उनकी ऊर्जा अर्थव्यवस्था, मजबूती और सटीक रंग उत्पन्न करने की क्षमता के कारण, प्रकाश उत्सर्जक डायोड, या एलईडी, समकालीन प्रकाश व्यवस्था, डिस्प्ले और प्रौद्योगिकी के आवश्यक घटक हैं। अर्धचालक संरचना, जो उस दक्षता को नियंत्रित करती है जिसके साथ विद्युत ऊर्जा प्रकाश में परिवर्तित होती है और विशेष तरंग दैर्ध्य (रंग) जारी होती है, उनके संचालन के लिए आवश्यक है। सूत्रों या विशेष सामग्री उदाहरणों पर ध्यान केंद्रित करने के बजाय, यह लेख संरचनात्मक अवधारणाओं पर प्रकाश डालकर अर्धचालक डिजाइन, दक्षता और रंग आउटपुट के बीच संबंध की जांच करता है।
सेमीकंडक्टर बैंडगैप: रंग उत्सर्जन का आधार
सेमीकंडक्टर का बैंडगैप, या इसके वैलेंस बैंड, जहां इलेक्ट्रॉन रहते हैं, और चालन बैंड, जहां इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से यात्रा करते हैं, के बीच ऊर्जा अंतर, अनिवार्य रूप से एक एलईडी द्वारा उत्सर्जित प्रकाश के रंग को निर्धारित करता है। फोटॉन वह ऊर्जा है जो तब निकलती है जब एक इलेक्ट्रॉन चालन बैंड से वैलेंस बैंड की ओर बढ़ता है। इस फोटॉन की तरंग दैर्ध्य (रंग) सीधे इसकी बैंडगैप ऊर्जा से संबंधित है: उच्च ऊर्जा फोटॉन (नीले रंग की तरह छोटी तरंग दैर्ध्य) एक बड़े बैंडगैप द्वारा निर्मित होते हैं, जबकि निम्न ऊर्जा फोटॉन (लंबी तरंग दैर्ध्य, जैसे लाल) एक छोटे बैंडगैप द्वारा निर्मित होते हैं।
अर्धचालकों के बैंडगैप प्रकार का उपयोग उन्हें वर्गीकृत करने के लिए किया जाता है:
प्रत्यक्ष बैंडगैप सामग्री: ये सामग्रियां एलईडी के लिए बिल्कुल सही हैं क्योंकि प्रकाश बनाने के लिए इलेक्ट्रॉन और छेद प्रभावी ढंग से पुन: संयोजित होते हैं।
अप्रत्यक्ष बैंडगैप वाली सामग्री: पुनर्संयोजन के लिए जाली कंपन से अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जिससे अपर्याप्त प्रकाश उत्सर्जन होता है।
कुछ निश्चित रंग प्राप्त करने के लिए, प्रौद्योगिकीविद् सेमीकंडक्टर मिश्र धातुओं की संरचना को बदलकर बैंडगैप को ठीक कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, दृश्यमान स्पेक्ट्रम में उत्सर्जन तब संभव होता है जब घटकों को सटीक अनुपात में मिलाया जाता है। एक नीली एलईडी को आमतौर पर फॉस्फोर कोटिंग्स के साथ जोड़ा जाता है, जो सफेद रोशनी उत्पन्न करने के लिए कुछ नीली रोशनी को व्यापक रेंज के साथ तरंग दैर्ध्य में परिवर्तित करती है।
प्रकाश उत्पादन को अनुकूलित करने के लिए डोपिंग और जंक्शन डिजाइन करना
प्रकाश p-n जंक्शन पर उत्पन्न होता है, जो अर्धचालक परतों के बीच का इंटरफ़ेस है जो नकारात्मक रूप से चार्ज (n-प्रकार) और सकारात्मक रूप से चार्ज (p-प्रकार) होता है। इस जंक्शन की गुणवत्ता और डोपिंग, या जानबूझकर अशुद्धियाँ जोड़ने से दक्षता महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित होती है:
डोपिंग
P-प्रकार की डोपिंग "छेद" (सकारात्मक आवेश वाहक) बनाने के लिए अर्धचालक की तुलना में कम इलेक्ट्रॉनों वाले परमाणुओं को जोड़ती है।
अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों के साथ परमाणुओं को शामिल करके, n{0}} प्रकार के डोपिंग से अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन उत्पन्न होते हैं।
जब वोल्टेज की आपूर्ति की जाती है तो इलेक्ट्रॉन और छेद जंक्शन में प्रवेश करते हैं, और प्रकाश उत्पन्न करने के लिए पुनः संयोजित होते हैं।
पुनर्संयोजन की दक्षता:
विकिरण पुनर्संयोजन की वांछनीय प्रक्रिया इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के मिश्रण होने पर फोटॉन छोड़ती है।
गैर-विकिरणीय पुनर्संयोजन (अवांछित): दोषों या अशुद्धियों के कारण ऊर्जा गर्मी के रूप में बर्बाद हो जाती है।
उच्च शुद्धता वाले अर्धचालक क्रिस्टल और दोषों को कम करने वाली परिष्कृत विनिर्माण प्रक्रियाओं के कारण अधिक ऊर्जा प्रकाश में परिवर्तित हो जाती है।
जंक्शन इंजीनियरिंग: पुनर्संयोजन दक्षता बढ़ाने के लिए, आधुनिक एलईडी बहुपरत संरचनाओं का उपयोग करके सक्रिय क्षेत्र के अंदर इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को प्रतिबंधित करते हैं। तरीकों में से हैं:
डबल हेटरोस्ट्रक्चर: सक्रिय परत को घेरने और वाहकों को फंसाने के लिए व्यापक बैंडगैप वाली सामग्रियों का उपयोग करना।
क्वांटम वेल्स कहलाने वाली अत्यंत पतली परतें इलेक्ट्रॉन गति को सीमित करती हैं, विकिरण पुनर्संयोजन में सुधार करती हैं और बारीक कणों वाले रंग समायोजन की अनुमति देती हैं।
स्तरित वास्तुकला: प्रकाश के उत्पादन में सुधार
एकाधिक अर्धचालक परतों का उपयोग किया जाता हैउन्नत एलईडी डिजाइनप्रदर्शन में सुधार करने के लिए:
वह परत जो प्रकाश उत्पन्न करती है उसे "सक्रिय क्षेत्र" के रूप में जाना जाता है। पुनर्संयोजन दर और फोटॉन ऊर्जा इसकी मोटाई और संरचना से निर्धारित होती है।
परिरोध परतें: वाहक रिसाव को रोकने के लिए, अधिक बैंडगैप वाली सामग्री सक्रिय क्षेत्र को घेरती है।
पारदर्शी प्रवाहकीय सामग्री जिसे "करंट फैलाने वाली परतें" के रूप में जाना जाता है, समान रूप से विद्युत प्रवाह को फैलाती है, प्रतिरोध और गर्मी संचय को कम करती है।
परावर्तक परतें: ऐसे निर्माण जो आंतरिक रूप से फंसे प्रकाश को सतह की ओर पुनः निर्देशित करके समग्र चमक बढ़ाते हैं।
साथ में, ये परतें ऊर्जा हानि को कम करते हुए प्रभावी इलेक्ट्रॉन होल इंटरेक्शन की गारंटी देती हैं।
भौतिक वास्तुकला: कुशल प्रकाश निष्कर्षण
यह सुनिश्चित करना कि उत्पादित प्रकाश अर्धचालक को छोड़ देता है, एल ई डी के लिए एक प्रमुख डिजाइन कठिनाई है। प्रकाश का एक बड़ा भाग अर्धचालक पदार्थों में उनके उच्च अपवर्तनांक के कारण आंतरिक रूप से परावर्तित होता है। इसे संरचनात्मक नवाचारों के माध्यम से संबोधित किया गया है:
सतह की बनावट: प्रकाश एक खुरदरी अर्धचालक सतह द्वारा बिखरा हुआ है, जो आंतरिक प्रतिबिंब को कम करता है और निष्कर्षण दक्षता को बढ़ाता है।
ज्यामितीय आकार: प्रकाश घुमावदार या कोणीय सतहों द्वारा बाहर की ओर निर्देशित होता है।
लेंस एकीकरण: एलईडी को गुंबद के आकार के लेंस में संलग्न करके प्रकाश आउटपुट को केंद्रित और प्रवर्धित किया जाता है।
इन विधियों का उपयोग करके, यह सुनिश्चित किया जाता है कि अधिक फोटॉन उत्पन्न हों और गर्मी के रूप में बर्बाद होने के बजाय उपयोगी प्रकाश व्यवस्था में योगदान करें।
थर्मल नियंत्रण: दक्षता बनाए रखना
का जीवनकाल और कार्यकुशलताएलईडी ट्राई प्रूफ लाइटगर्मी से काफी प्रभावित हैं। ज़्यादा गरम करने से उत्सर्जित तरंगदैर्घ्य में बदलाव और गैर-विकिरणीय पुनर्संयोजन की गति तेज होकर रंग बदल सकता है, जिससे चमक कम हो जाती है। महत्वपूर्ण युक्तियों में शामिल हैं:
उच्च तापीय चालकता वाले सब्सट्रेट ऐसे पदार्थ होते हैं जो सक्रिय क्षेत्र से तुरंत गर्मी छोड़ते हैं।
धातु के हिस्से जो गर्मी को अवशोषित और विकिरण करते हैं उन्हें हीट सिंक के रूप में जाना जाता है।
ऐसे डिज़ाइन जो अर्धचालक और बाहरी दुनिया के बीच गर्मी प्रतिरोध को कम करते हैं उन्हें उन्नत पैकेजिंग के रूप में जाना जाता है।
कुशल ताप प्रबंधन द्वारा स्थिर रंग आउटपुट और विस्तारित एलईडी जीवनकाल की गारंटी दी जाती है।
जटिल अर्धचालक वास्तुकला
उभरती प्रौद्योगिकियों द्वारा एलईडी प्रदर्शन की सीमाएं बढ़ाई जा रही हैं:
नैनोसंरचित अर्धचालक छोटे तारों या बिंदुओं से बने होते हैं जो प्रकाश निष्कर्षण में सुधार करते हैं और दोषों को कम करते हैं।
विशेष ऑप्टिकल गुणों का लाभ उठाने के लिए अकार्बनिक और कार्बनिक अर्धचालकों के संयोजन को संकर सामग्री के रूप में जाना जाता है।
लचीले डिज़ाइन: पहनने योग्य तकनीक और घुमावदार डिस्प्ले के लिए एलईडी पतले, लचीले अर्धचालकों द्वारा संभव बनाए गए हैं।
इन विकासों द्वारा दक्षता, रंग शुद्धता और अनुप्रयोग अनुकूलनशीलता को और अधिक बढ़ाने का इरादा है।
