Как работи LED?

Как работи LED?

Определение на LED

LED или светодиод е дефиниран като полупроводников прибор, който излъчва светлина, когато електрически активиран чрез процес, наречен електролюминесценция.

Как работи LED

Подобно на обикновен диод, светодиодът работи, когато е във връзка с напреднало напрежение. В този случай n-типът полупроводник е по-силно дотиран от p-типа, формирайки p-n-перехода. Когато е във връзка с напреднало напрежение, потенциалната преграда намалява и електроните и дупките се комбинират в областта на деплеция (или активна област), като се излъчва светлина или фотони във всички посоки. Типична фигура, показваща излъчването на светлина поради комбинирането на електрон-дупка при напреднало напрежение.

Излъчването на фотони в LED се обяснява с теорията за енергийните зони на твърдите тела, която диктува, че излъчването на светлина зависи от това, дали материалът има директен или индиректен зонен разрез. Полупроводниковите материали, които имат директен зонен разрез, са тези, които излъчват фотони. В материал с директен зонен разрез, долната енергийна нива на проводимостта лежи директно над горната енергийна нива на валентната зона в диаграмата Енергия срещу Импулс (вектор ‘k’).

Когато електроните и дупките се реунифицират, енергията E = hν, съответстваща на енергийния разрез △ (eV), се излъчва във формата на светлинна енергия или фотони, където h е константата на Планк, а ν е честотата на светлината.

Директен зонен разрез

Материалите с индиректен зонен разрез не са радиативни, тъй като долната част на зоната на проводимостта не се подравнява с горната част на валентната зона, преобразувайки повечето енергия в топлина. Примери са Si, Ge и т.н.

Индиректен зонен разрез

Пример за материал, който има директен зонен разрез, е Арсенид на галий (GaAs), композитен полупроводников материал, използван в LED. Добавянето на допантни атоми към GaAs дава широк спектър от цветове. Някои от материалите, използвани в LED, са:

• Алуминий арсенид на галий (AlGaAs) – инфрачервен.

• Арсенид фосфид на галий (GaAsP) – червен, оранжев, жълт.

• Фосфид на алуминий и галий (AlGaP) – зелен.

• Нитрид на индий и галий (InGaN) – син, синезелен, близък до УВ.

• Селенид на цинк (ZnSe) – син.

Физическа структура на LED

LED е структуриран така, че излъчваната светлина да не се поглъща обратно от материала. Осигурява се, че рекомбинацията на електрон-дупка се случва на повърхността.

Показаната фигура представя два различни начина за структуриране на p-n-перехода на LED. p-тип слой е направен тънък и е израстен върху n-тип основа. Металните електроди, прикрепени от двете страни на p-n-перехода, служат като възли за външна електрическа връзка. p-n-переходът на светодиода е заключен в прозрачен, куполообразен корпус, така че светлината да се излъчва равномерно във всички посоки и да се осигури минимално вътрешно отражение.

По-голямата нога на LED представлява положителния електрод или анод.

Достъпни са LED с повече от две ноги, като конфигурации с 3, 4 и 6 контакта, за да се получават многобройни цветове в един и същ LED пакет. На разположение са и повърхностни монтирани LED дисплеи, които могат да бъдат монтирани на печатни платки.

LED типично изискват ток от няколко десетки милиампера и нуждаят се от високо съпротивление в ред, поради по-високото напрежение при напреднало напрежение от 1,5 до 3,5 волта, сравнено с обикновените диоди.

Бели LED или бели LED лампи

LED лампи, крушки, улично осветление стават все по-популярни днес поради много високата ефективност на LED в отношение на излъчваната светлина спрямо входящата мощност (в миливати), в сравнение с инканзентните крушки. За общо целева осветление се предпочита бяла светлина. За производство на бяла светлина с помощта на LED се използват два метода:

Смесване на трите основни цвета RGB, за да се произведе бяла светлина. Този метод има висока квантовата ефективност.

Другият метод е покриването на LED от един цвят с фосфор от друг цвят, за да се произведе бяла светлина. Този метод е комерсиално популярен за производство на LED крушки и осветление.

Приложения на LED

Електронни дисплеи като OLED, микро-LED, квантови точки и т.н.

• Като LED индикатор.

• В дистанционни управлении.

• Осветление.

• Оптоизолатори.