Material för att styra färgen på LED lampor Inom EU kommer snart glödlampan att förbjudas. Ett alternativ är då lampor uppbyggda av lysdioder (LED). Problemet med dessa är att de inte alltid ger rätt ljusspektrum och de kan därför ibland uppfattas som kalla. Man kan idag utnyttja olika material för att ändra lampornas ljus, vilka material används och hur styr man färgen? Varför förbrukar ersätta glödlampor? Glödlampor har en glödtråd som strålar inom ett brett elektromagnetiskt spektum när glödtråden värms upp. Detta ger upphov till att även våglängder utanför det synliga spektrumet och värme strålas ut, vilket förbrukar energi helt i onödan (förutsatt upplysning är syftet). En LED (light emitting diod) kan konvertera elektrisk ström direkt till ljus [1] och strålar endast ut en våglängd (vanligen önskas röd, grön eller blå). Flera LED kan sedan placeras nära varandra för att kombinera ihop valfri färg, ex: Gul = kombination av grön och röd. Vit = röd, grön och blå. LED är just nu det energisnålaste alternativet för upplysning [2], dessutom krävs inte miljöfarliga ämnen som exempelvis kvicksilver, vilket används vissa andra alternativ [1]. LYSRÖR 25% av energi till ljus enl [1]. Vad är en LED? De tidiga dioderna byggdes av elektronrör (används även vid alstring av röntgenstrålning), men dagens dioder baseras på halvledare. Genom att placera en p-dopad halvledare mot en n-dopad halvledare så fås en kontaktyta som inte beter sig som någon av halvorna. Fria elektroner i CB (conducting band) på den n- dopade halvledaren kliver över till en ett hål i VB (valence band) på en atom i den p-dopade sidan. Således fås en positiv jon på den n-dopade sidan och en negativ jon på den p-dopade sidan. Denna reaktion kan endast ske nära kontaktytan och således endast en begränsad tid, se figur 1. Figur 1. En p-dopad halvledare placeras mot en n-dopad halvledare. Elektronenergin ökar uppåt i figuren, dvs energi behöver tillförs för att flytta en elektron uppåt eller ett hål nedåt. Genom att föra en ström genom halvledaren så tillförs elektroner till den n-dopade sidan i samma takt som elektroner förs bort från den p-dopade sidan, således kan reaktionen fortsätta. Observera att detta innebär att en diod endast kan leda ström i en riktning! Varje gång en elektron kliver över kontaktytan så kliver den även från CB till VB, alltså tappar den energi. Det är denna energi som avges som ljus med en viss våglängd som motsvarar 1
energiskillnaden mellan CB i den n-dopade halvledaren och VB i den p-dopade halvledaren. Se figur 2. Figur från källa [4] Figur 2. Varje gång en elektron kliver från n till p så avges energi i form av fotoner med en viss våglängd. En LED kan alltså bara stråla ut en våglängd, således endast en färg. För att få valfri färg på en LED-lampa så kan en röd, en grön och en blå diod kombineras. Genom att variera intensiteten av de olika dioderna får olika färger. Detta kan åstadkommas antingen genom att ha olika många av olika färg eller att variera hur starkt de lyser (ström?). OCH FREKVENS Våglängden som fås på fotonen ges av [4] : v är fononfrekvensen, c är ljusets hastighet, delta E g är bandgapet och h är Plancks konstant. 2
Sidenote: Vissa LED har tonad plast, detta är mest för att kunna avgöra vilken färg som dioden har när den är avstängd. I vissa fall kan plasten filtrera våglängder, men detta kräver att dioden emitterar vitt ljus vilket kräver mycket energi (vitt ljus = kombination av alla våglängder i det synliga spektrumet). Effektivitet 50% ung decade ago red LED [1] from alloys derivedfrom GaP, AlP, InP Blå- violetta last decade, produced employing the InGaN GaN, Vitt ljus baserades på violetta LED (likt lysrör) och beläggs med fosfor som emitterarar grön gul röd vilket ger vitt ljus. Ca 25% energi förloras i processen men effektivare än lysrör. Varmt vitt ljus / solljus är svårt att få mha fosfor. De senaste åren har vissa laboratorier kunnat producera perfekta 1D kristallina halvledare sk (NW-LED s (NanoWire)) Så vilka material är lämpliga? Halvledaren behöver ha bra värmeledning och låg resistans för att inte LED en ska överhetta. Dessutom måste den gå bra att bade n- och p-dopa halvledaren. Vilka material används? Under 60-talet utfördes försök med halvledare baserat på halvledare med indirekt bandgap, bla GaP (GalliumFosat) och GaAsP (GalliumArsenikFosfat) vilket gav svagt orange eller rött ljus. Trots att dessa är väldigt oeffektiva (ca 0.1lm/W) så var de fram till ca 1980 de mest effektiva LED arna. 3
Under 80-talet lyckades man framställa effektiva röda LED er med direkt bandgap, baserat på GaAsP and AlGaAs (AluminiumGallumArsenik). Man upptäckte att effektiva LED er (för utomhusbruk) endast kan framställas baserade på material med direkt bandgap. Material liknande GaP med indirekt bandgap fortsatte dock utvecklas för röda o gröna LED för inomhusbruk, men effektiviteten var fortfarande låg. Under 90-talet lyckades man framställa effektiva röda LED er baserade på AlGaInP (AluminiumGalliumIndiumFosfat) med direkt bandgap. Dessa omvandlade ca 60% av energin till ljus. Att framställa blåa LED er var länge ett problem då det krävs ett bandgap på minst 3eV. GaN och liknande legeringar (AlGaN och InGaN) är sådana material, men de man kunde inte framställa nog rena sådana kristaller. Först 1994 lyckades blåa LED ar med hög intensitet framställas baserat på InGaN QWs blue(violet) laser diodes (LDs). För detta delades Nobelpriset i fysik ut 2014 till Akasaki, Amano, och Nakamura for the invention of efficient blue LEDs, which has enabledbright and energy saving white light sources. Efter år 2000 fanns alltså både effektiva röda och blåa LED er, men man kunde fortfarande inte framställa effektiva gröna LED er. Man kunde dock framställa effektiva (60%) violetta LED ar från GaN/InGaN MQW som tillväxtes på andra structurer (bla SIC). Även gröna dioder kunde framställas baserat på InGaN, men på grund av defekttillväxt i kristallerna som minskar strålningen så blev effektiviteten endast ca 20% (och ännu mindre för våglängder längre än grön). Källan till deffekttillväxterna är fortfarande okänd, men man har lyckats minska defekterna och kan idag tillverka gröna LED er med ca 40% effektivitet. Hur funkar dagens LED? Det finns två sätt att få vitt LED-ljus, antingen med tre dioder, en röd, en grön och en blå (RGB eller RYGB). Här begränsar dock de gröna dioderna effektiviteten (40%). (Denna variant används i skärmar etc där syftet inte i första hand är att få enbart vitt ljus). Istället används oftast den alternativa metoden med en blå samt en violett diod som beläggs med fosfor som kan göras så effektiv som 60% vid normalstor belastning. Det violetta ljuset konverteras ner till gult, vilket kombinerat med det blåa ljuset ger vitt ljus. Dagens fosfor- LED er lyser ca 100-130lm/W och CREE company påstår sig ha en som lyser 200lm/W med 35A/cm2 (2000ggr mer än 60-talets röda 0.1lm/W). En vanlig glödlampa lyser ca 15lm/W och har en effektivitet på ca 2%, så LED är en stor förbättring. Notera att fosforen syns som en gul beläggning (de flesta LED erna är baserad på detta). 4
Fler exempel: Figur från källa [3] 5
LED ar baseras som sagt på dopade halvledare vars ledningsförmåga beror på vilket/vilka ämnen som halvledaren är dopad med. Ledningsförmågan beror på hur lätt elektroner eller hål kan röra sig från en atom till en annan. För att en elektron eller ett hål ska kunna hoppa till en annan atom så behövs en viss energi, nämligen den för materialets Fermi-nivå. I metaller så har elektronerna (eller hålen) redan denna energi vid rumstemperatur, medan odopade halvledare behöver värmas upp betydligt innan de blir ledande. Isolatorer behöver naturligtvis ännu mer tillförd energi innan de blir ledande. STORLEK PÅ BANDGAP, hopp till CB = ledande Dopning ändrar storlek på bandgapet... FREKVENS tänd släck tänd släck, olika Hz för att justera färg Det är enklare att få dioder att emittera ljus med låg energi (stora våglängder) KOPPLA TILL BANDGAP. Det är därför de tidiga LED-lamporna lyste rött (lägst energi i synligt spektrum), sedan gröna LED-lampor, medan blåa LED s kunde framställas först för ett tiotal år sedan. När en elektron tappar energi så avges energiskillnaden som en foton. Elektronen vill ha så lite energi som möjligt och väljer således den lägsta möjliga energiniån i atomen. Electrons must lose energy to drop into lower energy levels within an atom, electrons like to drop as low as they can so they quite happily emit photons to shed energy. The trick is 6
finding the right doping balance to train the electrons to emit the wavelength of light that we want. That's why it took so long to get those shorter wavelength (higher energy) colour LEDs, because it's difficult to find doping that trains electrons to emit such high energy photons instead of lower energy ones. Refereser [1] Bo Monemar, B. Jonas Ohlsson, Nathan F. Gardner, Lars Samuelson, Nanowire-Based Visible LightEmitters, Present Status and Outlook, pg 227-267, 2016. [2] Monica Hansen, Cree, Inc. Energy-Efficient Lighting Lifecycle, 2009. [3] Thomas H. Rehm, Continuous-flow photochemistry inmicrostructured environment, 2014. [4] Automotive Instrumentationand Telematics, chapter 9, 2012 7