Hogyan működik egy LED?

Hogyan működik egy LED?

LED definíció

A LED, vagy fénykibocsátó diód, olyan szemiconductori eszköz, amely elektroluminiscencia folyamatával fényt bocsát ki, ha elektromosan energiázva van.

Működési elv a LED-enél

Ahogy egy általános diód, a LED diód is akkor működik, amikor előre irányított. Ebben az esetben az n-típusú szemiconductor erősebben dopált, mint a p-típus, ezzel alakítva a p-n csomópontot. Amikor előre irányított, a potenciális akadály csökken, és az elektronok és lyukak kombinálnak a kiürítési rétegben (vagy aktív rétegben), fényt vagy fotonokat sugározva minden irányba. A tipikus ábra alább mutatja a fénykibocsátást, amikor elektron-lyuka párok kombinálnak előre irányítás során.

A fotonok kibocsátása a LED-ben a szilárdtestek energia-sáv elméletével magyarázható, ami szerint a fénykibocsátás a anyag sáv-hellyétől függ, hogy közvetlen vagy közvetett. Azok a szemiconductori anyagok, amelyeknek közvetlen sáv-helyük van, azok a fotonokat bocsátják ki. Egy közvetlen sáv-helyű anyagban a vezető sáv aljának energia-szintje közvetlenül fekszik a valencia sáv legfelső energia-szintje fölött az Energia vs Momentum (hullámvektor 'k') diagramon.

Amikor elektronok és lyukak kombinálnak, E = hν energia, ami megfelel a △ (eV) energia-hellyel, fényenergiaként vagy fotonokként jelenik meg, ahol h a Planck-állandó, és ν a fény frekvenciája.

Közvetlen sáv-hely

A közvetett sáv-helyű anyagok nem sugározóak, mivel a vezető sáv alja nem igazodik a valencia sáv tetejéhez, így a legtöbb energiát hővé alakítják. Például Si, Ge stb.

Közvetett sáv-hely

Példa közvetlen sáv-helyű anyagra a gallium-arszenid (GaAs), egy vegyületekészítési szemiconductor, amit LED-ekben használnak. Dóz atomokat adnak hozzá a GaAshoz, hogy széles skálájú színeket adjon. Néhány a LED-ekben használt anyag:

• Alumínium-gallium-arszenid (AlGaAs) – infravörös.

• Gallium-arszenid-foszfíd (GaAsP) – vörös, narancs, sárga.

• Alumínium-gallium-foszfíd (AlGaP) – zöld.

• Indium-gallium-nitrid (InGaN) – kék, zöld-kék, közel UV.

• Cink-szelnid (ZnSe) – kék.

A LED fizikai szerkezete

A LED olyan módon van szerkezeti, hogy a kibocsátott fény ne kerüljön visszaabszorbálásra a anyagba. Ezért biztosítják, hogy az elektron-lyuka kombináció a felületen történjen.

Az ábra két különböző módot mutat a LED p-n csomópont szerkezetére. A p-típusú réteg vékony, és a n-típusú alapanyagon nő. Metállektrodák, amiket a p-n csomópontra rögzítenek, külső elektrikai kapcsolatok csomópontjaként szolgálnak. A fénykibocsátó diód p-n csomópont egy gömbölyű, átható borításban van, hogy a fény egyenletesen minden irányba sugározzon, és minimális belső reflektálással rendelkezzen.

A LED nagyobb lábja a pozitív elektrodát, vagy anodát jelenti.

Több, mint két lábú LED-ek is elérhetők, például 3, 4 és 6 csatlakozó konfigurációval, hogy ugyanazon LED csomagban több színt is lehessen előidézni. Felszínen telepíthető LED kijelzők is elérhetők, amiket PCB-re lehet rögzíteni.

A LED-ek általában néhány tíz milliampert igényelnek, és magas ellenállást igényelnek sorban, mivel magasabb előre irányított feszültség-lejtést (1,5–3,5 volt) képeznek, összehasonlítva az általános diódokkal.

Fehér fény LED-ek vagy fehér LED lámpák

A LED lámpák, buborékok, utcaki távilatosítás napjainkban nagyon népszerűek a LED-ek nagyon magas hatékonysága miatt, fénykimenet per beviteli teljesítmény (milliwatt) szempontból, összehasonlítva az incandeszcens lámpákkal. Tehát általános célú világítás esetén a fehér fény előnyben részesített. A fehér fény előállításához LED-ekkel két módszert használnak:

A három alapszín, RGB keverése fehér fény előállításához. Ez a módszer magas kvantumhatékonysággal bír.

A másik módszer egy színű LED-et különböző színű foszforral takar, hogy fehér fényt állítson elő. Ez a módszer kereskedelmi szempontból népszerű a LED buborékok és távilatosítás gyártásához.

LED-ek alkalmazásai

Elektronikus kijelzők, mint OLED, mikro-LED, kvantumpontok stb.

• Mint LED indikátor.

• Távirányítókban.

• Világítás.

• Opto-elkülönítők.