀态。
    • 驅動電路優化:優化LED驅動電路的設計,提高電能的轉換效率,減少能量損耗。

    7. 量子點和熒光粉技術

    • 量子點技術:在LED中引入量子點,可以改善顔色純度和光效。
    • 熒光粉塗層:對于白光LED,優化熒光粉的配方和塗布工藝,可以提高光效和顔色品質。

    4、黃光LED

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    創新路上,永無止境,江風益從不敢停歇,從“跟”到“追”,再到“超”。2011年,他和團隊拓展了研究方向——LED高端裝備(MOCVD系統)的研制開發,并于2014年研制成功生産型MOCVD裝置(37片機和61片機),其中裝置的心髒——反應管實作了自主創新,用此裝置生産的矽襯底藍光LED,其電光轉換效率與采用進口裝置生産的藍寶石襯底藍光LED的國際先進水準持平;2016年,他和團隊用此裝置研發的黃光LED取得了曆史性突破,其電光轉換效率達到21.5%,遠高于國外公開報道或可查詢到的最高水準(9.63%),2019年他們将此光效提高到27.9%;2020年,他們所研制的微紅光LED光效國際領先。這些發明創造,使大陸LED技術在國際上處于“部分領跑”地位。

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