Zaloguj się
Wszystkie
24 listopada 2021
1339
Klasyczne żarówki, zawierające rozgrzany żarnik, znane są od niemal dwustu lat. W szerokim użyciu były przez cały XX wiek, niestety z uwagi na ich niską sprawność i postęp technologii półprzewodnikowych odeszły do lamusa. Zastąpione zostały świetlówkami kompaktowymi (tzw. żarówki energooszczędne) lub diodami elektroluminescencyjnymi (tzw. żarówki LED). Jest to nieskończone źródło pomyłek, problemów technicznych i nieustającej konfuzji, nie tylko wśród użytkowników tych źródeł światła, ale także inżynierów, którzy z nich korzystają do projektowania systemów oświetleniowych.
Wszystko, począwszy od nazwy tych źródeł światła, jest niejasne, ponieważ odnosi się do żarówek – domyślnego źródła światła, które mamy niemal „wpisane” w nasze umysły. Z nimi się wychowaliśmy, były od zawsze dookoła nas i dopiero niedawno zaczęły być zastępowane nowocześniejszymi rozwiązaniami. Dodatkowo, z uwagi na to, że ich mechanizm świecenia – emisja cieplna, jest w zasadzie taki sam, jak sposób świecenia światła naturalnego (czyli słońca), są one bardzo „przyjazne” i naturalne dla naszego wzroku. O tym, w jaki sposób diody LED odbiegają od optymalnego oświetlenia, mówi szereg parametrów, które je charakteryzują.
W artykule przyjrzymy się diodom LED stosowanym do oświetlania pomieszczeń, z naciskiem na parametry, jakie używane są do ich charakteryzacji oraz tym, w jaki sposób się je mierzy. Zrozumienie tych zagadnień pozwoli na wybranie optymalnych komponentów do każdego zastosowania.
Budowa i zasada działania diody LED
Dioda elektroluminescencyjna jest złączem P-N, tak jak każda dioda półprzewodnikowa. Złącze pomiędzy dwoma warstwami półprzewodnika emituje światło, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny. Zjawisko to nazywa się elektroluminescencją. Elektrony przechodzą z obszaru N i rekombinują z dziurami znajdującymi się w obszarze P. Elektrony i dziury to cząstki i quasi-cząstki, reprezentujące ładunek elektryczny, odpowiednio ujemny i dodatni. O ile elektrony istnieją w rzeczywistości, to dziury są quasi-cząstkami – w rzeczywistości jest to wolne miejsce w materiale, które powstało na skutek przesunięcia elektronu dalej, poza materiał, pod wpływem przyłożonego napięcia.
Swobodne elektrony znajdują się na poziomie energetycznym zwanym pasmem przewodnictwa, natomiast dziury mają niższą energię i znajdują się w paśmie walencyjnym. Zatem poziom energii dziur jest niższy niż poziomy energii elektronów.
Z tego wynika, że pewna część energii musi zostać rozproszona, aby ponownie połączyć elektrony i dziury (zrekombinować je). Energia ta jest emitowana w postaci ciepła oraz przede wszystkim światła.
Elektrony rozpraszają energię w postaci ciepła w przypadku diod krzemowych i germanowych (tj. takich, gdzie przerwa energetyczna jest skośna, co uniemożliwia emisję fotonów), ale w półprzewodnikach takich jak fosforek-arsenek galu (GaAsP) czy fosforek galu (GaP) przerwa energetyczna jest prosta, a to umożliwia emisję fotonów. To, że przerwa energetyczna danego półprzewodnika jest prosta czy skośna, zasadniczo wykracza poza ramy tego artykułu – określenie to dotyczy parametru fizycznego, opisującego lokalizację elektronu i dziury w przestrzeni fizycznej i energetycznej. Prosta przerwa sprawia, że są one rozdzielone tylko energetycznie, a przerwa skośna, że także w przestrzeni krystalicznej, a co za tym idzie, muszą się „przesunąć”. Objawia się to emisją fononu – kwantu drgania sieci krystalicznej, czyli (w uproszczeniu) ciepła. Jeśli przerwa energetyczna jest prosta, powstaje foton, który zostaje następnie wyemitowany, jeśli półprzewodnik jest dostatecznie cienki. W ten sposób złącze P-N staje się diodą elektroluminescencyjną.
Długość fali emitowanego przez diodę światła, a tym samym jego kolor, zależy od energii przerwy energetycznej materiałów tworzących złącze P-N. W diodach krzemowych lub germanowych elektrony i dziury zwykle rekombinują w wyniku przejścia niepromienistego, które nie powoduje emisji optycznej z uwagi na skośną przerwę. Materiały użyte do produkcji diod LED mają prostą przerwę energetyczną o energiach odpowiadających promieniowaniu elektromagnetycznemu od bliskiej podczerwieni, widzialnemu lub bliskiemu ultrafioletowi. To, jaka jest konkretna długość emitowanego światła, zależy więc od użytego półprzewodnika.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
