Hvordan fungerer en LED?

Hvordan fungerer en LED?

LED-definition

En LED (Light Emitting Diode) er defineret som et halvledersk komponent, der udsender lys, når det elektrisk aktiveres gennem en proces kaldet elektroluminescens.

Hvordan en LED fungerer

Ligesom en almindelig diode, fungerer LED-dioden, når den er forpolariseret. I dette tilfælde er n-type halvlederen tungt doperet i forhold til p-typen, hvilket danner p-n-forbindelsen. Når den er forpolariseret, reduceres potentielle barriere, og elektroner og huller kombineres i udtyndelseslaget (eller aktiv lag), hvor lys eller fotoner udsendes eller stråler i alle retninger. En typisk figur viser lysudsendelse som følge af elektron-hul kombination ved forpolarisering.

Udsendelsen af fotoner i en LED forklares af energibåndteorien for faste stoffer, som bestemmer, at lysudsendelse afhænger af, om materialets båndgap er direkte eller indirekte. De halvledermaterialer, der har et direkte båndgap, er de, der udsender fotoner. I et materiale med direkte båndgap ligger bunden af energiniveauet i ledningsbåndet direkte over topniveauet i valensebåndet på diagrammet Energi mod Impuls (bølgelængde 'k').

Når elektroner og huller genkombineres, frigives energi E = hν, der svarer til energigapet △ (eV) i form af lysenergi eller fotoner, hvor h er Plancks konstant, og ν er lysfrekvensen.

Direkte båndgap

Materialer med indirekte båndgaps er ikke-radiative, da bunden af deres ledningsbånd ikke er justeret med toppen af valensebåndet, hvilket konverterer meste energi til varme. Eksempler herpå er Si, Ge osv.

Indirekte båndgap

Et eksempel på materiale med direkte båndgap er Gallium Arsenid (GaAs), et komposit halvledermateriale, der anvendes i LED'er. Dopantatomer tilføjes til GaAs for at give en bred vifte af farver. Nogle af materialerne, der anvendes i LED'er, er:

• Aluminium Gallium Arsenid (AlGaAs) – infrarød.

• Gallium Arsenid Fosfid (GaAsP) – rød, orange, gul.

• Aluminium Gallium Fosfid (AlGaP) – grøn.

• Indium Gallium Nitrid (InGaN) – blå, blågrøn, nær UV.

• Zink Selenid (ZnSe) – blå.

Fysisk struktur af LED

LED er struktureret på sådan en måde, at det udsendte lys ikke absorberes igen i materialet. Derfor sikres det, at elektron-hul kombination finder sted på overfladen.

Den ovenstående figur viser de to forskellige måder at strukturere LED p-n-forbindelsen. P-typelaget er lavet tyndt og vokser på n-type substrat. Metal-elektroder, der er monteret på hver side af p-n-forbindelsen, fungerer som knuder for ekstern elektrisk forbindelse. LED p-n-forbindelsen er omsluttet af en kuppelformet, transparent beholder, så lys udsendes jævnt i alle retninger med minimal intern refleksion.

Den større pin på LED repræsenterer den positive elektrod eller anod.

Der findes også LED'er med mere end 2 pins, som f.eks. 3, 4 og 6-pin konfigurationer for at opnå flere farver i samme LED-pakke. Overflade-monterede LED-skærme er tilgængelige, der kan monteres på PCB'er.

LED'er kræver typisk en strøm på få tiender af milliampere og har brug for høj resistans i serie på grund af deres højere foranstaltningsspanning på 1,5 til 3,5 volt sammenlignet med almindelige dioder.

Hvidlys LED'er eller hvidlys LED-lamper

LED-lamper, pærer og gadelys er blevet meget populære i disse dage på grund af den meget høje effektivitet af LED'er i forhold til lysoutput per enhed inputstrøm (i milliwatt) sammenlignet med glødelamper. Til almindelig belysning foretrækkes hvidt lys. For at producere hvidt lys med hjælp fra LED'er anvendes to metoder:

Blandingen af de tre primære farver RGB for at producere hvidt lys. Denne metode har høj kvanteffektivitet.

Den anden metode er at coatere en LED af en farve med fosfor af en anden farve for at producere hvidt lys. Denne metode er kommercielt populær til produktion af LED-pærer og lys.

Anvendelser af LED'er

Elektroniske skærme som OLED'er, mikro-LED'er, kvantedotter osv.

• Som LED-indikator.

• I fjernkontroller.

• Belysning.

• Opto-isolatorer.