เนื่องจากการประหยัดพลังงาน ความทนทาน และความสามารถในการสร้างสี -ไดโอดเปล่งแสง หรือ LED ที่แม่นยำ จึงเป็นองค์ประกอบสำคัญของแสง จอแสดงผล และเทคโนโลยีร่วมสมัย โครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งควบคุมประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นแสงและความยาวคลื่น (สี) ที่ปล่อยออกมานั้น มีความสำคัญต่อการดำเนินงาน แทนที่จะมุ่งเน้นไปที่สูตรหรือตัวอย่างวัสดุเฉพาะ บทความนี้จะตรวจสอบความเชื่อมโยงระหว่างการออกแบบเซมิคอนดักเตอร์ ประสิทธิภาพ และเอาต์พุตสีโดยการเน้นแนวคิดเชิงโครงสร้าง
Semiconductor Bandgap: รากฐานของการปล่อยสี
แถบความถี่ของเซมิคอนดักเตอร์หรือค่าพลังงานที่แตกต่างกันระหว่างแถบเวเลนซ์ที่ยังมีอิเล็กตรอนอยู่ และแถบการนำไฟฟ้าที่อิเล็กตรอนเดินทางอย่างอิสระ ถือเป็นตัวกำหนดเฉดสีของแสงที่ LED ปล่อยออกมา โฟตอนคือพลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากแถบการนำไฟฟ้าไปยังแถบเวเลนซ์ ความยาวคลื่น (สี) ของโฟตอนนี้เกี่ยวข้องโดยตรงกับพลังงานแถบความถี่ของมัน: โฟตอนพลังงานที่สูงกว่า- (ความยาวคลื่นที่สั้นกว่า เช่น สีน้ำเงิน) ถูกสร้างขึ้นโดยแถบความถี่ที่ใหญ่กว่า ในขณะที่โฟตอนที่-พลังงานที่ต่ำกว่า (ความยาวคลื่นที่ยาวกว่า เช่น สีแดง) ถูกสร้างขึ้นโดยแถบความถี่ที่เล็กกว่า
เซมิคอนดักเตอร์ประเภท bandgap ใช้เพื่อจำแนกประเภท:
วัสดุ bandgap โดยตรง: วัสดุเหล่านี้เหมาะสำหรับ LED เนื่องจากอิเล็กตรอนและรูรวมตัวกันอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อสร้างแสง
วัสดุที่มีแถบความถี่ทางอ้อม: การรวมตัวกันใหม่จำเป็นต้องมีพลังงานเพิ่มเติมจากการสั่นสะเทือนของโครงตาข่าย ซึ่งนำไปสู่การปล่อยแสงที่ไม่เพียงพอ
เพื่อให้ได้เฉดสีที่ต้องการ นักเทคโนโลยีสามารถ-ปรับแต่ง bandgap โดยการเปลี่ยนองค์ประกอบของโลหะผสมเซมิคอนดักเตอร์ ตัวอย่างเช่น การแผ่รังสีข้ามสเปกตรัมที่มองเห็นได้จะเกิดขึ้นได้เมื่อมีส่วนประกอบต่างๆ ผสมกันในอัตราส่วนที่แน่นอน โดยปกติแล้ว LED สีน้ำเงินจะรวมกับสารเคลือบฟอสเฟอร์ ซึ่งจะแปลงแสงสีน้ำเงินบางส่วนให้เป็นความยาวคลื่นที่มีช่วงกว้างขึ้น เพื่อสร้างแสงสีขาว
การออกแบบสารต้องห้ามและทางแยกเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตแสง
แสงถูกสร้างขึ้นที่ทางแยก p-n ซึ่งเป็นจุดเชื่อมต่อระหว่างชั้นเซมิคอนดักเตอร์ที่มีประจุลบ (ชนิด n-) และประจุบวก (ชนิด p-) ประสิทธิภาพได้รับผลกระทบอย่างมากจากคุณภาพของจุดเชื่อมต่อนี้และการเติม หรือการเติมสิ่งเจือปนโดยเจตนา:
ยาสลบ
การโด๊ปประเภท P- จะเพิ่มอะตอมที่มีอิเล็กตรอนน้อยกว่าเซมิคอนดักเตอร์เพื่อสร้าง "รู" (พาหะประจุบวก)
ด้วยการเติมอะตอมด้วยอิเล็กตรอนเพิ่มเติม การเติมชนิด n- จะทำให้เกิดอิเล็กตรอนส่วนเกิน
อิเล็กตรอนและรูจะไหลเข้าไปในจุดเชื่อมต่อเมื่อมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้า และรวมตัวกันอีกครั้งเพื่อผลิตแสง
ประสิทธิภาพของการรวมตัวใหม่:
กระบวนการรวมตัวของการแผ่รังสีที่น่าพอใจจะปล่อยโฟตอนออกมาเมื่ออิเล็กตรอนและรูผสมกัน
การรวมตัวด้วยการแผ่รังสีที่ไม่ใช่- (ไม่พึงประสงค์): ข้อบกพร่องหรือสิ่งเจือปนทำให้พลังงานสูญเสียไปในรูปของความร้อน
พลังงานที่มากขึ้นถูกเปลี่ยนเป็นแสงด้วยคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความบริสุทธิ์สูง-และกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนซึ่งช่วยลดข้อบกพร่อง
วิศวกรรมทางแยก: เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการรวมตัวกันใหม่ ไฟ LED สมัยใหม่จะจำกัดอิเล็กตรอนและรูภายในพื้นที่แอคทีฟโดยใช้โครงสร้างหลายชั้น ในบรรดาวิธีการต่างๆ ได้แก่:
โครงสร้างเฮเทอโรแบบคู่: การใช้วัสดุที่มีแถบความถี่กว้างขึ้นเพื่อล้อมรอบชั้นที่ใช้งานอยู่และตัวพากับดัก
ชั้นบางพิเศษ-ที่เรียกว่าหลุมควอนตัมจำกัดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ปรับปรุงการรวมตัวกันของการแผ่รังสี และช่วยให้สามารถปรับ-สีเกรนละเอียดได้
สถาปัตยกรรมแบบชั้น: การปรับปรุงการผลิตแสง
มีการใช้สารกึ่งตัวนำหลายชั้นการออกแบบ LED ขั้นสูงเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ:
ชั้นที่สร้างแสงเรียกว่า "บริเวณที่มีพลัง" อัตราการรวมตัวกันใหม่และพลังงานโฟตอนถูกกำหนดโดยความหนาและองค์ประกอบของมัน
ชั้นกักขัง: เพื่อหยุดการรั่วไหลของพาหะ วัสดุที่มีแถบความถี่มากกว่าจะล้อมรอบพื้นที่ที่ใช้งาน
วัสดุนำไฟฟ้าโปร่งใสที่เรียกว่า "ชั้นที่กระจายกระแส"- จะกระจายกระแสไฟฟ้าอย่างสม่ำเสมอ ความต้านทานและการสะสมความร้อนลดลง
ชั้นสะท้อนแสง: โครงสร้างที่เพิ่มความสว่างโดยรวมโดยการเปลี่ยนเส้นทางแสงที่ติดอยู่ภายในไปยังพื้นผิว
เมื่อรวมกันแล้ว ชั้นเหล่านี้รับประกันการมีปฏิสัมพันธ์ของรูอิเล็กตรอน-ที่มีประสิทธิภาพพร้อมทั้งลดการสูญเสียพลังงาน
สถาปัตยกรรมทางกายภาพ: การสกัดแสงอย่างมีประสิทธิภาพ
การตรวจสอบให้แน่ใจว่าแสงที่ผลิตออกจากเซมิคอนดักเตอร์ถือเป็นปัญหาหลักในการออกแบบ LED แสงส่วนใหญ่สะท้อนภายในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เนื่องจากมีดัชนีการหักเหของแสงสูง ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขด้วยนวัตกรรมเชิงโครงสร้าง:
พื้นผิว: แสงกระเจิงโดยพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์ที่หยาบ ซึ่งลดการสะท้อนภายในและเพิ่มประสิทธิภาพในการสกัด
การสร้างรูปทรงเรขาคณิต: แสงถูกส่องออกไปด้านนอกด้วยพื้นผิวโค้งหรือมุม
การรวมเลนส์: เอาต์พุตแสงจะถูกโฟกัสและขยายโดยการล้อม LED ไว้ในเลนส์รูปทรงโดม-
ด้วยการใช้วิธีการเหล่านี้ จะรับประกันได้ว่าโฟตอนจะถูกผลิตออกมามากขึ้นและมีส่วนช่วยในการให้แสงสว่างที่มีประโยชน์ แทนที่จะถูกสลายไปในรูปของความร้อน
การควบคุมความร้อน: การรักษาประสิทธิภาพ
อายุการใช้งานและประสิทธิภาพของไฟ LED ไตรหลักฐานได้รับผลกระทบจากความร้อนอย่างมาก ความร้อนสูงเกินไปสามารถเปลี่ยนสีได้โดยการเปลี่ยนความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมา และเร่งการรวมตัวแบบไม่ใช้รังสีให้เร็วขึ้น ซึ่งจะทำให้ความสว่างลดลง กลยุทธ์ที่สำคัญประกอบด้วย:
พื้นผิวที่มีค่าการนำความร้อนสูงคือสารที่ปล่อยความร้อนออกจากบริเวณที่ใช้งานได้อย่างรวดเร็ว
ชิ้นส่วนโลหะที่ดูดซับและแผ่ความร้อนเรียกว่าแผ่นระบายความร้อน
การออกแบบที่ลดความต้านทานความร้อนระหว่างเซมิคอนดักเตอร์และโลกภายนอกเรียกว่าบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง
เอาต์พุตสีที่เสถียรและอายุการใช้งาน LED ที่ยาวนานขึ้นรับประกันโดยการจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพ
สถาปัตยกรรมเซมิคอนดักเตอร์ที่ซับซ้อน
ขีดจำกัดของประสิทธิภาพของ LED กำลังถูกผลักดันโดยเทคโนโลยีเกิดใหม่:
เซมิคอนดักเตอร์ที่มีโครงสร้างนาโนประกอบด้วยเส้นลวดหรือจุดเล็กๆ ที่ช่วยปรับปรุงการแยกแสงและลดข้อบกพร่องให้เหลือน้อยที่สุด
การรวมกันของเซมิคอนดักเตอร์อนินทรีย์และอินทรีย์เพื่อใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางแสงพิเศษเรียกว่าวัสดุไฮบริด
การออกแบบที่ยืดหยุ่น: LED สำหรับเทคโนโลยีที่สวมใส่ได้และจอแสดงผลแบบโค้งเกิดขึ้นได้จากเซมิคอนดักเตอร์ที่บางและยืดหยุ่น
ประสิทธิภาพ ความบริสุทธิ์ของสี และความสามารถในการปรับเปลี่ยนการใช้งานล้วนมีจุดประสงค์เพื่อปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้นโดยการพัฒนาเหล่านี้
