Светодиодные (светоизлучающие диоды) светильники в последние годы становятся все более популярными благодаря своей энергоэффективности, длительному сроку службы и универсальности. Чтобы понять, как светодиодные лампы производят свет, важно углубиться в основные физические принципы.
Что такое светодиод?
Светодиод — это полупроводниковый прибор, излучающий свет при прохождении через него электрического тока. Он состоит из крошечного чипа, известного как полупроводниковый диод, заключенного в прозрачную пластиковую линзу, фокусирующую свет.
Физические принципы
Функционирование светодиода основано на трех основных физических принципах: электролюминесценция, ширина запрещенной зоны и квантовая механика.
1. Электролюминесценция:
Электролюминесценция — это процесс, при котором материал излучает свет при прохождении через него электрического тока. В светодиодах это происходит на стыке двух полупроводниковых материалов.
Когда на светодиод подается прямое напряжение, электроны из материала N-типа (отрицательного) впрыскиваются в материал P-типа (положительного). Одновременно дырки из материала P-типа инжектируются в материал N-типа. Когда электроны и дырки рекомбинируют в месте соединения, высвобождается энергия в виде фотонов, создавая свет.
2. Разрывы энергетических зон:
Ширина запрещенной зоны играет решающую роль в работе светодиодов. Запрещённая зона относится к разнице энергий между валентной зоной (заполненной электронами) и зоной проводимости (пустой от электронов).
В светодиодах используемые материалы имеют разную энергию запрещенной зоны. Материал P-типа имеет меньшую энергию запрещенной зоны, тогда как материал N-типа имеет большую энергию запрещенной зоны. Эта разница обеспечивает эффективное движение электронов и дырок, способствуя рекомбинации и излучению света.
Прямая и непрямая запрещенная зона:
Материалы с прямой запрещенной зоной, такие как фосфид арсенида галлия (GaAsP), обеспечивают более эффективное излучение света. Напротив, материалы с непрямой запрещенной зоной, такие как кремний (Si), менее подходят для применения в светодиодах, поскольку они выделяют тепло, а не свет.
3. Квантовая механика:
Квантовая механика помогает объяснить поведение электронов и фотонов внутри светодиода. Согласно квантовой теории, частицы могут существовать на дискретных энергетических уровнях или состояниях.
В случае светодиодов расположение атомов в полупроводниковом материале приводит к определенным энергетическим уровням электронов. Когда электрон падает с более высокого энергетического уровня на более низкий, он выделяет энергию в виде фотона.
Типы светодиодов:
Светодиоды бывают разных цветов, включая красный, зеленый, синий и белый. Излучаемый цвет в первую очередь определяется материалами, используемыми в конструкции светодиода.
- Красные светодиоды. Красные светодиоды обычно создаются с использованием арсенида алюминия-галлия (AlGaAs) или фосфида арсенида галлия (GaAsP).
- Зеленые светодиоды. Зеленые светодиоды часто изготавливаются из фосфида алюминия-галлия (AlGaP) или нитрида индия-галлия (InGaN).
- Синие светодиоды. Синие светодиоды изготавливаются с использованием нитрида индия-галлия (InGaN) или карбида кремния (SiC).
- Белые светодиоды. Белые светодиоды образуются путем объединения синих светодиодов с желтым люминофорным покрытием или использования смеси красных, зеленых и синих светодиодов.
Преимущества светодиодных светильников:
- Энергоэффективность: светодиодные фонари очень энергоэффективны, преобразуя значительную часть электрической энергии в свет. Они потребляют гораздо меньше электроэнергии по сравнению с традиционными лампами накаливания или люминесцентными лампами.
- Длительный срок службы: светодиодные лампы имеют гораздо более длительный срок службы, чем обычные лампочки. Они могут прослужить до 25 раз дольше, что снижает необходимость частой замены.
- Низкое тепловыделение: светодиоды выделяют очень мало тепла по сравнению с другими источниками света, что делает их более безопасными в использовании и снижает нагрузку на системы охлаждения.
- Мгновенное освещение: светодиоды почти мгновенно достигают полной яркости, устраняя время прогрева, необходимое для других технологий освещения.
- Компактность и долговечность: светодиодные фонари компактны и прочны, что делает их пригодными для широкого спектра применений.
Заключение:
Светодиодные фонари работают на основе принципов электролюминесценции, запрещенных зон и квантовой механики. Пропуская электрический ток через полупроводниковый материал с подходящей энергетической запрещенной зоной, электроны и дырки рекомбинируют в месте перехода, выделяя энергию в виде света. Понимание физических принципов, лежащих в основе светодиодных светильников, помогает нам оценить их эффективность, долговечность и универсальность, что делает их популярным выбором для освещения в различных отраслях промышленности и повседневной жизни.
Для получения дополнительной информации о светодиодном освещении и его применении посетите веб-сайт LED Lighting.
Дата публикации: