چگونه یک دیود نورآفرین کار می‌کند؟

چگونه یک دیود نورپرداز کار می‌کند؟

تعریف دیود نورپرداز

دیود نورپرداز یا LED، به عنوان یک دستگاه نیم‌رسانا تعریف می‌شود که هنگامی که از طریق فرآیند الکترولومینسانس الکتریکی شارژ می‌شود، نور تولید می‌کند.

چگونگی عملکرد یک دیود نورپرداز

مانند یک دیود عادی، دیود نورپرداز زمانی که جریان مستقیم (forward biased) است کار می‌کند. در این حالت، نیم‌رسانای نوع n بیشتر از نوع p دوپینگ شده و پی‌ان جکشن را تشکیل می‌دهد. هنگامی که جریان مستقیم است، مانع پتانسیل کاهش یافته و الکترون‌ها و حفره‌ها در لایه خالی (یا لایه فعال) با یکدیگر ترکیب می‌شوند و نور یا فوتون‌ها در تمام جهات تابیده می‌شوند. یک شکل نمونه زیر نشان می‌دهد که چگونه ترکیب الکترون-حفره منجر به تابش نور در حالت جریان مستقیم می‌شود.

تابش فوتون‌ها در یک LED با استفاده از نظریه باند انرژی مواد صلب توضیح داده می‌شود، که می‌گوید تابش نور به این بستگی دارد که باند انرژی ماده مستقیم یا غیرمستقیم باشد. مواد نیم‌رسانا که باند انرژی مستقیم دارند، فوتون تابیده می‌کنند. در یک ماده با باند انرژی مستقیم، پایین‌ترین سطح انرژی باند هدایت مستقیماً بالای بالاترین سطح انرژی باند والانس در نمودار انرژی در مقابل مقدار موج (k) قرار دارد.

هنگامی که الکترون‌ها و حفره‌ها با یکدیگر ترکیب می‌شوند، انرژی E = hν متناظر با فاصله انرژی △ (eV) به صورت انرژی نور یا فوتون‌ها آزاد می‌شود که h ثابت پلانک و ν فرکانس نور است.

باند انرژی مستقیم

مواد با باند انرژی غیرمستقیم غیررادیاتیف هستند، زیرا پایین‌ترین سطح باند هدایت با بالاترین سطح باند والانس همسان نیست و بیشتر انرژی به گرما تبدیل می‌شود. مثال‌هایی از آن‌ها Si، Ge و غیره هستند.

باند انرژی غیرمستقیم

مثالی از ماده با باند انرژی مستقیم، آرسنید گالیوم (GaAs) است، یک نیم‌رسانا مرکب که ماده مورد استفاده در LEDها است. اتم‌های دوپینگ به GaAs اضافه می‌شوند تا طیف گسترده‌ای از رنگ‌ها تولید کنند. برخی از مواد مورد استفاده در LEDها عبارتند از:

• آرسنید آلومینیوم گالیوم (AlGaAs) – ناحیه فروسرخ.

• فسفید گالیوم آرسنیک (GaAsP) – قرمز، نارنجی، زرد.

• فسفید آلومینیوم گالیوم (AlGaP) – سبز.

• نیترید یندیوم گالیوم (InGaN) – آبی، آبی‌سبز، نزدیک UV.

• سلنید روی (ZnSe) – آبی.

ساختار فیزیکی LED

LED به گونه‌ای ساخته شده است که نور تابیده شده دوباره به ماده جذب نشود. بنابراین مطمئن می‌شویم که ترکیب الکترون-حفره روی سطح اتفاق می‌افتد.