सारांश
2014 में, इसामु अकासाकी, हिरोशी अमानो और शुजी नाकामुरा को कुशल नीले प्रकाश-उत्सर्जक डायोड के निर्माण के लिए भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया, जिसने उज्ज्वल और ऊर्जा-कुशल सफेद प्रकाश स्रोतों के विकास की सुविधा प्रदान की। हाल के वर्षों में,प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) तेजी से घरेलू प्रकाश क्षेत्र और अन्य जन बाजारों में प्रवेश किया है। यह लेख एलईडी के भौतिकी का अवलोकन प्रदान करना चाहता है, 2014 के नोबेल पुरस्कार में समाप्त होने वाली प्रमुख सफलताओं, और एलईडी की सुविधा जो ऊर्जा संरक्षण की संभावना है।
1 परिचय
1960 के दशक में संकेतक लैंप और इन्फ्रारेड रिमोट कंट्रोल के साथ, लाइट-एमिटिंग डायोड (एलईडी) कई दशकों से दैनिक जीवन के लिए अभिन्न हैं। हालांकि, भौतिकी में नोबेल पुरस्कार 2014 में विशेष रूप से ब्लू एल ई डी के लिए प्रदान किया गया था, जिसने अंततः व्हाइट लाइट के उत्पादन को सक्षम किया। इस लेख का उद्देश्य मौलिक एलईडी भौतिकी को बेहतर प्रकाश उत्सर्जकों के रूप में अपनी क्षमता का प्रदर्शन करना है, विशेष रूप से प्रकाश अनुप्रयोगों के लिए। यह उन आविष्कारों का एक संक्षिप्त इतिहास भी प्रदान करेगा, जिन्होंने आधुनिक एल ई डी में योगदान दिया और अकासाकी, अमानो और नाकामुरा को दिए गए भौतिकी में 2014 के नोबेल पुरस्कार के पीछे तर्क की व्याख्या की। अंततः, मैं जांच करूंगा कि क्या समकालीन एल ई डी वास्तव में ऊर्जा संरक्षण में परिणाम है, और अधिक व्यावहारिक रूप से, अगर यह व्यक्तिगत उपभोक्ताओं को खरीदने के लिए आर्थिक रूप से समझदार हैएलईडी बल्बघर की रोशनी के लिए।
2। अर्धचालक एलईडी कैसे कार्य करते हैं?
यह खंड इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंस के इतिहास का एक संक्षिप्त अवलोकन प्रदान करेगा, जो अकार्बनिक अर्धचालक के इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंस पर ध्यान केंद्रित करेगा, इसके बाद समकालीन एलईडी के अंतर्निहित भौतिकी का विवरण होगा। इलेक्ट्रोलुमिनेसेंस वह घटना है जिसमें प्रकाश उत्सर्जित होता है जब एक विद्युत प्रवाह किसी पदार्थ से होकर गुजरता है। यह माना जा सकता है कि गरमागरम बल्ब ("एडिसन" बल्ब) इलेक्ट्रोल्यूमिनसेंट हैं; हालांकि, इस परिदृश्य में, वर्तमान प्रवाह सामग्री को गर्म करता है, और प्रकाश उत्सर्जन के परिणाम केवल फिलामेंट के ऊंचे तापमान से होता है। इस प्रकार, इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंस को संदर्भित करना अधिक सटीक है जब वर्तमान प्रवाह सीधे प्रकाश उत्सर्जन तंत्र की सुविधा देता है। इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंस का प्रारंभिक प्रलेखन 1907 में एचजे राउंड द्वारा हुआ, जो कि मार्कोनी कंपनी द्वारा नियोजित किया गया था। उन्होंने एक सिलिकॉन कार्बाइड नमूना (तब कार्बोरुंडम के रूप में संदर्भित) को पक्षपात किया और इलेक्ट्रोड प्लेसमेंट और वोल्टेज के अनुसार विभिन्न रंगों के प्रकाश का अवलोकन किया। उन्होंने उस समय घटना को नहीं समझा। दो दशक बाद, निज़नी नोवगोरोड रेडियो प्रयोगशाला में एक युवा रूसी तकनीशियन ओलेग लोसव ने सिलिकॉन कार्बाइड लाइट-एमिटिंग डायोड के प्रयोगात्मक अवलोकन और समझ में महत्वपूर्ण प्रगति हासिल की। विशेष रूप से, उन्होंने 1929 में बाद के दावे को शामिल करते हुए एक पेटेंट प्रस्तुत किया: "प्रस्तावित आविष्कार एक कारबोरंडम डिटेक्टर में ल्यूमिनेसेंस की स्थापित घटना को नियोजित करता है और रैपिड टेलीग्राफिक और टेलीफोन संचार, छवि प्रसारण, और अन्य अनुप्रयोगों के लिए एक ऑप्टिकल रिले में इस तरह के एक डिटेक्टर के उपयोग को पूरा करता है, जो कि एक LUMINCENT CONTACTING के लिए। यह वास्तव में उल्लेखनीय है: भौतिकी में सीमित औपचारिक शिक्षा के साथ एक 26- वर्षीय कार्यकर्ता ने 1929 में एक सेमीकंडक्टर प्रकाश स्रोत के विद्युत मॉड्यूलेशन का उपयोग करके डेटा के उच्च दर हस्तांतरण का पेटेंट कराया। लोसव के अभिनव प्रकाशन और पेटेंट, हालांकि, दशकों तक काफी हद तक अस्पष्ट रहे। 1940 के दशक में, अर्धचालकों के बढ़े हुए समझ और नियंत्रण के परिणामस्वरूप पहले पी -एन जंक्शन का निर्माण हुआ, इसके बाद पहले ट्रांजिस्टर का आविष्कार हुआ। अच्छी तरह से विकसित पी-आई-एन जंक्शनों का उपयोग करने वाले प्रारंभिक एल ई डी को परिणामस्वरूप गढ़ा और बढ़ाया जा सकता है।
एक अर्धचालक एक ऐसा पदार्थ है जिसकी चालकता को डोपेंट के रूप में जानी जाने वाली अशुद्धियों की शुरूआत से बदल दिया जा सकता है। अकार्बनिक अर्धचालक क्रिस्टलीय सामग्री जैसे सिलिकॉन (एसआई), गैलियम आर्सेनाइड (जीएएएस), इंडियम फॉस्फाइड (आईएनपी), और गैलियम नाइट्राइड (जीएएन) हैं, जो इलेक्ट्रॉनों के लिए ऊर्जा बैंड द्वारा विशेषता हैं। ऊपर के कब्जे वाले ऊर्जा बैंड को वैलेंस बैंड के रूप में संदर्भित किया जाता है, जो एक अनियंत्रित अर्धचालक में इलेक्ट्रॉनों से भरा होता है, लेकिन बाद में उच्च ऊर्जा बैंड, जिसे चालन बैंड के रूप में जाना जाता है, पूरी तरह से एक अनडोपेड सेमीकंडक्टर में खाली रहता है। चालन बैंड के न्यूनतम और वैलेंस बैंड के उच्चतम के बीच ऊर्जा असमानता को अर्धचालक के बैंड गैप के रूप में जाना जाता है। एक अर्धचालक में प्रकाश-उत्सर्जन प्रक्रिया सीधी होती है: जब एक इलेक्ट्रॉन चालन बैंड पर कब्जा कर लेता है और वैलेंस बैंड (एक छेद कहा जाता है) में एक रिक्ति मौजूद होती है, तो चालन-बैंड इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड में खाली स्थिति पर कब्जा करने के लिए संक्रमण कर सकता है, ऊर्जा अंतर (बैंड गैप) को एक उत्सर्जित फोटॉन (अंजीर। 1) के रूप में जारी करता है। इलेक्ट्रॉन और छेद पुनर्संयोजन, जिसके परिणामस्वरूप एक फोटॉन का उत्सर्जन होता है। यह प्रक्रिया अर्धचालकों के बहुमत में होती है, जिसमें उल्लेखनीय अपवादों के साथ अप्रत्यक्ष अर्धचालक के रूप में जाना जाता है, जैसे कि सिलिकॉन या जर्मेनियम, जहां फोटॉन उत्सर्जन को सीधे अनुमति नहीं दी जाती है, जिसके परिणामस्वरूप महत्वपूर्ण अक्षमता होती है। एक सेमीकंडक्टर एलईडी को गढ़ने के लिए, चालन बैंड में समवर्ती रूप से इलेक्ट्रॉनों की स्थिति और सामग्री के भीतर वैलेंस बैंड में छेद करना आवश्यक है। यह वह जगह है जहां डोपिंग महत्व मानता है। एक आंतरिक अर्धचालक एक इन्सुलेटर के रूप में कार्य करता है, जैसा कि वैलेंस बैंड में इलेक्ट्रॉन इलेक्ट्रॉनिक आंदोलन के लिए उपलब्ध राज्यों की अनुपस्थिति के कारण इम्मोबिल रहते हैं; फिर भी, अर्धचालक को दो अलग -अलग शिष्टाचार में डोप किया जा सकता है। जब अशुद्धियों को एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन प्रति परमाणु के साथ क्रिस्टल में शामिल किया जाता है, तो ये अधिशेष इलेक्ट्रॉन चालन बैंड में संक्रमण करते हैं। उदाहरण के लिए, एन-टाइप डोपिंग में एक जीएएएस क्रिस्टल में सी परमाणुओं के साथ कुछ जीए परमाणुओं को प्रतिस्थापित करना, चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों की उपस्थिति की विशेषता है। इसके विपरीत, एक इलेक्ट्रॉन से रहित अशुद्धियों को पेश किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप पी-टाइप डोपिंग, वैलेंस बैंड में छेद के अस्तित्व की विशेषता है। एक महत्वपूर्ण पहलू यह है कि डोपेंट क्रिस्टल संरचना के अंदर अल्पसंख्यक परमाणुओं का गठन करते हैं: एक मिलियन मानक परमाणुओं के बीच एक एकल डोपिंग परमाणु विद्युत चालकता को काफी बढ़ा सकता है। सेमीकंडक्टर्स की विद्युत विशेषताओं को अनुकूलित करने के लिए डोपिंग स्तर में महारत हासिल करना आवश्यक है। यह विशेषज्ञता, जो 1940 और 1950 के दशक में शुरू हुई थी, ने माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स में क्रांतियों को बढ़ावा दिया। एक अर्धचालक से प्रकाश उत्सर्जन के लिए मौलिक विन्यास में एन-टाइप (चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों के साथ) और पी-प्रकार (छेद के साथ, या इलेक्ट्रॉनों की अनुपस्थिति, वैलेंस बैंड) सामग्री में एकीकरण शामिल है। जब विद्युत पूर्वाग्रह, इलेक्ट्रॉनों और छेदों के अधीन होता है, जो दिशाओं का विरोध करने में पार करता है-जहां वैलेंस बैंड में एक बाईं ओर बढ़ते छेद पीएन जंक्शन पर दाएं-चलती इलेक्ट्रॉनों-कनेक्ट से मेल खाती है, जिसके परिणामस्वरूप पुनर्संयोजन होता है जो फोटॉनों (छवि 2) का उत्सर्जन करता है। अनुसंधान समुदाय द्वारा समझ में आने पर, अपेक्षित कार्रवाई स्पष्ट हो गई: उच्च गुणवत्ता वाले क्रिस्टल को सटीक रूप से नियंत्रित पी-टाइप और एन-टाइप डोपिंग के साथ संश्लेषित करने की क्षमता। उद्घाटन GAAS इन्फ्रारेड एलईडी को 1962 में प्रदर्शित किया गया था, बाद में अन्य टीमों द्वारा विकसित प्रारंभिक दृश्यमान एल ई डी द्वारा सफल हुआ। जनरल इलेक्ट्रिक के एक शोधकर्ता एन। होलोनीक ने GAASP मिश्र धातु की वकालत की, जिससे वह उद्घाटन दृश्य सेमीकंडक्टर डायोड लेजर को दिखाने में सक्षम हो गए। एन। होलोनीक को स्वीकार करना आवश्यक है, जिन्होंने दूसरों के बीच, अर्धचालक प्रकाश उत्सर्जक की समझ और नियंत्रण को काफी उन्नत किया है। 1963 में, निक होलोनीक ने रीडर्स डाइजेस्ट में भविष्यवाणी की कि अर्धचालक एलईडी अंततः सामान्य प्रकाश अनुप्रयोगों के लिए सभी प्रकाश बल्बों को दबाएंगे, प्रारंभिक अर्धचालक एल ई डी के बावजूद बहुत मंद प्रकाश का उत्सर्जन करते हैं और अवर सामग्री की गुणवत्ता के कारण केवल एक प्रतिशत के अंशों की क्षमता का प्रदर्शन करते हैं। इस भविष्यवाणी को उत्पन्न करने के लिए उन्होंने किन मानदंडों का उपयोग किया? होलोनीक ने माना कि गरमागरम प्रकाश बल्ब ब्लैक-बॉडी एमिटर्स के समान कार्य करते हैं, जो फिलामेंट तापमान के साथ सहसंबद्ध एक वर्णक्रमीय वक्र का उत्पादन करते हैं; जैसे -जैसे तापमान बढ़ता है, उत्सर्जन स्पेक्ट्रम कम तरंग दैर्ध्य की ओर बढ़ता है। सबसे कुशल गरमागरम बल्ब ज्यादातर अवरक्त प्रकाश का उत्सर्जन करते हैं, जो रोशनी के लिए अप्रभावी है और इसके बजाय गर्मी के स्रोत के रूप में कार्य करता है। ऑप्टिकल पावर को दृश्यमान बिजली के रूप में रूपांतरण लगभग 5%पर स्वाभाविक रूप से विवश है। अर्धचालक एलईडी में, भौतिकी में काफी कुछ है: लगभग 100% विद्युत शक्ति को ऑप्टिकल पावर में बदल दिया जा सकता है, एक अच्छी तरह से विनियमित उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य के साथ (विशेष रूप से, बैंड गैप ऊर्जा को निर्धारित करता है और परिणामस्वरूप उत्सर्जित फोटॉन की तरंग दैर्ध्य)। एक एलईडी से लैस एक उपकरण की कल्पना कर सकता है जो कई दृश्यमान तरंग दैर्ध्य पर उत्सर्जित करता है, प्रत्येक एक उच्च (अधिमानतः एकता) रूपांतरण दक्षता का प्रदर्शन करता है, इसलिए थर्मल नुकसान (छवि 3) के बिना दृश्यमान सफेद प्रकाश (या दृश्यमान रंगों के किसी भी चयनित संयोजन) के उत्सर्जन की अनुमति देता है। यह, सिद्धांत में, कार्य करना चाहिए; एकमात्र चुनौती कुछ तरंग दैर्ध्य पर बेहद कुशल एल ई डी के निर्माण के लिए आवश्यक तकनीकी परिपक्वता को प्राप्त करने में है। इस प्रयास ने बाद के दशकों के लिए अर्धचालक शोधकर्ताओं पर कब्जा कर लिया और अंततः इसके परिणामस्वरूप हुआ2014 नोबेल पुरस्कार।
शेन्ज़ेन बेनवेई लाइटिंग टेक्नोलॉजी कंपनी, लिमिटेड की स्थापना 2010 में हुई थी। यह एक राष्ट्रीय उच्च-तकनीकी उद्यम है जो डिजाइन, आर एंड डी, इनडोर और आउटडोर लाइटिंग उत्पादों के उत्पादन और बिक्री को एकीकृत करता है और हमारे प्रसाद के बारे में अधिक जानकारी भी दे सकता है। कृपया हमसे संपर्क करें।bwzm18@ledbenweilighting.com
