Основное руководство о том, как работают светодиодные фонари

нажмите, чтобы увеличить

Рождество уже не за горами, и независимо от того, празднуете вы его или нет, возможно, вы уже начали видеть рождественские огни, которые начинают появляться на домах и рождественских елках. Как эти огни на самом деле работают, и как они могут быть сделаны, чтобы произвести такой массив цветов? Этот рисунок смотрит на химию.

LED означает светодиод, и они бывают самых разных цветов, от красных и оранжевых до синих и фиолетовых. Хотя они могут выглядеть маленькими, они собирают серьезную науку - на самом деле, Нобелевская премия 2014 года по физике пошел к ученым, которые работали над открытием, как сделать эффективные синие светодиоды. Прежде чем мы обсудим это, давайте начнем с основ.

Имеет смысл начать с объяснения того, как светодиоды могут генерировать свет в первую очередь. Светодиоды сделаны из полупроводниковых материалов, материалов, которые проводят электричество в одних условиях, но не в других. Несколько различных полупроводниковых материалов могут использоваться в светодиодах, но многие из них основаны на галлии, например, нитрид галлия и фосфид галлия.

Светодиоды состоят из двух слоев полупроводникового материала. Слои «легированы» примесями, то есть атомы элементов, отличных от тех, которые изначально были в полупроводниковом материале, смешаны. Это легирование может создавать слои различных типов: слои p-типа и слои n-типа. Слой n-типа имеет избыток электронов, тогда как слой p-типа имеет недостаточное количество электронов и поэтому имеет так называемые «дырки» электронов: положения в атомах, где может находиться электрон, но это не так. т.

Когда на светодиод подается ток, электроны в слое n-типа и электронные дыры в слое p-типа направляются в активный слой между ними. Когда электроны и электронные «дыры» объединяются, энергия высвобождается, и это воспринимается как видимый свет. Хотя это объясняет, как получается свет, нам нужно немного внимательнее присмотреться к тому, что происходит, чтобы объяснить, как можно получить разные цвета.

Цвета, полученные от светодиодов, определяются используемыми полупроводниковыми материалами. Как вы можете видеть на графике, для разных цветов используется не один материал, а целый ряд возможностей. Используя разные материалы и добавляя к ним различные примеси, мы можем изменить размер запрещенной зоны, то есть размер разности энергий между слоем n-типа и слоем p-типа. Чем больше эта запрещенная зона, тем короче длина волны света, излучаемого светодиодом. Таким образом, для красного светодиода требуется относительно небольшая запрещенная зона. Для синих светодиодов требуется большая ширина запрещенной зоны.

Светодиоды с меньшей шириной запрещенной зоны было проще производить, но изготовление светодиодов с небольшой шириной запрещенной зоны, необходимых для получения синего света, оказалось более проблематичным. Это было важно решить, потому что красный, зеленый и синий светодиоды были необходимы для получения белого света. В начале 1990-х годов ученые наконец-то разработали способ производства синих светодиодов с использованием нитрида галлия и были удостоены Нобелевской премии 2014 года за свою работу.

Сегодня светодиоды встречаются не только в рождественских огнях, но и во многих обычных лампочках. Они имеют много преимуществ по сравнению с традиционными лампами: они служат дольше по сравнению с обычными лампами (до 100 000 часов по сравнению с 1000 часами для ламп накаливания), и они более энергоэффективны, требуя меньше энергии для излучения такого же количества света. Благодаря светодиодам счет за электричество для этого дома, покрытого от крыши до фундамента в рождественские огни, не так высок, как мог бы быть!

Понравился этот пост и графика? Подумайте о поддержке Compound Interest на Patreon и получайте превью предстоящих публикаций и многое другое!

Подумайте о поддержке Compound Interest на Patreon и получайте превью предстоящих публикаций и многое другое

Графическое изображение в этой статье распространяется под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 , Смотрите сайт правила использования контента ,

Рекомендации и дальнейшее чтение