Miten LED toimii?
LED:n määritelmä
LED, eli valoava diodi, on määritelty semanttisen laitteen, joka tuottaa valoa sähköisesti energoidessaan prosessin kautta, jota kutsutaan elektroluminesenssiksi.
Miten LED toimii
Kuten tavallinen diodi, LED-diodi toimii, kun se on etujohdetussa. Tässä tapauksessa n-tyyppinen semanttinen materiaali on runsaammin dopattu kuin p-tyyppinen muodostaen p-n-liitoksen. Kun se on etujohdetussa, potentiaalinen este pienenee ja elektronit ja aukot yhdistyvät tyhjennyskerrossa (tai aktiivikerrossa), ja valoa tai fotonia säteiltävä kaikkiin suuntiin. Yleinen kuva osoittaa valonsäteilyn sähkö-aavikon yhdistymisen etujohdettuna.
Fotonien säteily LED:ssä selitetään solideissa energiabänditeorian avulla, joka määrää, että valonsäteily riippuu materiaalin bändien välisestä suoraan tai epäsuorasta välistä. Ne semanttiset materiaalit, joilla on suora bändiväli, ovat ne, jotka säteilevät fotonit. Suorassa bändivälissä materiaalissa, johtavuuden energian tason ala sijaitsee suoraan yläenergian tason yläpuolella valemman energian kuviossa.
Kun elektronit ja aukot yhdistyvät, energia E = hν, joka vastaa energiaväliä △ (eV), pääsee ulos valonenergiana tai fotonina, missä h on Planckin vakio ja ν on valon taajuus.
Suora bändiväli
Epäsuorat bändiväli-materiaalit eivät ole säteilijöitä, koska niiden johtavuuden ala ei ole tasolla valemman energian kanssa, mikä muuttaa enimmäkseen energiaa lämmöksi. Esimerkkejä ovat Si, Ge jne.
Epäsuora bändiväli
Esimerkki materiaalista, jolla on suora bändiväli, on galliumarseniidi (GaAs), joka on kompositsemanttinen materiaali, jota käytetään LED:eissä. Dopantiatomeja lisätään GaAs:iin erilaisten värien saamiseksi. Joitakin LED:eissä käytettyjä materiaaleja ovat:
Alumiiniumigalliumarseniidi (AlGaAs) – infrapuna.
Galliumarsenidifosfiidi (GaAsP) – punainen, oranssi, keltainen.
Alumiiniumigalliumfosfiidi (AlGaP) – vihreä.
Indiumgalliumnitriidi (InGaN) – sininen, sinivihreä, lähellä UV.
Sinkisiseliidi (ZnSe) – sininen.
LED:n fyysisrakenne
LED on rakennettu siten, että säteilevä valo ei imeudu takaisin materiaaliin. Varmistetaan, että elektronien ja aukkojen yhdistyminen tapahtuu pinnalla.
Yllä oleva kuva näyttää kahden eri tavan LED:n p-n-liitoksen rakenne. P-tyyppinen kerros on tehty ohuen ja kasvatettu n-tyyppiseen substruktuuriin. Metallielektrot, jotka on kiinnitetty p-n-liitoksen molempiin puoliin, toimivat ulkoisen sähköyhteyden nodoksina. LED:n p-n-liitos on upotettu kupolimäiseen läpinäkyvään koteloon, jotta valo säteilee tasaisesti kaikkiin suuntiin ja sisäinen heijastuminen on minimaalista.
LED:n suurempi jalka edustaa positiivista elektroodia tai anodia.
Olemassa on myös LED:eitä, joilla on yli kaksi jalkaa, kuten 3, 4 ja 6 pin -konfiguraatiot, jotta voidaan saada useita värejä samassa LED-paketissa. Pintakuitut LED-näytöt ovat saatavilla, jotka voidaan asentaa PCB:eille.
LED:t vaativat yleensä muutamaa kymmentä milliamperiä ja tarvitsevat korkean vastuksen sarjassa, koska niillä on korkeampi etujännite pudotus 1,5–3,5 voltia verrattuna tavallisiin diodeihin.
Valkoiset LED-lamppu tai valkoiset LED-valot
LED-lampit, -hehkut ja -katuvalot ovat nykyään hyvin suosittuja LED:n erittäin korkean tehokkuuden vuoksi valon tuotannon suhteen syöttökertauksen (milliwatteissa) osalta verrattuna incandescent lampuihin. Siksi yleisiin valaistustarkoituksiin valkoista valoa suositaan. Valkoisen valon tuottamiseksi LED:n avulla käytetään kahden menetelmän:
Kolmen perusväri RGB:n sekoitus tuottamaan valkoista valoa. Tämä menetelmä on korkean kvanttimekanismitehokkuuden omaava.
Toinen menetelmä on yhden väriä olevan LED:n peittäminen toisen värin fosforilla valkoisen valon tuottamiseksi. Tämä menetelmä on kaupallisesti suosittu LED-lampujen ja -valojen valmistuksessa.
LED:n sovellukset
Sähköiset näytöt, kuten OLED, micro-LED, kvanttipisteet jne.
LED-indikaattorina.
Etäohjaimissa.
Valaistuksessa.
Optoisolaattoreissa.
