Seuraa 
Viestejä23

Elikkä, miten LEDissä syntyy valoa?

Yritin tästä ottaa selvää, ja tulin about tähän tulokseen:

LED on valmistettu p-tyypin puolijohteesta. Elikkäs siellä voisi siis olla vaikkapas pii-atomeja hilarakenteessa. Mukaan on kuitenkin sekoitettu esimerkiksi galliumia, jolla on tarjota vain 3 sidoselektronia piin 4:n sijaan. Syntyy siis positiivisia aukkoja, josta nimi p-tyyppi.

LEDissä sitten ohjataan näihin aukkoihin elektroneja, ja kun elektroni sijoittuu aukon kohdalle se siirtyy alhaisemmalle energiatilalle, jonka seurauksena emittoituu fotoni. Fotonin aallonpituus on näkyvän valon aallonpituuden alueella, jolloin LEDistä syntyy meille ihmisille nähtävää valoa.

Tähän asti oikein?

Kysymyksenä kuitenkin se, että eihän tuossa puolijohteessa voi olla aukkoja aivan loputtomiin? Luulisi, että tyyliin 2 viikon päästä viimeistään elektronit eivät enää löytäisi aukkoja, ja seurauksena valon syntyminen loppuisi. Miten asia on?

Kommentit (12)

CE-hyväksytty
Seuraa 
Viestejä29006
TMW92
Elikkä, miten LEDissä syntyy valoa?

Yritin tästä ottaa selvää, ja tulin about tähän tulokseen:

LED on valmistettu p-tyypin puolijohteesta. Elikkäs siellä voisi siis olla vaikkapas pii-atomeja hilarakenteessa. Mukaan on kuitenkin sekoitettu esimerkiksi galliumia, jolla on tarjota vain 3 sidoselektronia piin 4:n sijaan. Syntyy siis positiivisia aukkoja, josta nimi p-tyyppi.

LEDissä sitten ohjataan näihin aukkoihin elektroneja, ja kun elektroni sijoittuu aukon kohdalle se siirtyy alhaisemmalle energiatilalle, jonka seurauksena emittoituu fotoni. Fotonin aallonpituus on näkyvän valon aallonpituuden alueella, jolloin LEDistä syntyy meille ihmisille nähtävää valoa.

Tähän asti oikein?

Kysymyksenä kuitenkin se, että eihän tuossa puolijohteessa voi olla aukkoja aivan loputtomiin? Luulisi, että tyyliin 2 viikon päästä viimeistään elektronit eivät enää löytäisi aukkoja, ja seurauksena valon syntyminen loppuisi. Miten asia on?


Aukkoja tulee virtalähteestä lisää.

Sisältö jatkuu mainoksen alla
Sisältö jatkuu mainoksen alla
Neutroni
Seuraa 
Viestejä31338

Ledi on sähköiseltä rakenteeltaan diodi, eli pn-rajapinta. p- tyyppinen puolijohde on ainetta, jonka johtavuusvyö on tyhjä ja valenssivyöllä aukkoja (eli tyhjiä elektronitiloja). n-tyyppisellä valenssivyö on täysi ja johtavuusvyöllä ylimääräisiä elektroneja. Normaalisti pn-rajapintaan muodostuu sähkökenttä, joka ajaa varaukset (elektronit ja aukot) rajapinnan läheltä pois ja mitään ihmeellistä ei tapahdu.

Jos tuon rajapinnan yli kytketään riittävän korkea myötäsuuntainen jännite, tilanne muuttuu. Sähkökenttä kuljettaa silloin sekä elektroneja että aukkoja tyhjennysalueelle (eli fyyisesti samaan kohtaan kidettä). Silloin elektronit putoavat johtavuusvyön korkeamman energian tiloilta johtavuusvyön tyhjille matalamman energian tiloille (eli aukkoihin). Prosessia kutsutaan rekombinaatioksi. Jos puolijohteen elektronivyörakenne on sopiva (ns. suora kielletty energiaväli), rekombinaatiossa vapautuva energia vapautuu fotonina. Ledit ovat nimenomaan sellaisia. Esim. piidiodissa tuollainen ns. säteilevä rekombinaatio ei ole mahdollinen, mutta rekombinaatio voi tapahtua ei-säteilevästi, jolloin energia siirtyy hilavärähtelyille (eli kiteen lämpöenergiaksi).

Sähkökenttä (eli diodin yli oleva jännite) huolehtii siitä, että elektroneja ja aukkoja ajautuu koko ajan liitosalueelle rekombinoituvien tilalle. Elektroneja tulee n-puolen johtavuusvyölle liitäntäjohdosta ja poistuu p-puolen valenssivyöltä sen puolen liitäntäjohtimeen, jolloin muodostuu aukkoja. Piirissä kulkee virta ja siihen liittyvä energia muuttuu valoksi (osittain, koska oikeasti on kaikenlaisia haitallisia sivuprosesseja, jotka muuttavat energiaa tavalla tai toisella lämmöksi).

TMW92
Elikkä, miten LEDissä syntyy valoa?

Yritin tästä ottaa selvää, ja tulin about tähän tulokseen:




Arvelen, että luit Wikipediaa.
Mahdollisesti luit artikkeleita
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emit ... de#Physics
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Direct_ban ... ombination
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Crystal_mo ... ry_origins

Viitteessä [1] on kuvassa mainittu ”Fermi level”, mutta itse tekstistä en löytänyt koko Fermiä.
Mielestäni tässä on hyvä esimerkki siitä, millä tavalla Wikipedian artikkeleita ei saisi kirjoittaa.
Periaatteessa kaikki siinä sanottu on totta, mutta lukija ei voi ymmärtää sitä, ellei hän jo ennestään tiedä asiaa.

Minkään diodin toimintaa ei oikeastaan voi ymmärtää ilman kvanttiteoriaa. Ilmiö esiintyy (vain) säännöllisissä kiteissä, kuten viite [3] kertoo. Niin, onhan niissä niitä epäpuhtauksia, jotka suurelta osin määrittävät puolijohteiden ominaisuudet, mutta epäpuhtauksia (dopants) on esimerkiksi vain joka miljoonas atomi siinä kiteessä.

Viite [2] puhuu k-vektoreista ja Brillouinin vyöhykkeistä. Nimimagia on ihan hyväksyttävää tieteisromaaneissa (esimerkiksi Le Guin), mutta ei sen avulla opi fysiikkaa. Olisin melkein valmis väittämään, että se joka ymmärtää viitteen [2] pystyisi myös kirjoittamaan paremman artikkelin asiasta.
Niin no, asian osaaminen ei tietenkään ole aivan sama kuin osata opettaa asia ...

Itse lähtisin kansantajuisessa esityksessä siitä, että kvanttiteorian mukaan puolijohteiden energiatasot määräytyvät niissä (tietoisesti) käytetyistä ’epäpuhtauksista’ ja niiden määrästä. Tässä voisin käyttää viitteen [1] kuvaa, mutta mieluiten ilman Fermi-tasoa (vaikka se liittyykin niinkin mielenkiintoiseen asiaan kuin termodynamiikka).

Myötäsuuntaan kytketyssä diodissa elektronit kokevat pudotuksen yhdeltä energiatasolta toiselle. Tavanomaisten diodien myötäsuuntainen kynnysjännite on tyypillisesti 0.5 V, mutta LED vaatii tyypillisesti 3 V, ennen kuin virta kulkee myötäsuuntaan.

Kun elektronin varauksen omaava hiukkanen kiihdytetään yhden voltin potentiaalieron yli, niin se saa yhden elektronivoltin (eV) energian. Elektronin varaus on noin 1.6E-19 C, joten energia on 1.6E-19 J.
Valon (sähkömagneettisen säteilyn) kvantin energia E voidaan ilmaista E = h*c/lambda, missä Planckin vakio h = 6.63E-34 Js ja valon nopeus c = 3E8 m/s. Nyt voidaan ratkaista säteilyn aallonpituus lambda noille kahdelle esimerkin diodille.

Kynnysjännite = 0.5 V --> Aallonpituus = 2500 nm
Kynnysjännite = 3 V --> Aallonpituus = 400 nm

Ihminen aistii aallonpituuden 400 nm sinisenä värinä.
Tarkastelussa ei otettu huomioon, että kaikki energia ei muutu valoksi.

Myönnän auliisti, että nyt antamani selitys on paljon kökkösempi kuin Wikipedian selitys.
Minä vain inhoan sanamagiaa selityksissä.

Jospa Wikipedian artikkelit olivatkin tarkoitetut sellaisille lukijoille, jotka jo valmiiksi hallitsevat kvanttiteorian ja sen sovellukset kiinteän olomuodon fysiikkaan ?
Rohkenen varovasti arvata, että heillä on käytössään parempiakin käsikirjoja kuin Wikipedia.

P.S. Ennen tämän viestin lähettämistä luin kirjoittajan Neutroni vastauksen.
Hänen vastauksensa on teknisempi kuin minun.
.

jogger
Seuraa 
Viestejä2936

Kuinka pitkäikäisiä ledejä voitaisiin valmistaa nykytekniikalla jos käytettäisiin parhaita materiaaleja?

Jos hehkulamppu kestää 110 vuotta yhtäjaksoista palamista, niin saisiko ledin myös kestämään niin pitkän ajan?

Foorumin salainen sääntö #1: Pienellä alkukirjaimella kirjoitetut aiheet lukitaan.
Foorumin salainen sääntö #2: Älä kerro kenellekään säännöstä #1 tai tulee bannit!

jogger
Jos hehkulamppu kestää 110 vuotta yhtäjaksoista palamista, niin saisiko ledin myös kestämään niin pitkän ajan?



Helposti, ja ihan samalla tavalla: lasketaan läpi pienempi virta jolloin rajapinnan lämpödiffuusio ja elektromigraatio -efektit heikkenevät ja lampun ominaisuudet säilyvät samana pitempään.

Tavallinen punainen indikaattori-ledi kiilluu pienellä virralla helposti sen 75 vuotta. Kaikesta muusta elektroniikasta jättää aika jälkeen ennenkuin asiallisesti mitoitettu ledi hajoaa.

jogger
Seuraa 
Viestejä2936
Veikko
jogger
Jos hehkulamppu kestää 110 vuotta yhtäjaksoista palamista, niin saisiko ledin myös kestämään niin pitkän ajan?



Helposti, ja ihan samalla tavalla: lasketaan läpi pienempi virta jolloin rajapinnan lämpödiffuusio ja elektromigraatio -efektit heikkenevät ja lampun ominaisuudet säilyvät samana pitempään.

Tavallinen punainen indikaattori-ledi kiilluu pienellä virralla helposti sen 75 vuotta. Kaikesta muusta elektroniikasta jättää aika jälkeen ennenkuin asiallisesti mitoitettu ledi hajoaa.


Niinno, ajattelin että siitä ledistä olisi vielä hyötyäkin 110 vuoden kuluttua, ettei tarvi mikroskoopilla katsella että palaako siellä mikään.

Jos vaikka ajatellaan että se ledi tuottaisi saman valovoiman kuin esim nuo 5mm ledit avaimenperissä (tarpeeksi kirkkaita jotta löytää pimeällä jonkin esineen kaukaakin).

Eikö sitä ledin tuhoutumista voi mitenkään estää? Jos suunniteltaisiin ledi joka kestää vaikka 10000 vuotta... rahaa kehittämiseen rajattomasti. Onko mahdollista? Koolla ei kauheasti merkitystä, mutta tuoppia suurempi tuskin olisi käytännöllinen.

Ei tarvitse huolehtia sen "elektroniikan" kestävyydestä: pelkkä ledi pitäisi saada toimimaan 10000 vuotta. Sitten sitä voitaisiin syöttää vaikka käsinveivattavalla 10000 vuotta kestävällä generaattorilla.

Tuommoinen olisi ihan kiva lelu jättää jälkipolvien ihmeteltäväksi.

Foorumin salainen sääntö #1: Pienellä alkukirjaimella kirjoitetut aiheet lukitaan.
Foorumin salainen sääntö #2: Älä kerro kenellekään säännöstä #1 tai tulee bannit!

jogger

Eikö sitä ledin tuhoutumista voi mitenkään estää? Jos suunniteltaisiin ledi joka kestää vaikka 10000 vuotta... rahaa kehittämiseen rajattomasti. Onko mahdollista? Koolla ei kauheasti merkitystä, mutta tuoppia suurempi tuskin olisi käytännöllinen.



Jos lämpötila saadaan pysymään alhaalla niin se kestää ja kestää. 10.000 vuodessa tosin alkaa sen puolijohteen kemiallinen stabiilius olla koetuksella. Kotelointi ainakin murenee ympäriltä, ellei sitä suljeta johonkin safiiriin.

Neutroni
Seuraa 
Viestejä31338
Veikko
jogger

Eikö sitä ledin tuhoutumista voi mitenkään estää? Jos suunniteltaisiin ledi joka kestää vaikka 10000 vuotta... rahaa kehittämiseen rajattomasti. Onko mahdollista? Koolla ei kauheasti merkitystä, mutta tuoppia suurempi tuskin olisi käytännöllinen.



Jos lämpötila saadaan pysymään alhaalla niin se kestää ja kestää. 10.000 vuodessa tosin alkaa sen puolijohteen kemiallinen stabiilius olla koetuksella. Kotelointi ainakin murenee ympäriltä, ellei sitä suljeta johonkin safiiriin.



Jaa'a, en perstuntumalta usko, että mikään kestää 10000 vuotta. Ledissä on jännityksiä ja kidevirheitä, joita lämpösyklit ja taustasäteily pahentavat. Diffuusiokin voi tehdä tepposia geologisilla aikaskaaloilla. Eivät ne niin stabiileja ole. Jos ledin voisi panna kryogeeniseen lämpötilaan, tuollaiset efektit olisivat hitaampia, mutta se on sitten oma ongelmansa, miten se helium pysyisi nesteenä sen 10000 vuotta siinä ledin ympärillä.

100 vuotta palamistakin on jo aika paljon vaadittu. Kestävätkö bondaukset. Diffusoituuko kotelon läpi happea ym. haitallista. Laukeavatko jännitykset, joita valmistusprosessissa aina jää rakenteeseen, kidevirheinä.

Paul M
Seuraa 
Viestejä8643

Jospa olisi rinnakkaisia korvautuvia liitoksia. Jotenkin vioittunut säteilijä korvautuisi toimivalla. Aivan kuin hehkulampuun olisi sijoitettu useita lankoja siten, että yhden palaminen ottaa seuraavan käyttöön. Hehkulampussa tämä voisi olla jonkinlainen jousimekaaninen juttu. Mikropiiritasolla jokin lämpösulakesilloittuva juttu.

Hiirimeluexpertti. Majoneesitehtailija. Luonnontieteet: Maailman suurin uskonto. Avatar on halkaistu tykin kuula

jogger
Seuraa 
Viestejä2936
Neutroni
100 vuotta palamistakin on jo aika paljon vaadittu. Kestävätkö bondaukset. Diffusoituuko kotelon läpi happea ym. haitallista. Laukeavatko jännitykset, joita valmistusprosessissa aina jää rakenteeseen, kidevirheinä.

Tarkoitin oikeastaan että se ledi olisi vielä toimintakykyinen 10k vuoden kuluttua, ei siis tarvitse palaa niin pitkään, kuin ehkä 100 vuotta korkeintaan yhteen menoon.

Foorumin salainen sääntö #1: Pienellä alkukirjaimella kirjoitetut aiheet lukitaan.
Foorumin salainen sääntö #2: Älä kerro kenellekään säännöstä #1 tai tulee bannit!

de Selby
Seuraa 
Viestejä1231

Jos hehkulampun satavuotisuudella viitataan sen americanalaisen paloaseman kattovaloon, niin eipä tule muuta mieleen, kuin roolihahmo Tyrellin repliikki Blade Runnerissa:

"The light that burns twice as bright burns for half as long - and you have burned so very, very brightly, Roy."

Niin himmeänä sitä poltellaan, ettei se edes valaise.

1W=100 vuotta. 100W=1 vuosi. Ei kovin tieteellistä, mutta riittävän totta...

Gravity sucks.

Suosituimmat

Uusimmat

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Uusimmat

Suosituimmat