Kako radi LED?

Kako radi LED?

Definicija LED-a

LED ili svjetiljka emitirajuća dioda definirana je kao poluprovodnički uređaj koji emitira svjetlost kada je električno energiziran putem procesa zvanog elektroluminiscencija.

Kako LED radi

Poput obične diode, LED dioda radi kada je unaprijed polarizirana. U ovom slučaju, n-tip poluprovodnika je teže dopiran od p-tipa formirajući p-n spoj. Kada je unaprijed polarizirana, potencijalna barijera se smanjuje i elektroni i rupice kombiniraju u sloju iscrpljenja (ili aktivnom sloju), emitirajući svjetlost ili fotone u sve smjerove. Tipična figura ispod pokazuje emisiju svjetlosti zbog kombinacije para elektron-rupica pri unaprijednom polaganju.

Emisija fotona u LED-u objašnjava se teorijom energetskih pasova čvrstih tijela, koja propisuje da emisija svjetlosti ovisi o tome je li materijal imao direktnu ili indirektnu band gap. One poluprovodničke materijale koje imaju direktnu band gap su one koje emitiraju fotone. U materijalu s direktnom band gap-om, dno energetskog razina vodljivog pojasa nalazi se izravno iznad vrha energetskog razina valentnog pojasa na dijagramu Energetska razina vs Impuls (valovni vektor 'k').

Kada se elektroni i rupice rekombiniraju, energija E = hν koja odgovara energetskoj prazini △ (eV) oslobađa se u obliku svjetlosne energije ili fotona, gdje je h Planckova konstanta, a ν frekvencija svjetlosti.

Direktna band gap

Materijali s indirektnim band gap-om nisu radijalni, jer dno njihovog vodljivog pojasa ne usklađuje se s vrhom valentnog pojasa, pretvarajući većinu energije u toplinu. Primjeri su Si, Ge itd.

Indirektna band gap

Primjer materijala s direktnom band gap-om je Arsenid galijuma (GaAs), kompozitni poluprovodnik koji se koristi u LED-ovima. Dodavanjem dopantnih atoma GaAs-ima postiže se širok spektar boja. Neki materijali korišteni u LED-ovima su:

• Aluminijsko-galijumski arsenid (AlGaAs) – infracrveno.

• Arsenid fosfor-galijuma (GaAsP) – crveno, narandžasto, žuto.

• Aluminijsko-galijumski fosfid (AlGaP) – zeleno.

• Indijum-galijum-nitrid (InGaN) – plavo, plavo-zelena, blizu UV.

• Selenid cinka (ZnSe) – plavo.

Fizička struktura LED-a

LED je strukturiran na način da emitirana svjetlost ne apsorbira se opet u materijal. Tako se osigurava da rekombinacija elektron-rupica događa na površini.

Gornja figura pokazuje dva različita načina strukturiranja p-n spoja LED-a. P-tip sloj je tanki i proizveden na n-tip substratu. Metalne elektrode pričvršćene na obje strane p-n spoja služe kao čvorovi za vanjsku električnu vezu. P-n spoj LED-a obložen je transparentnim, kupolastim omotačem kako bi svjetlost jednoliko emitirala u sve smjerove s minimalnim internim refleksijama.

Veća nogica LED-a predstavlja pozitivnu elektrodu ili anodu.

Dostupni su LED-ovi s više od dvije nogice, poput 3, 4 i 6 pin konfiguracija kako bi se dobile više boja u istom LED paketu. Dostupni su LED displeji za montažu na PCB-ovima.

LED-ovi tipično zahtijevaju struju od nekoliko desetaka miliampera i potrebni su visoki otpori u seriji zbog njihovog većeg napona pri unaprijednom polaganju od 1,5 do 3,5 volta, u usporedbi s običnim diodama.

Bijeli LED-ovi ili bijele LED svjetiljke

LED svjetiljke, žarulje, ulično osvjetljenje postaju vrlo popularni danas zbog vrlo visoke učinkovitosti LED-ova u smislu svjetlosnog izlaza po jedinici ulazne snage (u milivatima), u usporedbi s žarnim žaruljama. Stoga se za opće svjetljenje preferira bijela svjetlost. Da bi se proizvela bijela svjetlost pomoću LED-ova, koriste se dva metoda:

Mešanje tri primarne boje RGB kako bi se proizvela bijela svjetlost. Ovaj metod ima visoku kvantnu učinkovitost.

Drugi metod je prekrivanje LED-a jedne boje fosforom druge boje kako bi se proizvela bijela svjetlost. Ovaj metod je komercijalno popularan za proizvodnju LED žarulja i osvjetljenja.

Primjene LED-ova

Elektronički displeji poput OLED-a, mikro-LED-a, kvantnih točkica itd.

• Kao LED indikator.

• U daljinskim upravljačima.

• Svjetljenje.

• Opto-izolatori.