技术

二极管照亮了未来

越来越多地使用发光二极管,并且白二极管将很快更换艾迪森发现的白炽灯泡,而不是一个世纪以前。

乔治Craford,Nick Holonyak和Frederick Kish 用于科学N°283
本文保留用于科学用户

1995年,日本的科技基础提供,每年,日本的着名价格为来自世界各地的两位科学家,为他们在科学或技术方面的原始发现; Nick Holonyak,发光二极管的发明者,为他在发光和激光器发出的半导体上的开创性工作得到了奖励。询问了这种技术的未来,N. Holonyak刚刚指出天花板灯和教授:“所有这一切都会消失。”

由于半导体器件:发光二极管,在照明和电子产品世界中正在进行大量变化。这些二极管是小灯,红色或绿色,通常,例如,在计算机中。它们逐渐取代经典的白炽灯泡,其灯丝,由电流行驶,通过效果焦耳升温,在2,500°C以上,并发光。为什么发光二极管会使百年灯泡达到百年灯泡?因为他们比白炽表兄弟更有效地将电力转化为彩色光线;例如,对于红灯,效率是效率的十倍。二极管也更具抗性:一些,由氮化镓组成,经常运行超过10万小时,在经常使用中运行,而白炽灯泡的寿命跨越100倍。因为他们的强度足够了,它们提供的调色板很宽,二极管用于制作大型显示屏。最令人印象深刻的例子可能是巨型屏幕,八层,纽约纳斯达克八楼。

工程师努力降低制造成本,提高性能,进一步扩展可用颜色的选择,包括白色颜色。这种颜色由所有波长的总和产生,因此,它不能直接生产。它已经可以将红色,绿色和蓝色发光二极管的灯组合以产生白光,但这种二极管保持昂贵。一旦他们便宜,他们就会向托马斯爱迪生注册的白炽灯泡。

70%的汽车已经配备了

红色和橙色发光二极管已经取代了许多应用中的白炽灯。在汽车中,欧洲生产的60%至70%的汽车使用发光二极管来制动灯(美国在同一方向上移动)。二极管还用于后灯,闪光和侧面火灾和重量级。在十年之下,它们将用于大多数外部,红色和橙色的火车。道路信号灯也使用越来越多。

到目前为止,交通灯和其他彩色灯具是有色过滤器覆盖的白炽灯。即使灯泡发射漏洞的灯泡仅成本(发光通量的测量单元),它也是一种低效的产生光。例如,红色过滤器,尺寸约为80%的亮度,因此灯泡发出的光的功率由瓦特从约17到四个内腔。

当然,来自红色发光二极管的每个内腔返回到大约90美分,但发射的光直接具有所需的颜色。此外,这些二极管仅消耗10到25瓦,而可比亮度白炽灯泡在50到150瓦之间消耗。因此,节能补偿了仅一年的发光二极管的额外成本。最后,发光二极管的维护和劳动力成本低于灯泡的维护和劳动力成本。

几年前,一旦第一个具有高亮度和颜色的第一款模型,内部建筑师对二极管感兴趣。它们结合了不同色调的发光二极管,从而创造了一系列颜色。例如,在关闭大多数红色二极管并打开蓝色时,由红色,绿色和蓝色发光二极管组成的白光变得更加“冷”。

这种灵活性会扰乱我们对光的使用。到目前为止,为了改变房间的亮度,壁纸被改变,或者重复了另一种颜色的一部分。今天,无需刷出刷子:调整不同波长的比例,在发光二极管的组合上播放。例如,纽约大都会艺术博物馆已经选择了这种类型的照明,以照亮1999年的披头士服装展览;这种照明突出了服装并且不会损坏面料,因为源不热。同样,摄影师现在可以控制人造光源,而不诉诸放置在投影仪前面的不同的过滤器。

医学研究也对这些二极管的性质感兴趣。例如,在对抗癌症的斗争中,他们促进了肿瘤的局部治疗,通过光学疗法。该方法靶向很小的大恶性肿瘤,常规治疗方法是不可用的或无效的。首先,通过静脉内注射光敏剂。它优选地由肿瘤组织捕获,这消除了比正常组织更缓慢的。然后,通过光辐射来激活代理,其波长适应;当活化时,该物质对组织变得毒性,使其破坏所连接的癌细胞。由于发光二极管的组件,因此制造了一种均匀的光束,刺激光敏物质而不加热皮肤,因为发光二极管不是热光源。

在二极管的核心

要详细地观察发光二极管,例如红色自行车。内部是两个电池连接到包含一系列透明和无色圆柱的电路,直径约为8毫米,直径为5毫米:它是发光二极管。按“开”按钮,它们变为红色,强度强烈,很难修复它们。如果你阻止他们,那么你将密切关注它们,你将看到一条线路偷偷溜进设备和一种微型杯半高。该杯子是反射器,在哪里是砂粒尺寸的芯片,发光二极管的“心脏”。该芯片由一叠层组成:首先沉积在支撑上,具有过量的电子;它被称为n型(对于“否定”)。另一个,位于芯片上方,呈上相反的电子缺陷或过量的颗粒,其被肯定地称为“孔”。这种材料是p型(用于“正”)。在这两层N和P的连接处是所谓的有源层,因此发光。当施加电压时,电子和孔朝向活动层朝向有源层,在那里它们相遇,“重组”并发出光子。示意性地,通过在孔中的“落下”并发出光子来脱节活性层中的电子。不同层的性质和原子结构决定了发射的光子的数量(发光二极管的效率)以及它们的波长。

在第一红色发光二极管中,在20世纪60年代制造的来自镓,砷和磷,电子很少遇到孔:迁移到有源层的1000电子中发射了单个红色光子。这种二极管产生的小于由可比较的电力白炽灯泡和红色过滤器产生的少于十分之一的光。逐渐地,发光二极管的效率增加,特别是朝向位于可见光谱的红色区域中的波长。如今,红二极管的内部效率达到100%,即每个电子产生光子。然而,这些光子仍然被困在芯片中,并且必须“提取”这种光。因此,红色发光二极管的真实(或外部)产量约为25%。

研究人员通过改变层的组成来提高产量。他们“将它们”与不同的原子“打开”,名为“杂质”。这种掺杂改变了层的特征。让我们看看最简单的例子,硅。它属于元素的周期性分类的IV族,即它有四个电子可用于与其他四个原子的链接。在结晶硅形式中,每个原子与相邻原子共享其电子。电子啮​​合在这些链接中,并且不会自由移动。当周期分类的少量III原子中具有三个电子的最高能量水平时,例如硼掺入硅晶体中时,参与原子之间的连杆的电子的数量不足,电子缺陷出现在本地,从而产生孔,从而使这种材料 - 来自硼型硅型p。相反,当硅掺杂有具有五个电子的磷(周期表的v的v族)时,晶体具有过量的电子,这使得材料型n。额外的电子可以自由移动。在发光二极管中,晶体不是纯硅,但是,III和v等元素的混合物,例如铝,镓,铟和磷,例如掺杂有电视或镁。通过精确调节组成元素的浓度,物理学家制造发光的二极管,其发出红色,橙色或黄色波长。在20世纪70年代初,含有磷化物和砷化镓的红色二极管的亮度足以使第一计算器和数字显示钟表。

当研究人员发现不同材料的堆叠改善二极管的内部性能时,尚未取得进展。实际上,第一个发光二极管是同性恋。它由相同的层组成,掺杂,以便在一侧是n,另一侧,但没有包含有源层。第二代二极管是异质结:在N和P层之间引入不同的组合物层。这种非常薄的有源层(几个厚度的原子)在N和P层之间产生“势阱”,其中电子和孔重组。该层增加了重组的概率,从而增加了效率。

最后,今天制造的晶体几乎没有缺陷,这增加了二极管的产量。使用的一种技术是气相沉积:保持在高温下的气体被引导在基板上方;由于高温,它们降解,并且它们的分解产物沉积在纤薄的薄膜中。 20世纪60年代末,该技术首次使用Monsanto的发光二极管的工业制造。1977年,来自德克萨斯大学的拉塞尔杜普,开发了一个不同的过程。使用冷气体的气相热基材。该技术允许各种材料的生长,并将门打开到高质量二极管的制造。 Shuji Nakamura,今天在圣巴巴拉大学,在尼西亚化学工业(日本)发达这种技术的变种,在1993年,发出蓝光的氮化镓晶体,缺少光秃秃的光泽发射二极管。实际上,蓝色光子具有较短的波长,并且必须具有比红色或橙色光子的能量更大:它们更难以生产。

最后,在“惠普·克拉姆斯及其同事们在惠普·克拉姆斯及其同事通过制造了超过55%的红色发光二极管成立了1999年的历史记录。它们取下了基材(一片原始砷化镓),用透明的磷化镓切片替换,然后雕刻了反向的金字塔形二极管。该形式降低内部反射的数量,并且显着增加了从芯片逸出的光量。

发光二极管的另一种技术基于有机材料。在蒽上的20世纪60年代观察到有机化合物的电致发光,然后在半导体有机聚合物上观察到有机化合物。自20世纪90年代以来,高度研究了有机发光二极管,特别是对于柔性平面屏幕的制造。这些二极管很棒,便宜,具有广泛的波长。然而,与无机发光二极管相比,它们的寿命仍然非常有限。

伟大的白希望

物理学家现在正在攻击制造白光发光二极管。我们已经找到了白色二极管,其效率略高于白炽灯泡。有些人用于照亮一些汽车中的手机屏幕和仪表板。他们的力量通过瓦特达到15个内腔。另一方面,例如,古迹的照明二极管和古迹的照明需要瓦特100流明的功率。廉价二极管产生的白光的潜在好处是巨大的。全球照明市场估计为700亿法郎。这就是为什么照明三大演员 - 飞利浦,欧司朗西尔凡派和一般电气 - 投资于研究和白光发光二极管的开发。而不是脆弱的玻璃灯泡,燃烧,充满气体,这不会持续很长时间并且浪费大部分能量以热量的形式,我们可以拥有更好的照明来源。例如,汽车的电致发光二极管将持续只要汽车本身,并且由于这些二极管而节省的电池的能量将用作电路板的电子设备。

整个社会将受益。照明占发达国家电力消耗的20%至30%。标准照明系统尽可能地将25%的电力转换为光线。如果白光发光二极管达到当今可用的红色二极管的有效性,则能量需求将减少,电厂在大气中发出的二氧化碳量将减少300兆天/年。这种观点是有吸引力的,但在十年之前,公共灯光的大规模更换将无法完成。如今,最好的白光发光二极管通过腔腔花费大约三个法郎,比白炽灯泡的10至20倍。需要减少成本并说服消费者采用更昂贵的照明二极管,但持续更长时间。然而,他们可能会被这些二极管代表的未来解决方案所信仰:它们消耗了很少的能量,使他们比传统灯泡更少地参与全球变暖。

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