LED ทำงานอย่างไร?

LED ทำงานอย่างไร?

แม้จะถูกนำมาใช้ในหลายแง่มุมของชีวิตสมัยใหม่ เช่น การส่องสว่างในบ้านของเรา การจ่ายไฟให้กับหน้าจอสมาร์ทโฟน และการควบคุมการจราจร -ไดโอดเปล่งแสง (LED) แตกต่างจากเทคโนโลยีการให้แสงสว่างทั่วไป เช่น หลอดไส้หรือหลอดฟลูออเรสเซนต์ เนื่องจากฟิสิกส์ของเซมิคอนดักเตอร์ที่ซับซ้อนไฟ LEDใช้กระบวนการที่เรียกว่า electroluminescence ซึ่งเป็นการปล่อยโฟตอน (อนุภาคแสง) เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ทำขึ้นเป็นพิเศษ ซึ่งตรงกันข้ามกับหลอดไส้ซึ่งผลิตแสงโดยการให้ความร้อนแก่เส้นใย หรือหลอดฟลูออเรสเซนต์ซึ่งใช้ก๊าซและรังสียูวี ก่อนอื่น เราต้องตรวจสอบพื้นฐานของเซมิคอนดักเตอร์ การออกแบบ LED และขั้นตอนตามลำดับที่แปลงไฟฟ้าเป็นแสงที่มองเห็นได้ เพื่อทำความเข้าใจว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร

พื้นฐาน: แถบพลังงานและอุปกรณ์กึ่งตัวนำ

LED ทุกดวงใช้พลังงานจากเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งเป็นสารที่นำไฟฟ้าได้ต่ำกว่าตัวนำ (เช่น ทองแดง) แต่ดีกว่าฉนวน (เช่น แก้ว) แถบพลังงานของอิเล็กตรอน-พื้นที่พลังงานที่อิเล็กตรอนสามารถครอบครองได้-มีความสำคัญต่อพฤติกรรมเฉพาะตัวของเซมิคอนดักเตอร์ อิเล็กตรอนมีระดับพลังงานที่แตกต่างกันในวัสดุทุกชนิด แต่ในของแข็ง ระดับเหล่านี้จะรวมกันเป็นแถบหลักสองแถบ: แถบการนำไฟฟ้าและแถบเวเลนซ์
 

อะตอมของวัสดุถูกยึดไว้ด้วยกันในโครงสร้างผลึกโดยอิเล็กตรอนในแถบเวเลนซ์ ซึ่งเกาะติดกับอะตอมอย่างแน่นหนา การนำไฟฟ้าเกิดขึ้นได้โดยอิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้าซึ่งมีอิสระที่จะไหลผ่านสาร ช่องว่างของแถบความถี่ซึ่งเป็นช่วงของพลังงานที่อิเล็กตรอนไม่สามารถอาศัยอยู่ได้นั้นมีอยู่ระหว่างสองแถบนี้ ขนาดช่องว่างแถบความถี่ของวัสดุเป็นตัวกำหนดว่าเป็นฉนวน ตัวนำ หรือเซมิคอนดักเตอร์ โดยเซมิคอนดักเตอร์จะมีช่องว่างแถบเล็กๆ ที่สามารถวัดได้ (อิเล็กตรอนสามารถข้ามช่องว่างนั้นได้ด้วยพลังงานป้อนเข้าเพียงเล็กน้อย เช่น กระแสไฟฟ้า) ตัวนำไม่มีช่องว่างแถบความถี่ (อิเล็กตรอนเคลื่อนที่อย่างอิสระระหว่างแถบ) และฉนวนมีช่องว่างแถบขนาดใหญ่มาก (ทำให้อิเล็กตรอนข้ามไปยังแถบการนำไฟฟ้าได้ยาก)

เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ใน LED เป็นแบบ "เจือ" ซึ่งเป็นขั้นตอนที่ปรับเปลี่ยนคุณลักษณะทางไฟฟ้าของวัสดุโดยการเพิ่มปริมาณสิ่งสกปรกเล็กน้อย เซมิคอนดักเตอร์ทั้งชนิด n- และชนิด p- ผลิตขึ้นโดยการเติม เมื่อองค์ประกอบที่มีอิเล็กตรอนเพิ่มเติม เช่น ฟอสฟอรัส ถูกเจือเข้าไปในเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N- พวกมันจะมีอิสระที่จะเคลื่อนที่ในแถบการนำไฟฟ้า และทำให้วัสดุมีประจุลบสุทธิ องค์ประกอบที่มีอิเล็กตรอนน้อยกว่า เช่น โบรอน จะถูกใช้ในการเติมเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P- ซึ่งส่งผลให้เกิด "รู" หรืออิเล็กตรอนหายไปในแถบเวเลนซ์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นประจุบวกและสามารถผ่านวัสดุได้ในขณะที่อิเล็กตรอนเติมเต็มพวกมัน LED ทำงานเนื่องจากจุดเชื่อมต่อ p-n ซึ่งเป็นจุดตัดของบริเวณที่เจือทั้งสองนี้
โครงสร้างของ LED: จากเอาต์พุตแสงไปจนถึงทางแยก P-N

การออกแบบ LED ที่ตรงไปตรงมาแต่แม่นยำช่วยเพิ่มแสงสว่างให้สูงสุดในขณะที่ลดการสูญเสียพลังงาน จุดเชื่อมต่อ p-n ตั้งอยู่ในชั้นบางๆ ของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะมีแกลเลียม-เป็นส่วนประกอบ เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์หรือแกลเลียมไนไตรด์ สารตั้งต้นซึ่งเป็นวัสดุรองพื้นที่ให้การสนับสนุนและช่วยในการกระจายความร้อนคือส่วนที่ติดชั้นเซมิคอนดักเตอร์นี้ นี่เป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากความร้อนสูงเกินไปอาจทำให้อายุการใช้งานของ LED สั้นลง

อิเล็กโทรดตัวหนึ่งติดอยู่กับบริเวณประเภท p- (ขั้วบวก ขั้วบวก) และอีกขั้วหนึ่งติดอยู่กับบริเวณประเภท n- (ขั้วแคโทด ขั้วลบ) ที่ด้านบนของชั้นเซมิคอนดักเตอร์ สนามไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นข้ามจุดเชื่อมต่อ p-n เมื่อมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าผ่านอิเล็กโทรดเหล่านี้ (แคโทดเป็นลบและแอโนดเป็นบวก) อิเล็กตรอนอิสระของเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n- ถูกผลักไปยังจุดเชื่อมต่อด้วยสนามนี้ ในขณะที่รูของเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p- จะถูกวาดไปในทิศทางเดียวกัน

เพื่อให้แสงที่สร้างขึ้นที่ทางแยก p-n ​​หลุดออกไป ชั้นเซมิคอนดักเตอร์จะต้องโปร่งใสหรือกึ่ง-โปร่งใส (หรือมีชั้นสะท้อนแสงอยู่ที่ด้านหนึ่ง) ทันสมัยไฟ LEDใช้วัสดุ เช่น แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ซึ่งโปร่งใสต่อแสงที่มองเห็นได้ และรับประกันว่าโฟตอนส่วนใหญ่จะเข้าถึงพื้นผิว ตรงกันข้ามกับ LED ในยุคแรกๆ ซึ่งมักใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ทึบแสงซึ่งจำกัดแสงที่ส่องออกมา จุดเชื่อมต่อ p-n ของเซมิคอนดักเตอร์คือจุดที่กระบวนการสร้างแสงหลัก-เกิดขึ้น แม้ว่า LED บางดวงจะมีเลนส์หรือสารเคลือบเพื่อเน้นแสงหรือเปลี่ยนสีก็ตาม

ขั้นตอนที่ 1: การใช้อิเล็กตรอน-การรวมรูใหม่และแรงดันไฟฟ้า

แรงดันไฟฟ้าภายนอกที่จ่ายให้กับอิเล็กโทรดของ LED จะเริ่มต้นกระบวนการเปล่งแสงโดยการสร้างไบแอสไปข้างหน้า ซึ่งเป็นทิศทางที่เหมาะสมสำหรับการไหลของกระแสสำหรับนำในการทำงาน; ในทางกลับกัน อคติย้อนกลับจะหยุดกระแสและไม่ทำให้เกิดแสงสว่าง อิเล็กตรอนอิสระจากพื้นที่ประเภท n- จะถูกเร่งเข้าสู่บริเวณประเภท p- และรูจากบริเวณประเภท p- จะถูกเร่งเข้าสู่บริเวณประเภท n- โดยสนามไฟฟ้าที่พาดผ่านจุดเชื่อมต่อ p-n เมื่อมีการใช้อคติไปข้างหน้า

ในที่สุดอิเล็กตรอนและรูเหล่านี้จะมารวมตัวกันที่หรือใกล้กับทางแยก p- เมื่อพวกมันเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน อิเล็กตรอนอิสระจากแถบการนำไฟฟ้าของพื้นที่ประเภท n- จะ "ตกลง" เข้าไปในรูเมื่อมันชนกับรูจากแถบเวเลนซ์ของบริเวณประเภท p- ซึ่งเปลี่ยนจากสถานะพลังงานที่สูงขึ้นในแถบการนำไฟฟ้าไปเป็นระดับพลังงานที่ต่ำกว่าในแถบเวเลนซ์ อิเล็กตรอนและรูจะหักล้างกันระหว่างการเปลี่ยนแปลงนี้ ซึ่งเรียกว่าการรวมตัวกันใหม่ และพลังงานส่วนเกินที่พวกมันสูญเสียไปจะถูกปล่อยออกมาเป็นโฟตอน
ขนาดของช่องว่างแถบความถี่ของเซมิคอนดักเตอร์ส่งผลโดยตรงต่อพลังงานของโฟตอน ซึ่งทำให้แสงมีสี โฟตอนที่มีพลังงานสูงกว่า (และความยาวคลื่นสั้นกว่า เช่น แสงสีน้ำเงินหรือสีม่วง) ถูกสร้างขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนกลับมารวมตัวกับรูและสูญเสียพลังงานมากขึ้นเนื่องจากช่องว่างของแถบความถี่ที่กว้างขึ้น โฟตอนที่มีความยาวคลื่นมากกว่า เช่น แสงสีแดงหรือสีส้ม และมีพลังงานน้อยกว่าจะถูกสร้างขึ้นจากช่องว่างของแถบความถี่ที่เล็กกว่า

ตัวอย่างเช่น:

เนื่องจากช่องว่างของแถบความถี่ที่แคบ แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) จึงปล่อยแสงสีแดงโดยมีความยาวคลื่นประมาณ 650 นาโนเมตร เนื่องจากช่องว่างของแถบความถี่ที่กว้างกว่า แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) จึงปล่อยแสงสีน้ำเงินหรือสีม่วงที่มีความยาวคลื่นประมาณ 450 นาโนเมตร

ผู้ผลิตสามารถปรับเปลี่ยนช่องว่างของแถบความถี่เพื่อสร้าง LED ที่สร้างแสงสีเขียว เหลือง หรือแม้แต่สีขาวโดยการรวมวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ต่างๆ (เช่น แกลเลียม อินเดียม ไนไตรด์ หรือ InGaN) (ดูข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ LED สีขาวด้านล่าง)

ขั้นตอนที่ 2: ประสิทธิภาพและการสกัดแสง

โฟตอนบางส่วนที่เกิดจากการรวมตัวกันใหม่จะถูกดูดซับโดยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เอง ในขณะที่โฟตอนอื่นๆ สะท้อนจากอิเล็กโทรดหรือจุดเชื่อมต่อ p- และถูกปล่อยออกมาเป็นความร้อน โฟตอนเหล่านี้ไม่ทั้งหมดออกจากนำเป็นแสงที่มองเห็นได้ นักออกแบบ LED ใช้กลยุทธ์หลายประการในการปรับปรุง "การแยกแสง" เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด:

วัสดุพิมพ์ที่โปร่งใส: แสงส่วนใหญ่ติดอยู่โดยวัสดุพิมพ์ทึบแสง (เช่น เจอร์เมเนียม) ที่ใช้ใน LED รุ่นแรกๆ พื้นผิวโปร่งใส เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์หรือแซฟไฟร์ ถูกนำมาใช้ใน LED สมัยใหม่เพื่อให้โฟตอนเข้าถึงพื้นผิวได้
พื้นผิวที่มีพื้นผิว: เพื่อลดปริมาณแสงที่สะท้อนกลับเข้าไปในวัสดุ พื้นผิวของเซมิคอนดักเตอร์มักถูกสลักด้วยลวดลายเล็กๆ น้อยๆ เช่น รอยนูนหรือร่อง การเปลี่ยนมุมที่แสงตกกระทบพื้นผิว จะช่วยเพิ่มโอกาสที่แสงจะหลุดออกไปแทนที่จะสะท้อนกลับ

ชั้นสะท้อนแสง: ด้านหลังของเซมิคอนดักเตอร์ถูกปกคลุมด้วยชั้นสะท้อนแสงบาง ๆ ซึ่งมักประกอบด้วยโลหะ เช่น อลูมิเนียมหรือเงิน ชั้นนี้จะเพิ่มปริมาณแสงที่ออกจาก LED โดยการสะท้อนโฟตอนที่อาจสูญเสียไปผ่านสารตั้งต้นกลับไปทางด้านหน้าของ LED

แม้ว่าจะน้อยกว่าหลอดไส้มาก แต่พลังงานบางส่วนยังคงสูญเสียไปในรูปของความร้อนแม้จะมีความก้าวหน้าเหล่านี้ก็ตาม พลังงานเพียง 10–25% สูญเสียไปในรูปของความร้อนใน LED โดย 75–90% ของพลังงานถูกเปลี่ยนเป็นแสง เทียบกับ 90–95% ในหลอดไส้ เนื่องจากมีประสิทธิภาพเป็นเลิศ LED จึงใช้พลังงานน้อยกว่าไฟทั่วไปมาก

ไฟ LED สีขาวทำงานอย่างไร: สถานการณ์ที่ไม่เหมือนใคร

ไฟ LED ส่วนใหญ่จะปล่อยแสงสีเดียวหรือแสงสีเดียว แต่ไฟ LED สีขาวซึ่งใช้ในไฟหน้า ทีวี และไฟบ้าน จำเป็นต้องมีกลยุทธ์ที่แตกต่างออกไป เนื่องจากไม่มีวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างของแถบที่สร้างแสงสีขาวโดยตรง แต่ไฟ LED สีขาวใช้หนึ่งในสองเทคนิคหลัก:

การแปลงฟอสฟอรัส: เป็นสีน้ำเงินนำ(ทำจากแกลเลียมไนไตรด์) ที่ปกคลุมด้วยฟอสเฟอร์สีเหลือง-สารที่ดูดซับแสงที่ความยาวคลื่นหนึ่งและเปล่งแสงอีกความยาวหนึ่ง- ถูกนำมาใช้ในเทคนิคที่ได้รับความนิยมมากที่สุด ฟอสเฟอร์จะดูดซับโฟตอนสีน้ำเงินบางส่วนที่ปล่อยออกมาจาก LED สีน้ำเงิน และ-ปล่อยโฟตอนสีเหลืองอีกครั้ง ดวงตาของเราตีความโฟตอนสีน้ำเงินที่เหลือเป็นแสงสีขาวเมื่อรวมกับโฟตอนสีเหลือง ผู้ผลิตเติมสารเรืองแสงสีแดงหรือเขียวในปริมาณเล็กน้อยบนสารเคลือบเพื่อเปลี่ยนอุณหภูมิสี หรือ "ความอบอุ่น" หรือ "ความเย็น" ของแสงสีขาว ตัวอย่างเช่น การเพิ่มแสงสีน้ำเงินเพิ่มเติมจะสร้างแสงสีขาวนวล (5,000K–6,500K) ในขณะที่การเพิ่มฟอสเฟอร์สีแดงจะสร้างแสงสีขาวโทนอุ่น (2,700K–3,000K)

การผสม RGB: เทคนิคที่ได้รับความนิยมน้อยกว่านี้รวม LED ที่แตกต่างกันสามดวง-สีแดง สีเขียว และสีน้ำเงิน- ไว้ในแพ็คเกจเดียว ทั้งสามสีรวมกันเพื่อสร้างแสงสีขาว (หรือเฉดสีอื่น ๆ ที่มองเห็นได้) โดยการปรับความสว่างของ LED แต่ละตัว แม้ว่าเทคนิคนี้จะมีราคาแพงกว่าการแปลงฟอสเฟอร์ แต่ก็ใช้ในสถานการณ์ที่ต้องการการจัดการสีที่แม่นยำ เช่น การจัดแสงบนเวทีหรือ-จอแสดงผลระดับไฮเอนด์

ความแตกต่างระหว่าง LED และระบบไฟแบบทั่วไป

การทราบวิธีการทำงานของ LED ช่วยให้เข้าใจได้ง่ายขึ้นว่าเหตุใดจึงทำงานได้ดีกว่าหลอดฟลูออเรสเซนต์และหลอดไส้ในเกือบทุกหมวดหมู่:

ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน: LED ใช้ไฟฟ้าเรืองแสงซึ่งมีประสิทธิภาพตามธรรมชาติ ซึ่งแตกต่างจากหลอดไส้ซึ่งใช้พลังงานในการทำความร้อนให้กับเส้นใย หลอดฟลูออเรสเซนต์จะไม่สิ้นเปลืองพลังงานในการผลิตรังสียูวี

อายุการใช้งานยาวนาน: LED ไม่ไหม้ง่ายเนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวหรือเส้นใยที่ละเอียดอ่อน ต่างจากหลอดไส้ซึ่งมีอายุการใช้งาน 1,000–2,000 ชั่วโมง LED มีอายุการใช้งาน 50,000–100,000 ชั่วโมง เนื่องจากการเสื่อมสภาพของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อย่างค่อยเป็นค่อยไปเมื่อเวลาผ่านไป

เปิด/ปิดทันที: ต่างจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ที่ต้องใช้เวลาไม่กี่วินาทีในการส่องสว่างให้หมด LED ไม่มีเวลาอุ่นเครื่อง-และเปิดใช้งานเพื่อให้ความสว่างเต็มที่ทันที

ความทนทาน: เพราะไฟ LEDเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบโซลิด-ที่สามารถทนต่อแรงกระแทก การสั่นสะเทือน และอุณหภูมิสูงได้ ซึ่งทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานกลางแจ้งหรือในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง (เช่น รถยนต์หรือโรงงาน)

อนาคตของเทคโนโลยี LED

การพัฒนาใหม่กำลังเพิ่มศักยภาพของเทคโนโลยี LED ในขณะที่นักวิจัยและวิศวกรปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง ตัวอย่างเช่น:
QLED หรือ LED จุดควอนตัม: สิ่งเหล่านี้ปรับปรุงความสว่างและความแม่นยำของสีโดยใช้จุดควอนตัม ซึ่งเป็นอนุภาคเซมิคอนดักเตอร์ขนาดเล็ก นักวิจัยกำลังพยายามทำให้ QLED ประหยัดพลังงานมากขึ้น-สำหรับแสงทั่วไป และปัจจุบันพบได้ในทีวีระดับไฮเอนด์

ไมโคร LED: LED ขนาดเล็กเหลือเชื่อเหล่านี้ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงไม่กี่ไมโครเมตร สามารถจัดกลุ่มเป็นอาร์เรย์หนาแน่นเพื่อสร้างแสงที่ยืดหยุ่นหรือหน้าจอที่มีความละเอียดสูง- สมาร์ทโฟนและทีวีในอนาคตคาดว่าจะใช้ไมโคร LED แทน OLED เนื่องจากมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าและเอาต์พุตที่ดีกว่า

ไฟ LED ของ Perovskite: เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุที่ใช้แกลเลียม{0}}ทั่วไป Perovskite เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิดใหม่ซึ่งมีราคาถูกกว่าในการผลิต นักวิจัยกำลังพยายามเพิ่มความเสถียรของไฟ LED perovskite สำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ เนื่องจากได้แสดงให้เห็นถึงคำมั่นสัญญาในการให้แสงสว่างที่สว่างและมีประสิทธิภาพ

สรุปแล้ว

ไฟ LEDเป็นอุปกรณ์ที่ไม่ซับซ้อนมากซึ่งทำจากเซมิคอนดักเตอร์ที่มีการเจือด้วยจุดเชื่อมต่อ ap- ซึ่งใช้การรวมรูอิเล็กตรอน- เพื่อเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นแสง เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีระบบไฟส่องสว่างที่มีประสิทธิภาพและปรับเปลี่ยนได้มากที่สุดเท่าที่เคยมีการพัฒนามา แต่ความเรียบง่ายปกปิดความซับซ้อนของโครงสร้าง ซึ่งรวมถึงทุกอย่างตั้งแต่วิศวกรรมการแยกแสงไปจนถึงการควบคุมช่องว่างของแถบความถี่ที่แน่นอน การรู้ว่า LED ทำงานอย่างไรช่วยให้เราเข้าใจทั้งวิทยาศาสตร์ที่ซับซ้อนซึ่งเป็นรากฐานของ LED รวมถึงข้อดีที่เป็นประโยชน์ของ LED (อายุการใช้งานยาวนานขึ้น ต้นทุนพลังงานถูกกว่า) เมื่อเทคโนโลยี LED พัฒนาต่อไป ก็อาจมีส่วนช่วยมากยิ่งขึ้นในการลดการใช้พลังงานทั่วโลก การหยุดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ และมีอิทธิพลต่อการออกแบบแสงสว่างในอนาคต- ซึ่งแสดงให้เห็นว่าบางครั้งความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่สุดมาจากหลักการทางวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐานที่สุด

เซินเจิ้น Benwei ไลท์ติ้งเทคโนโลยี จำกัด
โทรศัพท์: +86 0755 27186329
มือถือ(+86)18673599565
วอทแอพ :19113306783
อีเมล:bwzm15@benweilighting.com
สไกป์:เบ็นไวไลท์88
เว็บ:www.benweilight.com