Wie strahlt eine LED rotes, grünes und blaues Licht aus?
Die Lichtfarbe und die Lichtausbeute von LEDs hängen mit dem Material und dem Prozess der LED-Herstellung zusammen. Gegenwärtig sind Rot, Grün und Blau weit verbreitet. Da die Betriebsspannung der LED niedrig ist (nur 1,5-3 V), kann sie aktiv Licht emittieren und hat eine bestimmte Helligkeit. Die Helligkeit kann durch Spannung (oder Strom) eingestellt werden. Es ist stoßfest, vibrationsfest und hat eine lange Lebensdauer (100000 Stunden). Unterschiedliche LED-Materialien können Photonen mit unterschiedlicher Energie erzeugen, die die Wellenlänge des von LED emittierten Lichts steuern können, dh Spektrum oder Farbe.
Das erste LED-Material der Geschichte ist Galliumarsenid (GA). Sein Spannungsabfall am PN-Übergang in Vorwärtsrichtung (VF, was als Beleuchtungs- oder Arbeitsspannung verstanden werden kann) beträgt 1,424 V, und das emittierte Licht ist ein Infrarotspektrum. Ein weiteres häufig verwendetes LED-Material ist Galliumphosphid (GA), dessen Spannungsabfall am PN-Übergang in Vorwärtsrichtung 2,261 V beträgt und das emittierte Licht grün ist. Basierend auf diesen beiden Materialien kann die Gaas1 xpx-Materialstruktur der frühen LED-Industrieanwendung theoretisch LED mit jeder Wellenlänge von Infrarotlicht bis zu grünem Licht erzeugen. Der tiefgestellte Index x stellt den Prozentsatz an Phosphor dar, der Arsen ersetzt.
Im Allgemeinen können die Wellenlänge und Farbe der LED durch den Spannungsabfall des PN-Übergangs bestimmt werden. Die typischen sind gaas0.6p0.4 rote LED, gaas0.35p0.65 orange LED und gaas0.14p0.86 gelbe LED. Aufgrund der Verwendung von Gallium, Arsen und Phosphor sind diese LEDs allgemein als Leuchtröhren mit drei Elementen bekannt. GaN Blue LED, Gap Green LED und GaAs Infrarot-LED werden als Zwei-Elemente-LED bezeichnet. Derzeit besteht der neueste Prozess darin, vier Elemente mit AlGaInN zu führen, das mit Aluminium (AL), Kalzium (CA), Indium (in) und Stickstoff (n) gemischt wird. Die Vier-Elemente-LED kann das gesamte sichtbare Licht und einen Teil des ultravioletten Spektrums abdecken.
Was ist eine weiße LED?
Im Allgemeinen gibt es zwei Möglichkeiten, weiße LEDs zu synthetisieren. Das erste ist RGB, dh rote LED + grüne LED + blaue LED. Das Hauptproblem dieses Verfahrens besteht darin, dass die Umwandlungseffizienz von grünem Licht gering ist. Jetzt beträgt die Umwandlungseffizienz von roten, grünen und blauen LEDs 30 %, 10 % bzw. 25 %, und die weiße Lumeneffizienz kann 60 lm / W erreichen. Durch weitere Verbesserung der Lumeneffizienz von blau-grünen LEDs kann die weiße Lumeneffizienz erreicht werden erreichen 200 LM / W. Aufgrund der unterschiedlichen Farbtemperatur und des Farbwiedergabeindex, die das synthetische weiße Licht benötigt, ist die Lumeneffizienz jeder farbigen LED des synthetischen weißen Lichts unterschiedlich.
Mit der Weiterentwicklung der tiefen Farbabstimmung und des Weißabgleichs von weißen LEDs hoffen die Menschen, dass das Spektrum, die Farbkoordinaten, die Farbwiedergabe und die damit verbundene Farbtemperatur von weißen LEDs, die als Lichtquelle verwendet werden, die relevanten Standards von CIE und China erfüllen können, andernfalls sollten sie es tun als unqualifiziert angesehen werden.
Wir fassen die photochromen Eigenschaften von weißen LEDs mit einer relevanten Farbtemperatur von 80004000k und ihre Beziehung zum Durchlassstrom zusammen. Niedrige Farbtemperatur (< 4000K) und hohe Farbwiedergabe weißer LED sind seit langem nach dem aktuellen Mainstream-Schema, das die Kombination aus InGaN-Blue-LED-Chip und CE-aktiviertem Seltenerd-Granatgelb-Phosphor ist, nur schwer zu realisieren das Fehlen einer roten Komponente im Emissionsspektrum von gelbem Leuchtstoff.Daher beschränken sich die meisten Berichte auf weiße LEDs mit hoher Farbtemperaturüber 5000 K.
Obwohl weiße LEDs verfügbar sind, mangelt es an weißen LEDs mit niedriger Farbtemperatur. Gegenwärtig gibt es nur wenige Berichte über weiße LEDs mit niedriger Farbtemperatur, die aus blauen Chips und Leuchtstoffen bestehen. Daher ist es von großer Bedeutung, weiße LEDs mit niedriger Farbtemperatur (< 4000 K) und hoher Farbwiedergabe sowohl für die akademische Forschung als auch für die Anwendung zu entwickeln.
Der zweite Weg ist LED + Leuchtstoffe in verschiedenen Farben: Die erste Methode besteht darin, ultraviolette oder violette LED + RGB-Leuchtstoffe zu verwenden, um LED zu synthetisieren. Das Arbeitsprinzip dieser Methode ist ähnlich wie bei Leuchtstofflampen, aber ihre Leistung ist Leuchtstofflampen überlegen. Der Umwandlungskoeffizient von violetten LEDs kann 80 % erreichen, und die Quantenumwandlungseffizienz verschiedener Farbleuchtstoffe kann 90 % erreichen. Ein weiteres Verfahren besteht darin, blaue LED + rote grüne Leuchtstoffe zu verwenden, wobei die blaue L-LED-Effizienz 60 % beträgt, die Leuchtstoffeffizienz 70 % beträgt und blaue LED + gelber Leuchtstoff verwendet wird, um weißes Licht zu erzeugen.
Verglichen mit den beiden Methoden hat die dreifarbige RGB-LED eine bessere umfassende Leistung bei der Synthese von weißem Licht. Unter der Bedingung eines hohen Farbwiedergabeindex kann die Lumeneffizienz bis zu 200 LM / W betragen. Das wichtigste technische Problem, das gelöst werden muss, besteht darin, die elektrooptische Umwandlungseffizienz von grünen LEDs zu verbessern, die derzeit nur etwa 13% beträgt , und die Kosten sind hoch.
Wellenlängenbereich der grünen LED
Rotlicht: 615–650, Orange: 600–610, Gelb: 580–595, Gelbgrün: 565–575, Grün: 495–530, Blaulicht: 450–480, Lila: 370–410, Weißlicht: 450 -465.
Die unterschiedlichen Lichtfarben von LEDs entsprechen einem bestimmten Lichtwellenlängenbereich und die Lichtfarben decken nahezu das Sonnenspektrum ab. Gegenwärtig wurden Ultraviolett-, Blau-, Grün-, Gelb-, Rot- und Infrarotlicht emittierende Dioden erfolgreich hergestellt. Darüber hinaus haben LEDs eine niedrige Betriebsspannung, einen niedrigen Betriebsstrom und sind einfach zu montieren, was sie zu einer neuen Generation energiesparender und kohlenstoffarmer Lichtquellen macht.
Für die spektralen Eigenschaften von LEDs betrachten wir hauptsächlich, ob ihre Monochromatizität gut ist, und wir müssen darauf achten, ob die Hauptfarben von roten, gelben, blauen, grünen und weißen LEDs rein sind.
Die Lichtfarbe, die das menschliche Auge wahrnehmen kann, ist das Licht von 380 nm bis 780 nm in der elektromagnetischen Welle. Die Farbe ändert sich mit der Wellenlänge; Das Licht ist sichtbar und nicht greifbar. Die Farbe existiert nur in den Augen und im Gehirn von Lebewesen, was die Helligkeitswahrnehmung beeinflusst. Neben dem Farbton kommen noch die Größe der Farbfläche und andere optische Faktoren hinzu. Es ist das menschliche Auge, das bewirkt, dass dasselbe Objekt in den Augen verschiedener Menschen in unterschiedlichen Farben erscheint.
Warum grüne LED-Leuchten unter dem Baum verwenden?
Die Beziehung zwischen Lichtspektrum und pflanzlicher Photosynthese
In den letzten Jahren hat der Einfluss der Lichtqualität auf das Pflanzenwachstum und die Morphologie die Aufmerksamkeit der Forscher auf sich gezogen. Beispielsweise haben sich chinesische, europäische und amerikanische akademische Kreise auf die Auswirkungen von monochromatischem LED-Licht auf die Wachstumseigenschaften von Gewebekulturkeimlingen konzentriert. Israel verwendet verschiedenfarbige Plastiktücher als Abdeckmaterialien, um die Auswirkungen auf das Wachstum von Blattgemüse und Grünpflanzen zu diskutieren.
Der Einfluss des Spektrumbereichs auf die Pflanzenbiologie
★280 ~ 315 nm hat minimale Auswirkungen auf die Morphologie und physiologische Prozesse
★315 ~ 400nnm Chlorophyll absorbiert wenig, beeinflusst den photoperiodischen Effekt und verhindert die Stängeldehnung
★400 ~ 520 nm (blau) Das Absorptionsverhältnis von Chlorophyll und Carotinoiden ist am größten, was den größten Einfluss auf die Photosynthese hat
★ Die Absorptionsrate von 520 ~ 610 nm Pigment ist nicht hoch
★610 ~ 720nm (rot) Die Absorptionsrate von Chlorophyll ist gering, was einen erheblichen Einfluss auf die Photosynthese und photoperiodische Effekte hat
★720 ~ 1000 nm Niedrige Absorptionsrate, stimuliert die Zelldehnung, beeinflusst die Blüte und die Samenkeimung
★＞1000 nm in Wärme umgewandelt
In der Ausgabe Juli (2) von Flower Tech 2004 gibt es einen Artikel, der die Wirkung von Lichtfarbe auf die Photosynthese diskutiert. Der Autor ist Herr Harry Stijger. Der Untertitel des Artikels weist darauf hin, dass allgemein angenommen wird, dass die Lichtfarbe einen Einfluss auf die Photosynthese hat. Tatsächlich ist der Einfluss der Lichtfarbe im Prozess der Photosynthese nicht unterschiedlich, sodass die Verwendung des gesamten Spektrums der Pflanzenentwicklung am förderlichsten ist.
Die Empfindlichkeit von Pflanzen gegenüber dem Spektrum unterscheidet sich von der des menschlichen Auges. Das empfindlichste Spektrum des menschlichen Auges liegt bei 555 nm, also zwischen gelbem und grünem Licht. Es ist weniger empfindlich gegenüber den blauen und roten Lichtregionen. Pflanzen sind nicht gleich und reagieren am empfindlichsten auf das rote Lichtspektrum. Es ist weniger empfindlich gegenüber grünem Licht, aber der Empfindlichkeitsunterschied ist nicht so groß wie beim menschlichen Auge. Der empfindlichste Bereich der Anlage für das Spektrum liegt bei 400 bis 700 nm. Dieser Bereich des Spektrums wird üblicherweise als effektiver Energiebereich der Photosynthese bezeichnet. Die Energie des Sonnenlichts liegt zu etwa 45 % in diesem Bereich des Spektrums. Werden daher zur Ergänzung der Lichtmenge künstliche Lichtquellen eingesetzt, sollte auch die spektrale Verteilung der Lichtquelle in diesem Bereich liegen.
Die Energie der von der Lichtquelle emittierten Photonen ist je nach Wellenlänge unterschiedlich. Beispielsweise beträgt die Energie einer Wellenlänge von 400 nm (blaues Licht) das 1,75-fache der Energie von 700 nm (rotes Licht). Aber für die Photosynthese ist die Wirkung der beiden Wellenlängen dieselbe. Im blauen Spektrum wird die überschüssige Energie, die nicht für die Photosynthese genutzt werden kann, in Wärme umgewandelt.
Mit anderen Worten, die Photosyntheserate von Pflanzen wird durch die Anzahl der Photonen bestimmt, die die Pflanze bei 400-700 nm absorbieren kann, und steht nicht im Zusammenhang mit der Anzahl der Photonen, die von jedem Spektrum ausgesendet werden. Aber die Kommunikation der durchschnittlichen Person Es wird angenommen, dass die Lichtfarbe die Photosyntheserate beeinflusst.
Pflanzen haben für alle Spektren eine unterschiedliche Empfindlichkeit. Dies liegt an der besonderen Aufnahme von Pigmenten in Blättern. Unter ihnen ist Chlorophyll das bekannteste. Aber Chlorophyll ist nicht das einzige Pigment, das für die Photosynthese nützlich ist. Andere Pigmente sind ebenfalls an der Photosynthese beteiligt, sodass die Effizienz der Photosynthese nicht nur das Absorptionsspektrum von Chlorophyll berücksichtigen kann.
Der Unterschied im Photosyntheseweg hängt auch nicht mit der Farbe zusammen. Lichtenergie wird von Chlorophyll und Carotin in den Blättern absorbiert. Energie wird in Glukose und Sauerstoff umgewandelt, indem Wasser und Kohlendioxid durch zwei photosynthetische Systeme fixiert werden. Dieser Prozess nutzt das gesamte sichtbare Lichtspektrum. Daher sind die Auswirkungen von Lichtquellen verschiedener Farben auf die Photosynthese fast gleich.
Blaugrüner LED-Chip
Das Arbeitsprinzip der LED besteht darin, dass sich bei Vorwärtsleitung die in den P/N-Abschnitt der Diode injizierten Elektronen und Löcher treffen und rekombinieren und die potenzielle Energie in Lichtenergie umgewandelt wird. Die Wellenlänge des emittierten Photons (also die Farbe des Lichts) wird bestimmt durch Die Energiebandbreite eines Halbleiters wird bestimmt.
Einfach ausgedrückt: Je breiter die Energiebandbreite eines Halbleiters, desto größer die Energie der emittierten Photonen und desto kürzer die entsprechende Wellenlänge. Die Materialbasis aktueller blauer und grüner LED-Vorrichtungen ist ein III-Nitrid-Halbleiter, bei dem es sich um ein quaternäres AlGaInN-Legierungssystem handelt, das hauptsächlich aus GaN besteht und durch InN und AlN ergänzt wird.
Gegenwärtig bestehen die meisten der lichtemittierenden Schichtmaterialien von Quantenmulden von blauen und grünen LED-Chips aus einer InxGa1-xN-Legierung und GaN. Da die Energiebandbreite der InxGa1-xN-Legierung mit dem Verhältnis von InN variiert, lässt sie sich auf 3,4 eV (entsprechend der Bandbreite von GaN) und 0,7 eV (entsprechend der Bandbreite von InN) einstellen, also theoretisch dieses Materialsystem kann das gesamte sichtbare Lichtspektrum abdecken. Die derzeitige Materialvorbereitungstechnologie ist jedoch eine auf GaN-Kristallen basierende Epitaxieschichtwachstumstechnologie, die nur Legierungsmaterialien mit einem niedrigeren InN-Gehalt wachsen lassen kann. Die Kristallqualität der InxGa1-xN-Legierung fällt nach einer InN-Zusammensetzung von x > 15 % stark ab.
Tatsächlich erreicht das derzeitige technische Niveau der Industrie normalerweise, dass die elektrooptische Umwandlungseffizienz von Blaulichtchips etwa doppelt so hoch ist wie die von Grünlicht, da die InN-Zusammensetzung der ersteren viel kleiner ist als die der letzteren und die Zusammensetzung von InN in Geräten mit grünem Licht wird auf 30 % geschätzt. % oder mehr (Die Bestimmung der genauen Zusammensetzung von InGaN-Legierungsmaterialien ist immer noch ein schwieriges wissenschaftliches Problem in der Wissenschaft). Mit anderen Worten, es ist für die derzeitige Technologie schwierig, die Zusammensetzung von InN weiter zu erhöhen, um InGaN-Legierungsvorrichtungen zu ermöglichen, rotes Licht effizient zu emittieren. Aber glücklicherweise ist das Gruppe-III-Phosphidsystem (normalerweise auch als quaternäres System AlGaInP bezeichnet) bereits in den 1990er Jahren zu einer ausgereiften Materialbasis für rote und gelbe LED-Vorrichtungen geworden.
Nachdem das MOCVD-Epitaxiewachstum abgeschlossen ist, sind eine Reihe von Photomaskenmustern und physikalischen Ätz- oder Abscheidungsprozessen erforderlich, um GaN-basierte LED-Chips herzustellen. Die Grundstruktur gewöhnlicher blauer und grüner LED-Chips erfordert die folgende Vorrichtungsbearbeitung in Folge auf dem Epitaxialwafer: (1) Ätzen eines lokalen Bereichs, um die n-leitende GaN-Schicht freizulegen; (2) Aufdampfen eines transparenten leitfähigen NiAu- oder ITO-Films; (3) ) Aufgedampfte Drahtelektrode, einschließlich p-Elektrode und n-Elektrode; (4) Dampfabscheidungs-Passivierungsschutzschicht. Der Chip-Verarbeitungsprozess erfordert ein strenges Qualitätsmanagement, um Probleme wie unzureichende mechanische Haftung des Pads und Kontamination von Oberflächenfremdkörpern zu vermeiden, die leicht zum Versagen des Geräts während des Verpackungsprozesses führen können.
