Zasada działania diod LED

WszystkoLampa robocza akumulatorowa, przenośna lampa kempingowaIwielofunkcyjna latarka czołowaUżyj żarówki LED. Aby zrozumieć zasadę działania diody LED, najpierw zapoznaj się z podstawową wiedzą o półprzewodnikach. Właściwości przewodzące materiałów półprzewodnikowych plasują je pomiędzy przewodnikami a izolatorami. Ich unikalne cechy to: gdy półprzewodnik jest stymulowany zewnętrznym światłem i ciepłem, jego zdolność przewodzenia ulega znacznej zmianie; dodanie niewielkich ilości domieszek do czystego półprzewodnika znacznie zwiększa jego zdolność przewodzenia prądu. Krzem (Si) i german (Ge) są najczęściej stosowanymi półprzewodnikami we współczesnej elektronice, a ich zewnętrzne elektrony wynoszą cztery. Kiedy atomy krzemu lub germanu tworzą kryształ, sąsiednie atomy oddziałują ze sobą, tak że zewnętrzne elektrony stają się wspólne dla obu atomów, co tworzy strukturę wiązania kowalencyjnego w krysztale, która jest strukturą molekularną o niewielkiej zdolności do ograniczania. W temperaturze pokojowej (300 K) wzbudzenie termiczne powoduje, że niektóre zewnętrzne elektrony uzyskują wystarczającą energię, aby oderwać się od wiązania kowalencyjnego i stać się wolnymi elektronami. Proces ten nazywa się wzbudzeniem wewnętrznym. Po uwolnieniu elektronu i przekształceniu go w elektron swobodny, w wiązaniu kowalencyjnym pozostaje wakat. Ten wakat nazywany jest dziurą. Występowanie dziury jest ważną cechą odróżniającą półprzewodnik od przewodnika.

Po dodaniu niewielkiej ilości pięciowartościowego domieszkowania, takiego jak fosfor, do półprzewodnika samoistnego, powstanie dodatkowy elektron po utworzeniu wiązania kowalencyjnego z innymi atomami półprzewodnika. Ten dodatkowy elektron potrzebuje jedynie bardzo małej energii, aby rozerwać wiązanie i stać się wolnym elektronem. Ten rodzaj półprzewodnika domieszkowego nazywany jest półprzewodnikiem elektronicznym (półprzewodnik typu N). Jednakże dodanie niewielkiej ilości trójwartościowych domieszek pierwiastkowych (takich jak bor itp.) do półprzewodnika samoistnego, ponieważ ma on tylko trzy elektrony w warstwie zewnętrznej, po utworzeniu wiązania kowalencyjnego z otaczającymi atomami półprzewodnika, spowoduje powstanie wakatu w krysztale. Ten rodzaj półprzewodnika domieszkowego nazywany jest półprzewodnikiem dziurowym (półprzewodnik typu P). Połączenie półprzewodników typu N i typu P powoduje różnicę w stężeniu wolnych elektronów i dziur na ich złączu. Zarówno elektrony, jak i dziury dyfundują w kierunku niższego stężenia, pozostawiając naładowane, ale nieruchome jony, które niszczą pierwotną neutralność elektryczną obszarów typu N i typu P. Te nieruchome naładowane cząstki są często nazywane ładunkami przestrzennymi i koncentrują się w pobliżu granicy między obszarami N i P, tworząc bardzo cienki obszar ładunku przestrzennego, znany jako złącze PN.

Po przyłożeniu napięcia polaryzacji w kierunku przewodzenia do obu końców złącza PN (napięcie dodatnie po jednej stronie złącza typu P), dziury i swobodne elektrony poruszają się wokół siebie, tworząc wewnętrzne pole elektryczne. Nowo wstrzyknięte dziury rekombinują następnie z swobodnymi elektronami, uwalniając czasami nadmiar energii w postaci fotonów, czyli światła emitowanego przez diody LED. Takie widmo jest stosunkowo wąskie, a ponieważ każdy materiał ma inną przerwę energetyczną, długości fal emitowanych fotonów są różne, więc barwy diod LED zależą od użytych materiałów bazowych.