Zasada działania diod LED

WszystkoLampa robocza akumulatorowa, przenośna lampa kempingowaIwielofunkcyjna latarka czołowaużyj żarówki LED. Aby zrozumieć zasadę diody LED, najpierw należy zrozumieć podstawową wiedzę o półprzewodnikach. Właściwości przewodzące materiałów półprzewodnikowych znajdują się pomiędzy przewodnikami a izolatorami. Jego unikalne cechy to: gdy półprzewodnik jest stymulowany przez zewnętrzne warunki świetlne i cieplne, jego zdolność przewodząca znacznie się zmienia; Dodanie niewielkich ilości zanieczyszczeń do czystego półprzewodnika znacznie zwiększa jego zdolność do przewodzenia prądu. Krzem (Si) i german (Ge) są najczęściej używanymi półprzewodnikami w nowoczesnej elektronice, a ich zewnętrzne elektrony to cztery. Gdy atomy krzemu lub germanu tworzą kryształ, sąsiednie atomy oddziałują ze sobą, tak że zewnętrzne elektrony stają się wspólne dla dwóch atomów, co tworzy strukturę wiązania kowalencyjnego w krysztale, która jest strukturą molekularną o małej zdolności do ograniczeń. W temperaturze pokojowej (300 K) wzbudzenie termiczne spowoduje, że niektóre zewnętrzne elektrony otrzymają wystarczającą energię, aby oderwać się od wiązania kowalencyjnego i stać się wolnymi elektronami, proces ten nazywa się wzbudzeniem wewnętrznym. Po odwiązaniu elektronu i staniu się wolnym elektronem, w wiązaniu kowalencyjnym pozostaje wakat. Ten wakat nazywany jest dziurą. Pojawienie się dziury jest ważną cechą odróżniającą półprzewodnik od przewodnika.

Gdy do półprzewodnika samoistnego zostanie dodana niewielka ilość pięciowartościowego domieszkowania, takiego jak fosfor, będzie on miał dodatkowy elektron po utworzeniu wiązania kowalencyjnego z innymi atomami półprzewodnika. Ten dodatkowy elektron potrzebuje jedynie bardzo małej energii, aby pozbyć się wiązania i stać się wolnym elektronem. Ten rodzaj półprzewodnika domieszkowego nazywany jest półprzewodnikiem elektronicznym (półprzewodnik typu N). Jednak 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). Gdy półprzewodniki typu N i typu P są łączone, istnieje różnica w stężeniu wolnych elektronów i dziur na ich połączeniu. 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 są skoncentrowane w pobliżu granicy obszarów N i P, tworząc bardzo cienki obszar ładunku przestrzennego, znany jako złącze PN.

Gdy napięcie polaryzacji w kierunku przewodzenia zostanie przyłożone do obu końców złącza PN (napięcie dodatnie po jednej stronie typu P), dziury i wolne elektrony poruszają się wokół siebie, tworząc wewnętrzne pole elektryczne. Nowo wstrzyknięte dziury rekombinują następnie z wolnymi elektronami, czasami uwalniając nadmiar energii w postaci fotonów, czyli światła, które widzimy emitowane przez diody LED. Takie widmo jest stosunkowo wąskie, a ponieważ każdy materiał ma inną przerwę pasmową, długości fal emitowanych fotonów są różne, więc kolory diod LED są określane przez użyte podstawowe materiały.