Riepilogo
Nel 2014, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura hanno ricevuto il premio Nobel in fisica per la loro creazione di efficienti diodi a emissione di luce blu, che facilitano lo sviluppo di fonti di luce bianca luminosa e energetica. Negli ultimi anni,Diodi a emissione di luce (LED) sono sempre più penetrati nel settore dell'illuminazione domestica e altri mercati di massa. Questo articolo cerca di fornire una panoramica della fisica dei LED, le principali scoperte culminate nel premio Nobel del 2014 e il potenziale per il risparmio energetico che i LED possono facilitare.
1. Introduzione
I diodi a emissione di luce (LED) sono stati parte integrante della vita quotidiana per diversi decenni, originati con lampade indicatore e telecomandi a infrarossi negli anni '60. Tuttavia, il premio Nobel in fisica è stato concesso nel 2014 specificamente per i LED blu, che alla fine hanno permesso la produzione di luce bianca. Questo articolo mira a chiarire la fisica LED fondamentale per dimostrare il loro potenziale come emettitori di luce superiori, in particolare per le applicazioni di illuminazione. Fornirà inoltre una breve storia delle invenzioni che hanno contribuito ai LED moderni e spiegherà la logica dietro il premio Nobel 2014 in fisica assegnata ad Akasaki, Amano e Nakamura. In definitiva, esaminerò se i LED contemporanei si traducono sinceramente nella conservazione dell'energia e, più pragmaticamente, se è economicamente sensibile per i singoli consumatoriBulbi a LEDper l'illuminazione domestica.
2. Come funzionano i LED a semiconduttore?
Questa sezione fornirà una breve panoramica della storia dell'elettroluminescenza, concentrandosi sull'elettroluminescenza dei semiconduttori inorganici, seguita da una descrizione della fisica alla base dei LED contemporanei. L'elettroluminescenza è il fenomeno in cui la luce viene emessa quando una corrente elettrica passa attraverso una sostanza. Si può sostenere che le lampadine a incandescenza (il bulbo "Edison") sono elettroluminescenti; Tuttavia, in questo scenario, l'attuale flusso riscalda il materiale e le emissioni di luce derivano esclusivamente dalla temperatura elevata del filamento. Pertanto, è più accurato fare riferimento all'elettroluminescenza quando il flusso di corrente facilita direttamente il meccanismo di emissione della luce. La documentazione iniziale dell'elettroluminescenza avvenne nel 1907 da HJ Round, impiegata dalla Marconi Company. Ha biasimato un campione di carburo di silicio (quindi chiamato Carborundum) e ha osservato la luce di diversi colori in base al posizionamento e alla tensione dell'elettrodo applicato. Non ha compreso il fenomeno in quel momento. Due decenni dopo, Oleg Losev, un giovane tecnico russo del Nizhny Novgorod Radio Laboratory, ha ottenuto progressi significativi nell'osservazione sperimentale e la comprensione dei diodi a emissione di luce in carburo di silicio. In particolare, ha presentato un brevetto nel 1929 che comprende la successiva affermazione: "L'invenzione proposta impiega il fenomeno stabilito di luminescenza in un rilevatore di carborundum e comporta l'utilizzo di tale rilevatore in un collegamento di leggi a facilitare direttamente per un collegamento di figura a facilitazione per facilitare il collegamento di una sournizzazione commottata. circuito. " Questo è davvero notevole: un lavoratore di 26- con un'istruzione formale limitata in fisica brevettata il trasferimento ad alto tasso di dati usando la modulazione elettrica di una fonte di luce a semiconduttore nel 1929. Le pubblicazioni innovative e i brevetti di Losev, tuttavia, rimasero in gran parte oscuri per decenni. Negli anni '40, una maggiore comprensione e controllo dei semiconduttori ha portato alla creazione della prima giunzione P - N, seguita dall'invenzione del primo transistor. I LED iniziali che utilizzano giunzioni P-I-N ben sviluppate potrebbero essere fabbricati e migliorati.
Un semiconduttore è una sostanza la cui conduttività può essere modificata dall'introduzione di impurità note come droganti. I semiconduttori inorganici sono materiali cristallini come silicio (SI), gallio arsenide (GAAS), fosfuro di indio (INP) e nitruro di gallio (GAN), caratterizzati da bande di energia per elettroni. La banda di energia occupata più alta viene definita la banda di valenza, che viene riempita di elettroni in un semiconduttore non oppiaceo, ma la successiva banda di energia superiore, nota come banda di conduzione, rimane interamente vacante in un semiconduttore non opportuno. La disparità energetica tra il minimo della banda di conduzione e il più alto della banda di valenza è definita il divario di banda del semiconduttore. Il processo di emissione di luce in un semiconduttore è semplice: quando un elettrone occupa la banda di conduzione e esiste un posto vacante nella banda di valenza (definito un buco), l'elettrone della banda di conduzione può passare per occupare lo stato libero nella banda di valenza, rilasciando la differenza energetica (il divario di banda) come fotone emetteto (Fig. 1). L'elettrone e il foro si ricombinano, con conseguente emissione di un fotone. Questo processo si verifica nella maggior parte dei semiconduttori, con notevoli eccezioni note come semiconduttori indiretti, come il silicio o il germanio, in cui l'emissione di fotoni non è consentita direttamente, con conseguente significativa inefficienza. Per fabbricare un LED a semiconduttore, è essenziale posizionare contemporaneamente gli elettroni nella banda di conduzione e i fori nella banda di valenza all'interno del materiale. È qui che il doping assume un significato. Un semiconduttore intrinseco funziona come isolante, poiché gli elettroni nella banda di valenza rimangono immobili a causa dell'assenza di stati disponibili per il movimento elettronico; Tuttavia, i semiconduttori possono essere drogati in due maniere distinte. Quando le impurità sono incorporate nel cristallo con un elettrone aggiuntivo per atomo, questi elettroni in eccesso passano alla banda di conduzione. Ad esempio, sostituendo alcuni atomi GA con atomi di SI in un cristallo GAAS provoca un doping di tipo N, caratterizzato dalla presenza di elettroni nella banda di conduzione. Al contrario, possono essere introdotte impurità prive di un elettrone, con conseguente doping di tipo p, caratterizzato dall'esistenza di buchi nella banda di valenza. Un aspetto cruciale è che i droganti costituiscono atomi di minoranza all'interno della struttura cristallina: un singolo atomo di doping tra un milione di atomi standard può migliorare significativamente la conducibilità elettrica. Padroneggiare il livello di doping è essenziale per personalizzare le caratteristiche elettriche dei semiconduttori. Questa competenza, iniziata negli anni '40 e '50, ha precipitato le rivoluzioni in microelettronica e optoelettronica. La configurazione fondamentale per l'emissione di luce da un semiconduttore prevede l'integrazione di N-Type (con elettroni nella banda di conduzione) e di tipo P (con fori o assenza di elettroni, nei materiali di valenza). Se sottoposti a distorsioni elettriche, elettroni e buchi, che attraversano in direzioni opposte, dove un foro che si muove a sinistra nella banda di valenza corrisponde a elettroni che si muovono a destra nella giunzione PN, con conseguente ricombinazione che emette fotoni (Fig. 2). Dopo la comprensione da parte della comunità di ricerca, l'azione necessaria è diventata evidente: la capacità di sintetizzare cristalli di alta qualità con doping di tipo P e N-Type controllato con precisione. Il LED a infrarossi GAAS inaugurale fu esposto nel 1962, successivamente successivamente successivamente i LED visibili iniziali sviluppati da altri team. N. Holonyak, un ricercatore di General Electric, ha sostenuto la lega Gaasp, permettendogli di mostrare il laser a diodi a semiconduttore visibile inaugurale. È essenziale riconoscere N. Holonyak, che, tra gli altri, ha avanzato significativamente la comprensione e il controllo degli emettitori di luce a semiconduttore. Nel 1963, Nick Holonyak prevedeva nel Digest del lettore che i LED a semiconduttori avrebbero infine soppiantato tutte le lampadine per applicazioni di illuminazione generale, nonostante i LED iniziali a semiconduttori che emettevano luce molto fioca ed esibirsi efficienze di solo frazioni di percento a causa della qualità del materiale inferiore. Quali criteri ha utilizzato per generare questa previsione? Holonyak ha riconosciuto che le lampadine a incandescenza funzionano in modo simile agli emettitori del corpo nero, producendo una curva spettrale correlata alla temperatura del filamento; All'aumentare della temperatura, lo spettro di emissione si sposta verso lunghezze d'onda più brevi. Le lampadine a incandescenza più efficienti emettono principalmente la luce a infrarossi, che è inefficace per l'illuminazione e funziona invece come fonte di calore. La conversione della potenza elettrica in energia ottica visibile è intrinsecamente vincolata a circa il 5%. Nei LED a semiconduttore, la fisica diverge significativamente: quasi il 100% della potenza elettrica può essere trasformato in energia ottica, con una lunghezza d'onda di emissione ben regolata (in particolare, il divario di banda determina l'energia e di conseguenza la lunghezza d'onda del fotone emesso). Si può immaginare un dispositivo dotato di LED che emettono su diverse lunghezze d'onda visibili, ognuna delle quali mostra un'efficienza di conversione elevata (preferibilmente unità), consentendo così l'emissione di luce bianca visibile (o qualsiasi combinazione selezionata di colori visibili) senza perdite termiche (Fig. 3). Questo dovrebbe, in teoria, funzionare; L'unica sfida è nel raggiungere la maturità tecnologica necessaria per produrre LED estremamente efficienti a determinate lunghezze d'onda. Questo sforzo ha occupato ricercatori a semiconduttore per decenni successivi e alla fine ha provocato ilPremio Nobel 2014.
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