Bagaimana cara kerja LED?
Meskipun digunakan dalam banyak aspek kehidupan modern, seperti menerangi rumah, menyalakan layar ponsel cerdas, dan mengatur lalu lintas,{0}}dioda pemancar cahaya (LED) berbeda dari teknologi pencahayaan konvensional seperti lampu pijar atau lampu neon karena sifat semikonduktornya yang canggih.LEDmenggunakan proses yang disebut electroluminescence, yaitu emisi foton (partikel cahaya) ketika arus listrik mengalir melalui bahan semikonduktor yang dibuat khusus. Hal ini berbeda dengan lampu pijar yang menghasilkan cahaya dengan memanaskan filamen, atau lampu neon yang menggunakan gas dan radiasi UV. Pertama-tama kita harus mengkaji dasar-dasar semikonduktor, desain LED, dan prosedur berurutan yang mengubah listrik menjadi cahaya tampak untuk memahami bagaimana hal ini terjadi.
Dasar: Pita Energi dan Semikonduktor
Setiap LED ditenagai oleh semikonduktor, suatu zat yang menghantarkan listrik lebih buruk daripada konduktor (seperti tembaga) tetapi lebih baik daripada isolator (seperti kaca). Pita energi elektron-area energi yang dapat ditempati elektron-sangat penting untuk perilaku khas semikonduktor. Elektron mempunyai tingkat energi yang berbeda pada semua bahan, namun pada benda padat, tingkat energi ini bergabung membentuk dua pita utama: pita konduksi dan pita valensi.
Atom-atom bahan disatukan dalam struktur kristal oleh elektron-elektron pada pita valensi, yang melekat kuat pada atom-atom tersebut. Konduktivitas listrik dimungkinkan oleh elektron pada pita konduksi, yang bebas mengalir melalui zat. Celah pita, rentang energi yang tidak dapat dihuni oleh elektron, terdapat di antara kedua pita ini. Ukuran celah pita suatu material menentukan apakah bahan tersebut merupakan isolator, konduktor, atau semikonduktor: semikonduktor memiliki celah pita yang kecil dan terukur (elektron dapat melewati celah tersebut dengan masukan energi yang kecil, seperti arus listrik), konduktor tidak memiliki celah pita (elektron bergerak bebas antar pita), dan isolator memiliki celah pita yang sangat besar (sehingga menyulitkan elektron untuk melompat ke pita konduksi).
Semikonduktor yang digunakan dalam LED adalah "doped", yang merupakan prosedur yang mengubah karakteristik kelistrikan material dengan menambahkan sejumlah kecil pengotor. Semikonduktor tipe n-dan tipe p-diproduksi dengan doping. Ketika unsur-unsur dengan elektron tambahan, seperti fosfor, didoping ke dalam semikonduktor tipe N-, unsur-unsur tersebut menjadi bebas bergerak dalam pita konduksi dan memberikan muatan negatif bersih pada material. Unsur dengan elektron lebih sedikit, seperti boron, digunakan untuk membius semikonduktor tipe P-. Hal ini menghasilkan "lubang", atau hilangnya elektron pada pita valensi, yang berfungsi sebagai muatan positif dan dapat melewati material saat elektron mengisinya. LED berfungsi karena persimpangan p-n, yang merupakan perpotongan dua wilayah yang didoping.
Struktur LED: Dari Output Cahaya hingga Persimpangan P-N
Desain LED yang sederhana namun akurat memaksimalkan keluaran cahaya sekaligus mengurangi kehilangan energi. Persimpangan p-nnya terletak di lapisan tipis bahan semikonduktor, biasanya berbahan dasar galium-, seperti galium arsenida atau galium nitrida. Substrat, bahan dasar yang memberikan dukungan dan bantuan pembuangan panas, adalah tempat melekatnya lapisan semikonduktor ini. Hal ini penting karena panas berlebih dapat memperpendek umur LED.
Satu elektroda dipasang ke wilayah tipe p-(anoda, terminal positif) dan elektroda lainnya ke wilayah tipe n-(katoda, terminal negatif) di atas lapisan semikonduktor. Medan listrik dihasilkan melintasi persimpangan p-n ketika tegangan disuplai melalui elektroda ini (katoda negatif dan anoda positif). Elektron bebas semikonduktor tipe n-terdorong ke arah persimpangan oleh medan ini, sedangkan lubang semikonduktor tipe p-tertarik ke arah yang sama.
Agar cahaya yang dihasilkan di persimpangan p-n dapat keluar, lapisan semikonduktor harus transparan atau semi-transparan (atau memiliki lapisan pemantul di salah satu sisinya). ModernLEDmenggunakan bahan seperti galium nitrida (GaN), yang transparan terhadap cahaya tampak dan menjamin sebagian besar foton mencapai permukaan, berbeda dengan LED awal, yang sering menggunakan bahan semikonduktor buram yang membatasi keluaran cahaya. Persimpangan p-n semikonduktor adalah tempat berlangsungnya proses-pembangkitan cahaya utama, meskipun beberapa LED juga memiliki lensa atau lapisan untuk memfokuskan cahaya atau mengubah warnanya.
Langkah 1: Menggunakan-Rekombinasi Lubang dan Tegangan Elektron
Tegangan eksternal yang diberikan ke elektroda LED memulai proses emisi cahaya dengan membentuk bias maju, yang merupakan arah aliran arus yang tepat untukDIPIMPINberfungsi; bias terbalik, sebaliknya, menghentikan arus dan tidak menghasilkan cahaya. Elektron bebas dari daerah tipe n-dipercepat ke daerah tipe p-, dan lubang dari daerah tipe p-dipercepat ke daerah tipe n-oleh medan listrik melintasi persimpangan p-n ketika bias maju diterapkan.
Elektron dan lubang ini akhirnya berkumpul pada atau dekat persimpangan p-n saat bergerak ke arah yang sama. Sebuah elektron bebas dari pita konduksi daerah tipe n-"jatuh" ke dalam lubang ketika ia bertumbukan dengan lubang dari pita valensi daerah tipe p-, berubah dari keadaan energi yang lebih tinggi pada pita konduksi ke tingkat energi yang lebih rendah pada pita valensi. Elektron dan lubang saling meniadakan selama transisi ini, yang dikenal sebagai rekombinasi, dan energi ekstra yang hilang dipancarkan sebagai foton.
Besarnya celah pita semikonduktor secara langsung mempengaruhi energi foton, yang memberi warna pada cahaya. Foton dengan energi lebih tinggi (dan panjang gelombang lebih pendek, seperti cahaya biru atau ungu) tercipta ketika elektron bergabung kembali dengan lubang dan kehilangan lebih banyak energi karena celah pita yang lebih lebar. Foton dengan panjang gelombang lebih panjang, seperti cahaya merah atau oranye, dan energi lebih sedikit dihasilkan oleh celah pita yang lebih kecil.
Misalnya:
Karena celah pitanya yang sempit, galium arsenida (GaAs) memancarkan cahaya merah dengan panjang gelombang sekitar 650 nm. Karena celah pitanya lebih lebar, galium nitrida (GaN) memancarkan cahaya biru atau ungu dengan panjang gelombang sekitar 450 nm.
Produsen dapat memodifikasi celah pita untuk menghasilkan LED yang menghasilkan cahaya hijau, kuning, atau bahkan putih dengan menggabungkan berbagai bahan semikonduktor (seperti gallium indium nitride, atau InGaN) (lebih lanjut tentang LED putih di bawah).
Langkah 2: Efisiensi dan Ekstraksi Ringan
Beberapa foton yang dihasilkan melalui rekombinasi diserap oleh bahan semikonduktor itu sendiri, sementara foton lainnya dipantulkan dari elektroda atau sambungan p-n dan dilepaskan sebagai panas. Tidak semua foton ini meninggalkanDIPIMPINsebagai cahaya tampak. Perancang LED menerapkan sejumlah strategi untuk meningkatkan "ekstraksi cahaya" guna mengoptimalkan efisiensi:
Substrat yang transparan: Mayoritas cahaya terperangkap oleh substrat buram (seperti germanium) yang digunakan pada LED awal. Substrat transparan, seperti silikon karbida atau safir, digunakan dalam LED modern agar foton dapat mencapai permukaan.
Permukaan Bertekstur: Untuk mengurangi jumlah cahaya yang dipantulkan kembali ke material, permukaan semikonduktor sering kali digores dengan pola kecil, seperti tonjolan atau alur. Dengan mengubah sudut jatuhnya cahaya ke permukaan, hal ini meningkatkan kemungkinan cahaya akan lepas dan bukannya memantul kembali.
Lapisan Reflektif: Bagian belakang semikonduktor ditutupi dengan lapisan refleksi tipis, sering kali terdiri dari logam seperti aluminium atau perak. Lapisan ini meningkatkan jumlah cahaya yang meninggalkan LED dengan memantulkan foton yang seharusnya hilang melalui media kembali ke arah depan LED.
Meskipun jauh lebih sedikit dibandingkan dengan lampu pijar, sejumlah energi masih hilang sebagai panas meskipun ada kemajuan. Hanya 10–25% energi yang hilang sebagai panas pada LED, dengan 75–90% energi diubah menjadi cahaya, dibandingkan dengan 90–95% pada lampu pijar. Karena efisiensinya yang sangat baik, LED menggunakan energi jauh lebih sedikit dibandingkan lampu konvensional.
Bagaimana LED Putih Beroperasi: Situasi Unik
Mayoritas LED hanya memancarkan satu warna, atau cahaya monokromatik, namun LED putih, yang digunakan pada lampu depan, TV, dan penerangan rumah, memerlukan strategi berbeda karena tidak ada bahan semikonduktor dengan celah pita yang secara langsung menghasilkan cahaya putih. Sebaliknya, LED putih menggunakan salah satu dari dua teknik utama:
Konversi Fosfor: BiruDIPIMPIN(terbuat dari galium nitrida) dilapisi fosfor kuning-zat yang menyerap cahaya dengan satu panjang gelombang dan memancarkan cahaya lain-digunakan dalam teknik yang paling populer. Fosfor menyerap sebagian foton biru yang dipancarkan oleh LED biru dan-memancarkan kembali foton kuning. Mata kita menafsirkan sisa foton biru sebagai cahaya putih setelah bergabung dengan foton kuning. Produsen menambahkan sejumlah kecil fosfor merah atau hijau ke lapisan untuk mengubah suhu warna, atau "kehangatan" atau "kesejukan", dari cahaya putih. Misalnya, menambahkan cahaya biru tambahan menghasilkan cahaya putih dingin (5.000K–6.500K), sedangkan menambahkan fosfor merah menghasilkan cahaya putih hangat (2.700K–3.000K).
Pencampuran RGB: Teknik yang kurang populer ini menggabungkan tiga LED berbeda-merah, hijau, dan biru-ke dalam satu paket. Ketiga warna tersebut digabungkan untuk menciptakan cahaya putih (atau rona spektrum terlihat lainnya) dengan memvariasikan kecerahan setiap LED. Meskipun teknik ini lebih mahal dibandingkan konversi fosfor, teknik ini digunakan dalam situasi yang memerlukan pengelolaan warna yang tepat, seperti pencahayaan panggung atau-pertunjukan kelas atas.
Perbedaan Antara LED dan Pencahayaan Konvensional
Mengetahui cara kerja LED memudahkan untuk melihat mengapa kinerjanya lebih baik daripada lampu neon dan lampu pijar di hampir semua kategori:
Efisiensi Energi: LED menggunakan electroluminescence, yang efisien secara alami; tidak seperti lampu pijar, yang menghabiskan energi untuk memanaskan filamen, lampu neon tidak membuang energi untuk menghasilkan radiasi UV.
Umur Panjang: LED tidak mudah terbakar karena tidak memiliki bagian yang bergerak atau filamen halus. Tidak seperti lampu pijar, yang memiliki masa pakai 1.000–2.000 jam, LED memiliki masa pakai 50.000–100.000 jam karena degradasi material semikonduktor yang sangat bertahap seiring berjalannya waktu.
Nyala/Mati Instan: Tidak seperti lampu neon, yang memerlukan beberapa detik untuk menyala sepenuhnya, LED tidak memiliki waktu-pemanasan dan langsung menyala hingga kecerahan penuh.
Daya Tahan: KarenaLEDmerupakan perangkat elektronik{0}}solid, tahan terhadap guncangan, getaran, dan suhu tinggi, sehingga cocok untuk aplikasi luar ruangan atau lingkungan yang keras (seperti mobil atau pabrik).
Masa Depan Teknologi LED
Perkembangan baru meningkatkan potensi teknologi LED seiring dengan peningkatan yang terus dilakukan oleh para peneliti dan insinyur. Misalnya:
QLED, atau LED titik kuantum: Ini meningkatkan kecerahan dan akurasi warna dengan menggunakan titik kuantum, yang merupakan partikel semikonduktor kecil. Para peneliti mencoba membuat QLED lebih-efisien energi untuk penerangan umum, dan saat ini ditemukan di-TV kelas atas.
LED Mikro: LED yang sangat kecil ini, yang lebarnya hanya beberapa mikrometer, dapat dikelompokkan dalam susunan padat untuk menghasilkan pencahayaan yang fleksibel atau layar{0}}resolusi tinggi. Ponsel cerdas dan TV masa depan diperkirakan akan menggunakan LED mikro dibandingkan OLED karena masa pakainya yang lebih lama dan keluaran yang lebih baik.
LED Perovskit: Dibandingkan dengan bahan berbasis galium-konvensional, perovskit adalah bahan semikonduktor jenis baru yang lebih murah untuk diproduksi. Para peneliti mencoba meningkatkan stabilitas LED perovskit untuk penggunaan komersial karena mereka telah menunjukkan potensi dalam menghasilkan cahaya yang terang dan efisien.
Kesimpulannya
LEDadalah perangkat sederhana yang terbuat dari semikonduktor yang didoping dengan sambungan ap-n yang menggunakan rekombinasi lubang-elektron untuk mengubah energi listrik menjadi cahaya. Teknologi ini merupakan salah satu teknologi pencahayaan paling efektif dan mudah beradaptasi yang pernah dikembangkan, namun kesederhanaannya menyembunyikan kompleksitas konstruksinya, yang mencakup segala hal mulai dari rekayasa ekstraksi cahaya hingga pengaturan celah pita yang tepat. Mengetahui cara kerja LED memungkinkan kita memahami sains canggih yang mendasarinya serta manfaatnya (masa pakai lebih lama, biaya energi lebih murah). Seiring dengan semakin berkembangnya teknologi LED, teknologi ini mungkin akan memberikan kontribusi yang lebih besar lagi dalam menurunkan penggunaan energi global, menghentikan perubahan iklim, dan memengaruhi desain pencahayaan di masa depan-yang menunjukkan bahwa terkadang terobosan paling signifikan datang dari prinsip-prinsip ilmiah yang paling mendasar.
Shenzhen Benwei Pencahayaan Technology Co, Ltd
Telepon: +86 0755 27186329
Seluler(+86)18673599565
Whatsapp :19113306783
E-mail:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
jaringan:www.benweilight.com
