Проектная деятельность по физике

22

Министерство образования, науки и молодежи

Республики Крым

Малая академия наук Крыма «Искатель»

г. Симферополь 2018г

Тезисы

Светодиоды

Цель работы: выявить особенности, принцип работы и преимущества синих светодиодов

Задачи: 1) изучить литературу по следующим вопросам:

• особенности полупроводников

• история открытия светодиодов

• из чего получают синие светодиоды

• экономическая выгодность использования светодиодов

2) провести экспериментальное доказательство эффективности светодиодных ламп, измеряя светоотдачу у разных типов ламп, построить сравнительную диаграмму;

3) выяснить какую ценность для человечества имеет открытие синих светодиодов японскими учёными.

Актуальность: Данная работа является теоретическим исследованием. Всё чаще для человека на первое место становятся экологичность и безвредность для здоровья источников света. Вторым, немаловажным фактором выступает функциональность ламп в ритме современной жизни - высокий срок службы, низкая стоимость, безопасность и малая инертность. Всё это доказывает актуальность внедрения светодиодов в повседневную жизнь.

СОДЕРЖАНИЕ

ВСТУПЛЕНИЕ..........................................................................................................4

РАЗДЕЛ 1

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПОЛУПРВОДНИКАХ..............................................6

1.1. Основные типы полупроводников..................................................................6

1.2. Особенности p-n перехода..................................................................... .........6

РАЗДЕЛ 2

ИЗОБРЕТЕНИЕ СВЕТОДИОДОВ..........................................................................8

2.1. История вопроса.................................................................................................8

2.2. Как работает светодиод.............................................................................. ......8

2.3. Как подбирают материал для светодиодов.....................................................10

2.4. Основные части светодиодного прибора........................................................11

РАЗДЕЛ 3

СИНИЕ СВЕТОДИОДЫ..........................................................................................12

3.1. Трудности открытия синих диодов..................................................................12

3.2. Открытие новых методов роста полупроводниковых кристаллов..............12

3.3.Создание белого цвета с помощью светодиодов.............................................13

РАЗДЕЛ 4

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ЭФФЕКТИВНОСТИ СВЕТОДИОДНЫХ ЛАМП......................................................................................15

4.1.Определение светоотдачи.................................................................................15

ВЫВОДЫ...................................................................................................................20

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................................21

ВСТУПЛЕНИЕ

В 2014 г. Нобелевская премия присуждена японским учёным за открытие эффективных синих светодиодов. Если рассматривать важность этого открытия для всего мирового сообщества и в частности для России, можно узнать массу полезной и интересной информации.

В 2009 г. в Госдуме был принят законопроект об энергосбережении, который предусматривал постепенный отказ от ламп накаливания и переход на энергосберегающие люминесцентные лампы, содержащие ртуть. Но высокая стоимость и наносимый вред экологии при неправильной утилизации энергосберегающих ламп полностью нивелирует эффект их использования.

И вот уже новые изменения в законопроекте о внедрении светодиодных ламп.

Что представляют собой светодиоды, и почему именно за открытие синих светодиодов Нобелевский комитет присудил премию в этом году, какую роль в экономии ресурсов могут сыграть светодиоды – все эти вопросы стали хорошим подспорьем для проведения собственного исследования.

Цель работы: выявить особенности, принцип работы и преимущества синих светодиодов

Задачи: 1) изучить литературу по следующим вопросам:

• особенности полупроводников

• история открытия светодиодов

• из чего получают синие светодиоды

• экономическая выгодность использования светодиодов

2) провести экспериментальное доказательство эффективности светодиодных ламп измеряя светоотдачу у разных типов ламп, построить сравнительную диаграмму;

3) выяснить какую ценность для человечества имеет открытие синих светодиодов японскими учёными.

Актуальность: Данная работа является теоретическим исследованием. Всё чаще для человека на первое место становятся экологичность и безвредность для здоровья источников света. Вторым, немаловажным фактором выступает функциональность ламп в ритме современной жизни - высокий срок службы, низкая стоимость, безопасность и малая инертность. Всё это доказывает актуальность внедрения светодиодов в повседневную жизнь.

РАЗДЕЛ 1

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПОЛУПРВОДНИКАХ

1.1. Основные типы полупроводников.

Советский физик Абрам Фёдорович Иоффе один из первых заинтересовался физическими свойствами веществ, которые долгое время не привлекали особого внимания учёных и инженеров. Выдающийся физик занялся исследованиями веществ, которые в кристаллическом состоянии не являются такими хорошими проводниками электрического тока, как металлы, но не могут быть отнесены и к диэлектрикам, так как не являются хорошими изоляторами. Полупроводники имеют следующие отличительные свойства:

• уменьшение удельного сопротивления и увеличение проводимости с повышением температуры

• односторонняя проводимость контакта двух проводниковых кристаллов различного типа

Свойства полупроводников имеют большую зависимость от содержания примесей. В полупроводниковом кристалле, содержащем донорные примеси, электроны являются основными, но не единственными носителями тока, так как небольшая часть собственных атомов полупроводникового кристалла ионизирована и часть тока осуществляется дырками. Полупроводниковые материалы, в которых электроны служат основными носителями заряда, а дырки - неосновными, называются электронными полупроводниками или полупроводниками n- типа. Полупроводники, в которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p- типа.

1.2. Особенности p-n перехода.

Электронно- дырочный переход, или сокращённо p-n переход, является границей, разделяющей области с дырочной и электронной проводимостями в одном монокристалле.

Если к p-n переходу приложено напряжение знаком плюс на область с электронной проводимостью, то сопротивление перехода велико, сила тока мала и практически не зависит от напряжения.

Если к p-n переходу приложено напряжение со знаком плюс на область с дырочной проводимостью, то переходы основных носителей через p-n переход облегчаются.

Способность p-n перехода пропускать ток в одном направлении и не пропускать в противоположном используется в полупроводниковых диодах.

РАЗДЕЛ 2

ИЗОБРЕТЕНИЕ СВЕТОДИОДОВ

2.1. История вопроса

Первый доклад об получении электрически генерируемого света из твёрдотелого устройства был сделан в 1907 г. британцем Генри Раундом. Он обнаружил излучение при прохождении тока в паре : металл- карбид кремния( карборунд,SiC), и отметил жёлтое свечение на катоде. Электролюминесценция также была изучена советским физиком О.В. Лосевым . Его наблюдения свечения в контакте из пары карборунд- стальная проволока были опубликованы в 1923г. Понимание физики полупроводников и п-н перехода прогрессировало и в 1947г привело к изобретению транзистора в США в лаборатории Bell Telephone. В 1951 г. К. Леховец совместно с инженерами лаборатории США использовали эти идеи для объяснения электролюминесценции в SiC как результат инжекции носителей заряда через стык с последующей излучательной рекомбинацией электронов и дырок.

В 1961 г. американцы запатентовали технологию инфракрасного светодиода. В1962 г. Н. Холоньяк разработал первый в мире практически применимый инфракрасный диод.

Его ученик Д. Крафорд изобрёл жёлтый диод. Начиная с 1976 г. начинают использовать диоды высокой яркости для телекоммуникационных применений. Постепенно были получены кристаллы с использованием различных присадок, например: Zn-O или N в различных концентрациях отличается излучением длин волн от красного до зелёного. К концу 1960 г. ряд производителей разных стран делали красные и зелёные светодиоды на основе фосфида галлия CaP. Шаг к изучению синего света оказался значительно сложнее. Материал, который позволил разработать синие диоды был нитрид галлия CaN, сложность заключалась в том, что в то время очень трудно было вырастить кристаллы CaN, исследователи компании Philips сначала серьёзно рассматривали этот вопрос , но затем отказались и решили сосредоточиться на фосфиде галлия CaP, что не привело к открытию синего света. Почти двадцать лет прогресс в открытии синих диодов стоял на месте. В1981г. японскими учёными С.Накамура и Х.Амано была начата серия экспериментов по получению CaN с хорошими оптическими свойствами.

1990 г. С. Накамура изобретает дешёвый синий светодиод .К 1993г компания Nichia начинает промышленный выпуск диодов нового типа. Технология LED широко используется во многих современных приборах, в том числе светодиодных экранах и телевизорах.

2.2. Как работает светодиод.

Светодиод- это полупроводниковый прибор, излучающий свет определённого цвета.[ 1 ]

Светодиод включает в себя один полупроводниковый p-n переход. С помощью процесса легирования или добавления примесей в основной кристалл, материал n- типа обогащается отрицательными носителями заряда, а материал p- типа положительными. Тогда атомы материала n- типа приобретают дополнительные электроны, а p- типа -дырки, то есть места, в которых отсутствуют электроны. При приложении к диоду электрического поля электроны и дырки устремляются к p-n переходу и электроны инжектируются в материал p- типа. Если отрицательное напряжение подаётся на материал n- типа, то диод открыт и происходит прямое смещение.

При переходе электронов они рекомбинируют с дырками и происходит выделение энергии в виде квантов электромагнитного излучения. Чтобы диод стал излучать квант видимого света , выбирают специальные материалы. Как получить разные цвета с помощью светодиодов: разные материалы испускают фотоны с разными длинами волн, что соответствует разным цветам видимого цвета. Задача состоит в выборе полупроводников с большой шириной запрещённой зоны, так как энергия излучаемых фотонов , возникающих при рекомбинации электронов и дырок , зависит именно от этой величины.

2.3. Как подбирают материал для светодиодов

Одна из характеристик светодиода - это ширина запрещённой зоны. Ширина запрещённой зоны - это минимальная энергия необходимая для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. «Рис. 2.1»

Для светодиодов используют прямозонные полупроводники - это те, у которых электроны начинают поглощать кванты , обладающие энергией больше , чем энергия запрещённой зоны. Эту энергию электроны получают при помощи электролюминесценции, то есть переходы происходят под действием прямого напряжения. Ширина запрещённой зоны для видимого света составляет 1,5-3эВ. Что автоматически исключает такие хорошо изученные полупроводники как германий, кремний и другие. В первых светодиодах использовались такие материалы, как фосфид галлия ( GaP ), тройное соединение AlGaAs и тройное соединение GaAsP. Сейчас от этих соединений отказались и используют новые соединения , способные выдерживать необходимые уровни тока , высокий нагрев и высокую влажность . В красных и янтарных светодиодах высокой яркости применяются полупроводники алюминий индий-галлий фосфор(AlInGaP), в синих зелёных и голубых- индий- нитрид галлия (InGAN).

Одним из способов получения сложных цветов является совместное использование в одном осветительном приборе светодиодов разных типов. Основные материалы для производства манохромных светодиодов AlInGaP и InGAN покрывают почти весь спектр видимого излучения для светодиодов высокой интенсивности, кроме жёлто-зелёной и жёлтой областей спектра с длиной волны 550-585 нм. «Рис. 2.2»

2.4. Основные части светодиодного прибора

Существует два типа светодиодов: индикаторные, обычно недорогие и маломощные, используемые в индикаторных панелях, и осветительные светодиоды - это надёжные мощные устройства высокой яркости, высокой мощности и обладающие световым потоком, превосходящим световой поток традиционных источников света. Все осветительные диоды имеют одинаковую базовую конструкцию. Конструкция включает в себя полупроводниковый чип или кристалл, подложку, на которую он устанавливается, контакты для электрического подключения, соединительные проводники для подключения контактов к кристаллу, теплоотвод, линзу и корпус. Корпус нужен для прямого припаивания к поверхности, что обеспечивает отвод тепла, генерируемого светодиодом.

ГЛАВА 3

СИНИЕ СВЕТОДИОДЫ

3.1. Трудности открытия синих диодов

Красные и зелёные светодиоды были созданы ещё в конце 1950-х годов. Не хватало только синего диапазона, чтобы получить белый свет. Он получается, если смешать красный, зелёный и голубой - это доказал ещё Исаак Ньютон. Шаг к изучению синего света оказался значительно сложнее. Материал, который позволил разработать синие светодиоды был нитрид галлия (СaN). Кристаллы нитрида галлия выращивали в лабораториях на специальных подложках из сапфира (Al2O3) или SiC. Для получения СaN n- типа проводилось легирование с кремнием, для получения СaN p- типа - с магнием. Легирование вмешивалось в процесс роста кристаллов, так что они становились хрупкими. Таким образом удалось получить достаточно хорошие кристаллы СaN с донорной примесью. Ширина запрещённой зоны, которой составляла 3,4эВ, что соответствует длине волны в ультрафиолетовой области спектра. Но несмотря на значительный прогресс ещё около трёх десятилетий никому из учёных не удалось создать СaN p- типа.

Большинство лабораторий , в том числе и Philips , отказались от СaN , как от материала для светодиодов и решили сосредоточиться на CaP.

3.2. Открытие новых методов роста полупроводниковых кристаллов.

Японские учёные: профессора Нагойского университета Исаму Акасаки и Хироси Амано обнаружили, что плохие свойства СaN p- типа объясняются взаимодействием примесей Mg или Zn с водородом , и если облучать Mg- легированный СaN или Zn - легированный СaN электронами низких энергий , то это приводит к улучшению p- легированных свойств. А профессор Калифорнийского университета Содзи Накамура показал, что активировать акцепторные примеси можно даже при простой термической обработке ( обжиг). Влияние водорода на нейтрализацию примесей было известно из предыдущих работ на примере других материалов, но только японские учёные смогли использовать эти знания для создания p- легированных сплавов.

Исследовательские группы Акасаки и Накамура в начале 90 г получили новые эффективные гетероструктурные сплавы AlGaN и InGAN , где более активно происходит рекомбинация и инжекция электронов в небольшом объёме.

3.3. Создание белого цвета с помощью светодиодов.

Японским учёным удалось переизобрести белый свет. Весь мир ждал появление синих светодиодов, чтобы в цветовой модели RGB получить белый свет пропорционально смешивая красный, зелёный и синий цвет. Второй способ получения белого света с помощью люминофорных технологий, что предполагает использование одного синего светодиода в комбинации с жёлтым люминофорным покрытием. Фотоны синего или ультрафиолетового излучения, генерируемые светодиодом, либо проходят через слой люминофора без изменений, либо преобразуются в нём в фотоны жёлтого цвета. Комбинация фотонов синего и жёлтого цвета создаёт белый свет.

Схема люминофорного светодиода. «Рис. 3.1.»

Белые люминофорные светодиоды обеспечивают лучшую светопередачу, чем белые светодиоды, в большинстве случаев сравнимую с люминесцентными источниками света. От белых RGB- источников света они также отличаются высокой энергоэффективностью. Именно эти факторы делают люминофорные технологии предпочтительным способом получения белого света.

При производстве белых светодиодов на кристалл наносится слой люминофора, а оттенок белого определяется длиной волны, испускаемых фотонов и составом люминофора. Производители стараются минимизировать цветовые вариации с помощью контроля , также, и толщины слоя люминофора.

РАЗДЕЛ 4

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ЭФФЕКТИВНОСТИ СВЕТОДИОДНЫХ ЛАМП

4.1. Определение светоотдачи.

В светотехнике для оценки эффективного действия потока излучения вводится понятие светового потока, как мощности световой энергии. Единица светового потока – люмен (лм). 1лм соответствует световому потоку, излучаемому в единичном телесном угле точечным источником с силой света 1 кандела.

Цель: сравнить соотношения светового потока к мощности различных типов ламп при помощи люксметра модели LX-821 и информации, размещённой в спецификации к товару, построить диаграмму зависимости светоотдачи от типа лампы.

Оборудование: лампы накаливания:20вт,40Вт, 60Вт, 75Вт, 100Вт, люминесцентная лампа: 6Вт,11Вт,20Вт, 60Вт; натриевая лампа высокого давления: 70Вт,100Вт, 150Вт;250 Вт; ртутная лампа высокого давления: 125Вт, 250Вт, 400Вт; светодиодная лампа: 2Вт, 5Вт, 8Вт,11Вт,13Вт, 30Вт; измеритель освещённости LX-821.

Ход эксперимента:

1.Мы подготовили сравнительные таблицы соотношения светового потока к мощности светильника для разных типов ламп. Результаты эксперимента в таблицах: «Таблица 4.1», «Таблица 4.2», «Таблица 4.3», «Таблица 4.4», «Таблица 4.5».

Световые величины ламп накаливания «Таблица 4.1»

Световые величины люминесцентных ламп «Таблица 4.2»

Световые величины натриевых ламп высокого давления «Таблица 4.3»

Световые величины ртутных ламп высокого давления «Таблица 4.4»

Световые величины светодиодных ламп «Таблица 4.5»

Диаграмма зависимости светоотдачи от типа лампы. «Рис.4.1»

Выводы: как видно из таблиц, в среднем светодиодные лампы эффективнее ламп накаливания в10 раз, а люминесцентных в два раза. Отметим, что светодиод испускает направленный свет, в отличии от ламп накаливания и люминесцентных ламп, значит на прямой освещённость от светодиодной лампы будет выше, то есть при использовании светодиодных светильников в качестве точечного освещения эффективность такого освещения будет выше по сравнению с аналогом. Световой поток у современных светодиодов может достигать от 80 до 150 Лм с 1 Вт. Обусловлено это различиями в вольт - амперных характеристиках самих диодов.

Общий вывод: учитывая, что примерно четверть электроэнергии в мире расходуется на освещение, технология LED способствует сохранению ресурсов нашей планеты. Пока с коммерческой точки зрения цена светодиодов на порядок выше, чем у ламп накаливания и люминесцентных ламп, но их стоимость каждый год снижается. Светодиоды более долговечны по сравнению с лампами, их ресурс составляет десятки тысяч часов. Они могут служить десятки лет, и, несмотря на более высокую цену, они будут светить, когда обычная лампа перегорит. Ртутные и натриевые лампы обладают высокой светоотдачей 70-95Лм/Вт и 100-140 Лм/Вт соответственно, большим сроком службы 8-15 тыс.часов и 20-26 тыс. часов соответственно их используют для освещения улиц, промышленных объектов, теплиц , но все эти плюсы почти полностью исчезают , если рассматривать значительный вред природе от энергосберегающих ламп. За последние три года их использования так и не созданы пункты по их сбору и утилизации, в итоге содержащие опасную для здоровья ртуть лампы просто выбрасываются с обычным мусором, что наносит вред экологии. Многие эксперты также говорят о вреде излучения , которое дают эти лампы.

ВЫВОДЫ

Тема нашей работы была выбрана неслучайно. В 2014 г японские учёные Исаму Акасаки , Хироси Амано и Содзи Накамура получили Нобелевскую премию по физике за открытие синих диодов LED- яркого, дешёвого и энергосберегающего источника света. В своей работе мы провели исследование , подтверждающее действительную ценность этого открытия. Заслуга японских учёных прежде всего заключается в том, что они в 90-е годы 20 века не отступили, как большинство лабораторий, занимавшихся такими же разработками, а продолжали верить в нитрид галлия, как самый подходящий материал для светодиодов. И осуществили настоящий прорыв, создав СaN p- типа. Эти учёные переизобрели белый свет, чем оказали большую услугу человечеству. При одинаковых энергозатратах одна светодиодная лампа даёт столько света, сколько 10 обычных ламп. Учитывая, что четверть всей электроэнергии, которую потребляет человек, тратится на освещение, светодиодные лампы вносят серьёзный вклад в сохранение ресурсов. К тому же светодиоды служат намного дольше, чем аналоги: одна лампочка прослужит 100000 часов, тогда как лампа накаливания- 1000часов, люминесцентная- 10000часов. И ещё одно преимущество светодиодов - это их экологичность по сравнению с ртутными лампами. Поэтому несмотря на то, что светоотдача ртутных ламп в нашем исследовании на 27 пунктов выше, чем у светодиодов, затраты, связанные с утилизацией этих ламп велики , а угроза окружающей природе существует уже сейчас. Итоги нашего исследования актуальны для сегодняшней ситуации , мы призываем к переходу на светодиоды и полный отказ от ламп накаливания и ртутных ламп.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Г.С. Ландсберг. Электричество и магнетизм: Учебное пособие .- М. :Наука, 1985.

2. О.Ф.Кабардин. Физика : Учебное пособие. - М. : Просвещение, 1988.

3.Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев , Н.Н. Сотский. Физика .10класс: Учебник. - М.: Просвещение, 2014.

4. .Берг А., Дин П., Светодиоды,пер.с англ.,М 1979.

ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ

1. Нобелевская премия по физике присуждена за LED.- [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.bbc.co.uk/russian/science/2014/10/141007_nobel_physics_led

2. Светодиоды. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа:

http://physicsworld.com/cws/article/news/2006/may/17/leds-move-into-the-ultraviolet

3. О. В. Лосев – изобретатель кристадина и светодиода.- [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.computer-museum.ru/connect/losev.htm

4. Светодиод.- [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Светодиод

5. Основы и принципы работы светодиодов. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://specelec.ru/reference-book/item/38-spravochnik-svetodiodnoe-osveschenie-2.html