Wie funktioniert eine LED?
Wie funktioniert eine LED?
LED-Definition
Eine LED (Light Emitting Diode) ist ein Halbleiterbauteil, das Licht emittiert, wenn es elektrisch über einen Prozess namens Elektrolumineszenz angeregt wird.
Funktionsweise einer LED
Wie ein gewöhnlicher Diodenarbeiter, arbeitet die LED-Diode, wenn sie vorwärts polarisiert ist. In diesem Fall ist der n-dotierte Halbleiter stärker dotiert als der p-dotierte, was die p-n-Übergangsbildung ergibt. Wenn sie vorwärts polarisiert ist, verringert sich die Potenzialbarriere, und Elektronen und Löcher kombinieren in der Verarmungsschicht (oder aktiven Schicht), wobei Licht oder Photonen in alle Richtungen emittiert werden. Die typische Abbildung unten zeigt die Lichtemission durch die Kombination von Elektron-Loch-Paaren bei Vorwärts-Polarisierung.
Die Emission von Photonen in einer LED wird durch die Energieniveaubandtheorie von Festkörpern erklärt, die besagt, dass die Lichtemission von der Art des Bandabstands abhängt, ob er direkt oder indirekt ist. Halbleitermaterialien, die einen direkten Bandabstand haben, sind diejenigen, die Photonen emittieren. In einem Material mit direktem Bandabstand liegt der untere Energiepegel des Leitungsbandes direkt über dem obersten Energiepegel des Valenzbandes im Diagramm Energie gegen Impuls (Wellenvektor 'k').
Wenn Elektronen und Löcher rekombinieren, wird Energie E = hν entsprechend dem Energieabstand △ (eV) in Form von Lichtenergie oder Photonen freigesetzt, wobei h die Plancksche Konstante und ν die Frequenz des Lichts ist.
Direkter Bandabstand
Materialien mit indirektem Bandabstand sind nicht strahlend, da der untere Energiepegel des Leitungsbandes nicht mit dem oberen Energiepegel des Valenzbandes übereinstimmt, wodurch die meisten Energie in Wärme umgewandelt wird. Beispiele sind Si, Ge usw.
Indirekter Bandabstand
Ein Beispiel für ein Material mit direktem Bandabstand ist Galliumarsenid (GaAs), ein Verbindungshalbleiter, der in LEDs verwendet wird. Dotierstoffatome werden zu GaAs hinzugefügt, um eine breite Palette an Farben zu erzeugen. Einige der in LEDs verwendeten Materialien sind:
Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) – Infrarot.
Galliumarsenidphosphid (GaAsP) – Rot, Orange, Gelb.
Aluminiumgalliumphosphid (AlGaP) – Grün.
Indiumgalliumnitrid (InGaN) – Blau, Blaugrün, nahe UV.
Zinkselenid (ZnSe) – Blau.
Physische Struktur einer LED
Eine LED ist so konstruiert, dass das emittierte Licht nicht in das Material zurück absorbiert wird. Es wird sichergestellt, dass die Rekombination von Elektronen und Löchern an der Oberfläche stattfindet.
Die obige Abbildung zeigt die beiden verschiedenen Arten, die p-n-Übergänge in LEDs zu strukturieren. Die p-dotierte Schicht ist dünn und auf dem n-dotierten Substrat gewachsen. Metallelektroden, die an beiden Seiten des p-n-Übergangs angebracht sind, dienen als Knotenpunkte für externe elektrische Verbindungen. Der p-n-Übergang der lichtemittierenden Diode ist in einem kuppelförmigen transparenten Gehäuse eingebettet, sodass das Licht gleichmäßig in alle Richtungen emittiert wird und minimale interne Reflexionen auftreten.
Der größere Anschluss der LED repräsentiert den positiven Pol oder Anode.
Es gibt auch LEDs mit mehr als zwei Anschlüssen, wie z.B. 3, 4 und 6-Pin-Konfigurationen, um mehrere Farben in derselben LED-Hülle zu erzeugen. Oberflächenmontierte LED-Anzeigen sind verfügbar, die auf PCBs montiert werden können.
LEDs benötigen typischerweise einen Strom von einigen Zehnteln Milliampere und benötigen wegen ihres höheren Vorwärts-Spannungsabfalls von 1,5 bis 3,5 Volt im Vergleich zu normalen Dioden eine hohe Widerstandswert in Serie.
Weiße Licht-LEDs oder Weiße LED-Lampen
LED-Lampen, Glühbirnen und Straßenbeleuchtung werden heutzutage sehr beliebt, aufgrund der sehr hohen Effizienz von LEDs in Bezug auf Lichtausbeute pro eingesetzter Energiemenge (in Milliwatt) im Vergleich zu Glühbirnen. Für allgemeine Beleuchtungszwecke wird weißes Licht bevorzugt. Um weißes Licht mit Hilfe von LEDs zu erzeugen, werden zwei Methoden verwendet:
Mischen von den drei Grundfarben RGB, um weißes Licht zu erzeugen. Diese Methode hat eine hohe Quanteneffizienz.
Die andere Methode ist das Beschichten einer LED einer Farbe mit Phosphor einer anderen Farbe, um weißes Licht zu erzeugen. Diese Methode ist kommerziell populär zur Herstellung von LED-Glühbirnen und -Beleuchtungen.
Anwendungen von LEDs
