Jak funguje LED?

Jak funguje LED?

Definice LED

LED, nebo světlovyzařovací dioda, je definována jako polovodičové zařízení, které vyzařuje světlo, když je elektricky napájen procesem zvaným elektroluminiscence.

Jak LED funguje

Stejně jako obyčejná dioda, LED dioda funguje, když je předpojena. V tomto případě je n-typový polovodič silněji dotován než p-typový, tvoří se tak p-n přechod. Když je předpojena, potenciální bariéra se sníží a elektrony a díry se spojí v depleční vrstvě (nebo aktivní vrstvě), světlo nebo fotony jsou vyzařovány do všech směrů. Typický obrázek ukazující emisi světla způsobenou spojením elektronu a díry při předpojení.

Emise fotonů v LED je vysvětlena teorií energetických pásem pevných látek, která stanovuje, že emise světla závisí na tom, zda je materiál s přímým nebo nepřímým energetickým pásmem. Ty polovodičové materiály, které mají přímé energetické pásmo, jsou ty, které emitují fotony. V materiálu s přímým energetickým pásmem se spodní úroveň energetického stavu vedení nachází přímo nad horní úrovní energetického stavu valenční zóny na diagramu Energie vs Hybnost (vektor ‘k’).

Když se elektrony a díry znovu spojí, energie E = hν odpovídající energetickému rozdílu △ (eV) unikne ve formě světelné energie nebo fotonů, kde h je Planckova konstanta a ν je frekvence světla.

Přímé energetické pásmo

Materiály s nepřímým energetickým pásmem nejsou radiativní, protože spodní část jejich vedení není zarovnaná s horní částí valenční zóny, což vede k tomu, že většina energie se přemění na teplo. Příkladem jsou Si, Ge atd.

Nepřímé energetické pásmo

Příkladem materiálu s přímým energetickým pásmem je arsenid hořčíku (GaAs), komplexní polovodič, který je používán v LED. Dopantové atomy jsou přidány do GaAs, aby poskytovaly širokou škálu barev. Některé materiály používané v LED jsou:

• Hliník-arsenid hořčíku (AlGaAs) – infračervené.

• Arsenid hořčíku-fosforu (GaAsP) – červená, oranžová, žlutá.

• Hliník-fosfor hořčíku (AlGaP) – zelená.

• Indium-hořčík-dusík (InGaN) – modrá, modrozelená, blízké UV.

• Selenid cínku (ZnSe) – modrá.

Fyzická struktura LED

LED je strukturována tak, aby vyzařované světlo nebylo znovu absorbováno materiálem. Je zajistěno, že rekombinace elektronu a díry probíhá na povrchu.

Obrázek výše ukazuje dvě různé způsoby struktury p-n přechodu LED. P-typová vrstva je tenká a roste na n-typovém substrátu. Kovy připojené na obě strany p-n přechodu slouží jako uzly pro vnější elektrické spojení. P-n přechod světlovyzařovací diody je uložen v průhledné kulaté skořápce, aby bylo možné vyzařovat světlo rovnoměrně do všech směrů a minimalizovat vnitřní odraz.

Větší noha LED představuje kladnou elektrodu nebo anodu.

Dostupné jsou i LED s více než dvěma nohami, jako jsou konfigurace s 3, 4 a 6 piny, aby bylo možné dosáhnout více barev v jednom balení LED. Dostupné jsou i povrchově montované displeje LED, které lze montovat na PCB.

LED obvykle vyžadují proud několika desítek miliamperů a potřebují v sérii velký odpor kvůli většímu přednímu spádu napětí 1,5 až 3,5 voltů, oproti běžným diodám.

Bílá LED nebo bílé LED lampy

LED lampy, žárovky a uliční osvětlení se stávají velmi populárními dnes díky velmi vysoké efektivitě LED vzhledem k výkonu světla na jednotku vstupní energie (v miliwattách), oproti tradičním žárovek. Pro obecné osvětlení je preferováno bílé světlo. K vytvoření bílého světla pomocí LED se používají dvě metody:

Směs tří základních barev RGB k vytvoření bílého světla. Tato metoda má vysokou kvantovou efektivitu.

Další metoda spočívá v pokrytí LED jedné barvy fosforem jiné barvy, aby bylo možné vytvořit bílé světlo. Tato metoda je komerčně populární pro výrobu LED žárovek a osvětlení.

Aplikace LED

Elektronické displeje, jako jsou OLED, mikro-LED, kvantové body atd.

• Jako indikátor LED.

• V dálkových ovladačích.

• Osvětlení.

• Optické izolátory.