एलईडी के नीले होने का क्या कारण है?

क्या कारण बनता है?नेतृत्व कियानीला हो जाना?

आधुनिक प्रकाश व्यवस्था, डिस्प्ले और इलेक्ट्रॉनिक्स पूरी तरह से प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) द्वारा बदल दिए गए हैं, जो ऊर्जा दक्षता, विस्तारित जीवनकाल और बहुमुखी प्रतिभा प्रदान करते हैं जो पारंपरिक तापदीप्त या फ्लोरोसेंट बल्बों से मेल नहीं खा सकते हैं। नीली रोशनी एलईडी द्वारा उत्पादित सबसे आम रंगों में से एक के रूप में उभरी है, और यह एलईडी हेडलाइट्स से लेकर स्मार्टफोन स्क्रीन और यहां तक ​​कि चिकित्सा उपकरणों तक हर चीज को शक्ति प्रदान करती है। हालाँकि, एलईडी से निकलने वाली नीली रोशनी को विशेष रूप से क्या ट्रिगर करता है? उनके निर्माण में उपयोग की जाने वाली सामग्री, जानबूझकर किए गए तकनीकी निर्णय और एलईडी संचालन की बुनियादी भौतिकी सभी समाधान की कुंजी हैं। इस घटना को समझने के लिए, हमें पहले एलईडी की प्रकाश उत्पन्न करने की प्रक्रिया को विश्लेषित करना होगा और फिर उन विशेष तत्वों को देखना होगा जो उनके आउटपुट को विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम के नीले हिस्से की ओर झुकाते हैं।

मौलिक रूप से, एलईडी अर्धचालक उपकरण हैं जो प्रकाश उत्पन्न करने के लिए इलेक्ट्रोल्यूमिनसेंस नामक प्रक्रिया का उपयोग करते हैं। जब इलेक्ट्रॉन और "छिद्र" (सकारात्मक आवेश वाहक) एक अर्धचालक सामग्री के भीतर पुनः संयोजित होते हैं, तो एल ई डी प्रकाश उत्पन्न करते हैं, जबकि गरमागरम बल्बों के विपरीत, जो एक फिलामेंट को गर्म करके प्रकाश उत्पन्न करते हैं। यह एक बेकार प्रक्रिया है जो गर्मी के रूप में अधिकांश ऊर्जा खो देती है। यह इस प्रकार संचालित होता है: जब एलईडी को विद्युत धारा प्रदान की जाती है, तो नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए "n - प्रकार" अर्धचालक से इलेक्ट्रॉन सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए "p - प्रकार" अर्धचालक में एक जंक्शन को पार करते हैं। ये इलेक्ट्रॉन फोटॉन, या प्रकाश के कणों के रूप में ऊर्जा छोड़ते हैं, जब वे हमला करते हैं और पी प्रकार की सामग्री में छिद्रों को भर देते हैं। सेमीकंडक्टर की बैंड गैप ऊर्जा इस प्रकाश का रंग निर्धारित करती है; बैंड गैप (अर्धचालक के वैलेंस बैंड, जिसमें छेद होते हैं, और चालन बैंड, जिसमें इलेक्ट्रॉन होते हैं, के बीच ऊर्जा का अंतर) जितना अधिक होगा, निकलने वाले प्रकाश की तरंग दैर्ध्य उतनी ही कम होगी। नीली रोशनी पैदा करने वाले एलईडी को अपेक्षाकृत व्यापक बैंड गैप वाले अर्धचालकों की आवश्यकता होती है क्योंकि नीली रोशनी की तरंग दैर्ध्य (450-495 नैनोमीटर) कम होती है। नीली रोशनी के उत्सर्जन को प्रभावित करने वाला प्राथमिक और सबसे महत्वपूर्ण कारक यह भौतिक विशेषता है।
            

गैलियम नाइट्राइड (GaN) और इंडियम गैलियम नाइट्राइड (InGaN) सहित संबंधित मिश्र धातुओं पर आधारित अर्धचालकों का निर्माण, नीली एलईडी तकनीक में प्रमुख प्रगति थी, जिसे भौतिकी में 2014 के नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था। क्योंकि विशिष्ट अर्धचालक सामग्री (जैसे कि गैलियम आर्सेनाइड, जिसका उपयोग लाल और हरे एल ई डी के लिए किया जाता है) में छोटी तरंग दैर्ध्य वाली नीली रोशनी उत्पन्न करने के लिए बहुत छोटा बैंड गैप होता है, वैज्ञानिकों को प्रभावी विकास करने में कठिनाई हुईनीली एल ई डी1990 के दशक से पहले. दूसरी ओर, GaN में लगभग 3.4 इलेक्ट्रॉन वोल्ट (eV) का ब्रॉड बैंड गैप है, जो बिल्कुल पराबैंगनी (UV) प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा है। InGaN बनाने के लिए इंजीनियर GaN में छोटी मात्रा में इंडियम को शामिल करके बैंड गैप को कम कर सकते हैं। यह बैंड गैप ऊर्जा को कम करके आउटपुट लाइट को पराबैंगनी से नीले रंग में बदल देता है। उदाहरण के लिए, लगभग 450 एनएम की तरंग दैर्ध्य वाला प्रकाश लगभग 2.7 eV के बैंड गैप वाले InGaN सेमीकंडक्टर द्वारा उत्सर्जित होता है, जो इसे शानदार नीली रोशनी के लिए आदर्श बनाता है। क्योंकि InGaN को बैंड गैप को समायोजित करने के लिए मिश्रित किया जा सकता है, यह नीली एलईडी के लिए मानक सामग्री बन गया है। नीली एलईडी (और उन पर निर्भर सफेद एलईडी) GaN आधारित अर्धचालकों के बिना संभव नहीं होगी।

एलईडी की क्वांटम वेल संरचना एक अन्य महत्वपूर्ण घटक है जो नीली रोशनी के उत्पादन की अनुमति देती है। अर्धचालक (आमतौर पर InGaN) की एक पतली परत जो दूसरे अर्धचालक (आमतौर पर GaN ही) की दो मोटी परतों के बीच स्थित होती है, क्वांटम वेल कहलाती है। InGaN परत के अंदर इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को एक तरह से प्रतिबंधित या "फँसा" दिया जाता है, जिससे उनकी ऊर्जा का स्तर बदल जाता है क्योंकि परत बहुत पतली होती है, आमतौर पर केवल कुछ नैनोमीटर मोटी होती है। इस परिरोध से एलईडी की दक्षता बढ़ जाती है, जिससे संभावना बढ़ जाती है कि इलेक्ट्रॉन और छेद पुनर्संयोजन करेंगे और फोटॉन का उत्पादन करेंगे। नीले एल ई डी के लिए क्वांटम कुएं की मोटाई और संरचना को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया जाता है; एक संकरा कुआँ या एक बड़ा इंडियम सांद्रण उत्सर्जन तरंगदैर्घ्य को आवश्यक नीली सीमा तक समायोजित कर सकता है। उदाहरण के लिए, 20% इंडियम सामग्री के साथ 3/9 नैनोमीटर मोटे InGaN क्वांटम कुएं से प्रकाश 470 एनएम और 15% इंडियम सामग्री वाले 5-16 नैनोमीटर कुएं से 460 एनएम तक स्थानांतरित हो सकता है। नीली एलईडी व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त रूप से उज्ज्वल हैं, जैसे उच्च-शक्ति एलईडी फ्लडलाइट और इलेक्ट्रॉनिक्स पर संकेतक लाइट, क्वांटम कुओं की गैर-विकिरणीय पुनर्संयोजन को कम करने की क्षमता के लिए धन्यवाद, जो प्रकाश के बजाय गर्मी के रूप में ऊर्जा की हानि है।

नीली रोशनी भी एलईडी का एक अप्रत्याशित परिणाम हो सकती है, विशेष रूप से सफेद एलईडी, भले ही कई एलईडी विशेष रूप से इसे बनाने के लिए बनाई गई हों। अधिकांश सफेद एल ई डी एक "फॉस्फोर रूपांतरण" तकनीक का उपयोग करते हैं, जिसमें एक नीली एलईडी चिप को पीले फॉस्फर सामग्री (आमतौर पर सेरियम {{1%) डोप्ड यट्रियम एल्यूमीनियम गार्नेट, या YAG:Ce) के साथ लेपित किया जाता है, क्योंकि सफेद रोशनी सीधे एकल अर्धचालक द्वारा उत्पादित नहीं की जा सकती है (क्योंकि इसके लिए दृश्यमान स्पेक्ट्रम में तरंग दैर्ध्य के मिश्रण की आवश्यकता होती है)। एलईडी से नीली रोशनी का एक हिस्सा अवशोषित हो जाता है और जब यह फॉस्फर से टकराता है तो पीली रोशनी के रूप में उत्सर्जित होता है। मानव दृष्टि में, शेष नीली रोशनी सफेद रोशनी के रूप में दिखाई देती है क्योंकि यह पीली रोशनी के साथ मिल जाती है। हालाँकि, यदि फॉस्फोर कोटिंग असमान, अत्यधिक पतली या कम गुणवत्ता वाली है, तो सभी नीली रोशनी परिवर्तित नहीं होती है। यह एक "ठंडी सफेद" या "नीली रंगी हुई" चमक पैदा कर सकता है, जो कि सस्ते की खासियत हैएलईडी बल्बया फॉस्फोर वाले पुराने फिक्स्चर जो समय के साथ खराब हो गए हैं। क्योंकि नीली रोशनी मेलाटोनिन के उत्पादन को प्रभावित करती है, सफेद एलईडी से अत्यधिक नीली रोशनी कभी-कभी आंखों पर तनाव पैदा कर सकती है या सर्कैडियन लय में हस्तक्षेप कर सकती है। यह उपयुक्त फॉस्फोर डिजाइन के महत्व पर जोर देता है। यह अप्रत्याशित नीली रोशनी एलईडी की मूलभूत कार्यक्षमता में दोष के बजाय खराब फॉस्फोर एकीकरण के कारण होती है।

हालाँकि वे पहली बार में एलईडी को नीली रोशनी पैदा करने के लिए "कारण" नहीं देते हैं, लेकिन पर्यावरणीय स्थितियाँ इस बात को भी प्रभावित कर सकती हैं कि एलईडी कितनी तीव्र या कैसी नीली रोशनी उत्सर्जित करती है। जब एल ई डी गर्म हो जाती है (उच्च - शक्ति अनुप्रयोगों में एक आम समस्या), तो उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य को स्पेक्ट्रम के लाल सिरे की ओर ले जाने पर अर्धचालक का बैंड गैप काफी बढ़ सकता है। यह एक उदाहरण है कि तापमान एलईडी प्रदर्शन को कैसे प्रभावित करता है। इसके परिणामस्वरूप तरंग दैर्ध्य में थोड़ा परिवर्तन हो सकता हैनीली एल ई डी450 एनएम से 455 एनएम तक, जो नग्न आंखों से बमुश्किल बोधगम्य है लेकिन उपकरणों से मात्रा निर्धारित की जा सकती है। दूसरी ओर, कुछ उच्च प्रदर्शन वाले एलईडी (जैसे कि प्रोजेक्टर में पाए जाते हैं) में शीतलन प्रणाली होती है क्योंकि उन्हें कम तापमान पर चलाने से उनकी दक्षता और नीली रोशनी के उत्पादन में सुधार हो सकता है। वर्तमान घनत्व एक और विचार है. जबकि एक नीली एलईडी की चमक को उसके विद्युत प्रवाह को बढ़ाकर बढ़ाया जा सकता है, अत्यधिक प्रवाह के परिणामस्वरूप "दक्षता में गिरावट" हो सकती है, या वर्तमान की प्रति यूनिट प्रकाश उत्पादन में कमी हो सकती है। चरम स्थितियों में अत्यधिक धारा क्वांटम वेल की संरचना को नुकसान पहुंचा सकती है, जिसके परिणामस्वरूप या तो पूर्ण विफलता हो सकती है या स्थायी रंग परिवर्तन हो सकता है जिसमें नीली रोशनी का बढ़ा हुआ उत्सर्जन शामिल है। हालाँकि ये बाहरी स्थितियाँ समय के साथ एलईडी के प्रदर्शन को बदल सकती हैं, लेकिन वे नीली रोशनी पैदा करने की एलईडी की आंतरिक क्षमता में बदलाव नहीं करती हैं।

निष्कर्ष में, एल ई डी से नीली रोशनी उत्सर्जन के तीन मुख्य कारण हैं अर्धचालक सामग्री की बैंड गैप ऊर्जा, GaN आधारित मिश्र धातुओं (जैसे InGaN) का अनुप्रयोग जो कम तरंग दैर्ध्य प्रकाश की अनुमति देता है, और क्वांटम वेल संरचना जो दक्षता में सुधार करती है और उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य को समायोजित करती है। जबकि अवांछित नीली रोशनी (कुछ सफेद एल ई डी में) फॉस्फर से संबंधित समस्याओं के कारण होती है, जानबूझकर डिजाइन की गई नीली एलईडी विशेष अनुप्रयोगों के लिए शानदार, कुशल नीली रोशनी प्रदान करने के लिए समान सिद्धांतों का उपयोग करती है। यद्यपि उनका प्रदर्शन पर प्रभाव पड़ सकता है, लेकिन तापमान और करंट जैसी पर्यावरणीय स्थितियाँ नीली रोशनी उत्सर्जन के मूलभूत तंत्र को नहीं बदलती हैं। इन कारणों को जानने से न केवल अस्तित्व स्पष्ट होता हैनीली एल ई डीबल्कि उन इंजीनियरिंग प्रगतियों की ओर भी ध्यान आकर्षित करता है जिन्होंने उन्हें सक्षम बनाया, ऐसी प्रगतियां जो अभी भी प्रकाश व्यवस्था, प्रदर्शन और नवीकरणीय ऊर्जा को आगे बढ़ाती हैं। शोधकर्ता नई सामग्रियों (जैसे गहरे नीले या यूवी प्रकाश के लिए एल्युमीनियम गैलियम नाइट्राइड) और डिज़ाइन की दक्षता बढ़ाने पर विचार कर रहे हैं।नीली एल ई डीजैसे-जैसे एलईडी तकनीक आगे बढ़ रही है। इससे चिकित्सा चिकित्सा, जल शुद्धिकरण और अगली पीढ़ी के डिस्प्ले में नए अनुप्रयोगों को बढ़ावा मिल सकता है।

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