Πώς Λειτουργεί ένα LED;

Πώς λειτουργεί ένα LED;

Ορισμός LED

Ένα LED, ή Light Emitting Diode, ορίζεται ως ηλεκτρονικό συστηματικό που εκπέμπει φως όταν ενεργοποιείται ηλεκτρικά μέσω ενός διαδικασίας που ονομάζεται ηλεκτροφωτογένεια.

Πώς λειτουργεί ένα LED

Όπως και ένα συνηθισμένο διόδιο, το LED λειτουργεί όταν είναι προσανατολισμένο με προσανατολισμό προς τα εμπρός. Σε αυτή την περίπτωση, το n-τύπου εμπλουτισμένο πολυάνθρακο είναι πολύ πιο εμπλουτισμένο από το p-τύπου, σχηματίζοντας το p-n συνδέσμα. Όταν είναι προσανατολισμένο με προσανατολισμό προς τα εμπρός, η δυναμική προσβολή μειώνεται και τα ηλεκτρόνια και τα τρύπια συνδυάζονται στο επίπεδο απόξευσης (ή ενεργό επίπεδο), εκπέμποντας φως ή φωτόνια σε όλες τις κατευθύνσεις. Ένα συνηθισμένο σχήμα που δείχνει την εκπομπή φωτός λόγω της συνδυασίας ζευγών ηλεκτρόνιων-τρυπίων κατά την προσανατολισμοποίηση προς τα εμπρός.

Η εκπομπή φωτόνιων σε ένα LED εξηγείται από τη θεωρία των ζωνών ενέργειας των στερεών, η οποία διατάσσει ότι η εκπομπή φωτός εξαρτάται από το αν η ζώνη ενέργειας του υλικού είναι άμεση ή έμμεση. Αυτά τα υλικά που έχουν άμεση ζώνη ενέργειας είναι εκείνα που εκπέμπουν φωτόνια. Σε ένα υλικό με άμεση ζώνη ενέργειας, το κάτω μέρος του επιπέδου ενέργειας της ζώνης συμπεριφοράς βρίσκεται άμεσα πάνω από το ανώτατο επίπεδο ενέργειας της ζώνης πληθυσμού στο διάγραμμα Ενέργειας vs Δυναμική (κύμα 'k').

Όταν τα ηλεκτρόνια και τα τρύπια συνδυάζονται, η ενέργεια E = hν, που αντιστοιχεί στην ενεργειακή διαφορά △ (eV), αποδίδεται ως ενέργεια φωτός ή φωτόνια, όπου h είναι η σταθερά Planck και ν είναι η συχνότητα του φωτός.

Άμεση Ζώνη Ενέργειας

Τα υλικά με έμμεση ζώνη ενέργειας είναι μη ακτινοβολητικά, καθώς το κάτω μέρος της ζώνης συμπεριφοράς δεν συμπίπτει με το ανώτατο επίπεδο της ζώνης πληθυσμού, μετατρέποντας το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας σε θερμότητα. Παραδείγματα είναι το Si, Ge κλπ.

Έμμεση Ζώνη Ενέργειας

Παράδειγμα υλικού με άμεση ζώνη ενέργειας είναι το Gallium Arsenide (GaAs), ένα συνδυασμένο εμπλουτισμένο πολυάνθρακο που χρησιμοποιείται στα LEDs. Τα άτομα εμπλουτισμού προστίθενται στο GaAs για να παράγουν μια ευρεία γκάμα χρωμάτων. Μερικά από τα υλικά που χρησιμοποιούνται στα LEDs είναι:

• Αλουμίνιο Γάλλιο Αρσενικό (AlGaAs) – υπέρυθρο.

• Γάλλιο Αρσενικό Φωσφόρο (GaAsP) – κόκκινο, πορτοκαλί, κίτρινο.

• Αλουμίνιο Γάλλιο Φωσφόρο (AlGaP) – πράσινο.

• Ινδιο Γάλλιο Νίτριο (InGaN) – μπλε, μπλε-πράσινο, κοντινό UV.

• Ζινκ Σεληνιο (ZnSe) – μπλε.

Φυσική Δομή του LED

Το LED είναι δομημένο με τέτοιο τρόπο ώστε το εκπεμπόμενο φως να μην απορροφάται ξανά στο υλικό. Έτσι, εξασφαλίζεται ότι η συνδυασία ηλεκτρόνιων-τρυπίων συμβαίνει στην επιφάνεια.

Το παραπάνω σχήμα δείχνει δύο διαφορετικούς τρόπους δομής του p-n συνδέσματος LED. Η p-τύπου στρώση είναι λεπτή και αναπτύσσεται στο n-τύπου υποβάθριο. Μεταλλικά ηλεκτρόδια που είναι ενσωματωμένα σε κάθε πλευρά του p-n συνδέσματος λειτουργούν ως κόμβοι για εξωτερική ηλεκτρική σύνδεση. Το p-n σύνδεσμα του LED είναι εγκεκλειμένο σε ένα διαφανές κυψελίδιο με καμπύλη μορφή, έτσι ώστε το φως να εκπέμπεται ομοιόμορφα σε όλες τις κατευθύνσεις και να μειώνεται η εσωτερική ανακλαστικότητα.

Το μεγαλύτερο πόδι του LED αντιπροσωπεύει το θετικό ηλεκτρόδι ή anode.

Είναι διαθέσιμα και LEDs με περισσότερα από 2 πόδια, όπως 3, 4 και 6 πίνακες, για να παράγουν πολλαπλά χρώματα στο ίδιο πακέτο LED. Διαθέσιμες είναι επίσης επιφανειακά εγκατασταθείσες LED οθόνες που μπορούν να εγκατασταθούν σε PCBs.

Τα LEDs συνήθως απαιτούν ένα ρεύμα λίγων δεκάδων milliamps και χρειάζονται υψηλή αντίσταση σε σειρά λόγω της υψηλότερης μπροστά ροής τάσης 1,5 έως 3,5 βολτ, σε σύγκριση με τα συνηθισμένα διόδια.

LEDs Λευκού Φωτός ή Φωταγωγοί Λευκού Φωτός

Οι φωταγωγοί, τα φωτοβολίδια και τα δημόσια φωτιστικά συστήματα γίνονται πολύ δημοφιλή αυτή τη στιγμή λόγω της πολύ υψηλής απόδοσης των LEDs ως προς την εξόδο φωτός ανά μονάδα εισόδου ενέργειας (σε milliWatts), σε σύγκριση με τα λαμπτήρια θερμοκρίσεως. Οπότε για γενική χρήση φωτισμού, προτιμάται το λευκό φως. Για την παραγωγή λευκού φωτός με τη βοήθεια LEDs, χρησιμοποιούνται δύο μέθοδοι:

Μίξη των τριών βασικών χρωμάτων RGB για την παραγωγή λευκού φωτός. Αυτή η μέθοδος έχει υψηλή κβαντική απόδοση.

Η άλλη μέθοδος είναι η επένδυση ενός LED ενός χρώματος με φωσφόρο διαφορετικού χρώματος για την παραγωγή λευκού φωτός. Αυτή η μέθοδος είναι εμπορικά δημοφιλής για την κατασκευή φωταγωγών και φωτιστικών συστημάτων.

Εφαρμογές των LEDs

Ηλεκτρονικές οθόνες όπως OLEDs, micro-LEDs, quantum dots κλπ.

• Ως LED δείκτης.

• Σε απομακρυστικές εντολές.

• Φωτισμός.

• Opto-isolators.