Hoe Werkt een LED?
Hoe werkt een LED?
Definitie van LED
Een LED, of Light Emitting Diode, is gedefinieerd als een halfgeleiderapparaat dat licht uitstraalt wanneer het elektrisch wordt opgewekt door een proces genaamd electroluminescentie.
Hoe een LED werkt
Net als een gewone diode werkt de LED-diode wanneer deze voorwaarts bevoordeeld is. In dit geval is de n-type halfgeleider sterker gedopeerd dan de p-type, waardoor de p-n-overgang ontstaat. Wanneer het voorwaarts bevoordeeld is, neemt de potentieelbarrière af en combineren de elektronen en gaten in de afbraaklaag (of actieve laag), waarbij licht of fotonen in alle richtingen worden uitgestraald. Een typische figuur toont lichtuitstraling door de combinatie van elektron-gatparen bij voorwaartse bevoordeeling.
De emissie van fotonen in een LED wordt verklaard door de energiebandtheorie van vaste stoffen, die dicteert dat lichtemissie afhankelijk is van de directe of indirecte bandgap van het materiaal. Die halfgeleidervaststoffen die een directe bandgap hebben, zijn degenen die fotonen uitstralen. Bij een directe bandgap ligt de bodem van het energieniveau van de geleidingsband rechtstreeks boven het hoogste energieniveau van de valentieband in het diagram Energie versus Impuls (golfvector 'k').
Wanneer elektronen en gaten recombineren, wordt energie E = hν, overeenkomstig de energiegap △ (eV), vrijgegeven in de vorm van lichtenergie of fotonen, waarbij h de constante van Planck is en ν de frequentie van het licht.
Directe Bandgap
Materialen met een indirecte bandgap zijn niet stralend, omdat de bodem van de geleidingsband niet uitlijnt met de top van de valentieband, wat de meeste energie omzet in warmte. Voorbeelden hiervan zijn Si, Ge, enz.
Indirecte Bandgap
Een voorbeeld van een materiaal met een directe bandgap is Gallium Arseenide (GaAs), een verbindingshalvegeleider die gebruikt wordt in LEDs. Dopantatomen worden toegevoegd aan GaAs om een breed scala aan kleuren te produceren. Sommige materialen die in LEDs worden gebruikt, zijn:
Aluminium Gallium Arsenide (AlGaAs) – infrarood.
Gallium Arseenide Fosfide (GaAsP) – rood, oranje, geel.
Aluminium Gallium Fosfide (AlGaP) – groen.
Indium Gallium Stikstof (InGaN) – blauw, blauwgroen, nabij UV.
Zink Selenide (ZnSe) – blauw.
Fysieke Structuur van LED
Een LED is zo gestructureerd dat het uitgestraalde licht niet opnieuw wordt geabsorbeerd door het materiaal. Het wordt dus verzekerd dat de recombinatie van elektronen en gaten plaatsvindt aan de oppervlakte.
De bovenstaande figuur toont de twee verschillende manieren om de LED p-n-overgang te structureren. De p-type laag is dun gemaakt en gegroeid op de n-type substraat. Metaalelectroden die aan weerszijden van de p-n-overgang zijn bevestigd, dienen als knooppunten voor externe elektrische verbinding. De lichtemittende diode p-n-overgang is gehuisvest in een koepelvormige transparante behuizing, zodat het licht gelijkmatig in alle richtingen wordt uitgestraald en minimale interne reflectie optreedt.
De langere poot van de LED vertegenwoordigt de positieve elektrode of anode.
LEDs met meer dan 2 poten zijn ook beschikbaar, zoals configuraties met 3, 4 en 6 pinnen om meerkleurige licht uit dezelfde LED-verpakking te verkrijgen. Oppervlaktegeplaatste LED-displays zijn beschikbaar die op PCB's kunnen worden gemonteerd.
LEDs vereisen typisch een stroom van enkele tientallen milliampères en hebben een hoge weerstand in serie nodig vanwege hun hogere voorwaartse spanning van 1,5 tot 3,5 volt, vergeleken met gewone diodes.
Witte Licht LEDs of Witte LED Lampen
LED-lampen, -peertjes en -straatverlichting worden tegenwoordig erg populair vanwege de zeer hoge efficiëntie van LEDs in termen van lichtopbrengst per ingangskracht (in milliwatt), in vergelijking met gloeilampen. Voor algemeen gebruik wordt wit licht verkozen. Om wit licht te produceren met behulp van LEDs, worden twee methoden gebruikt:
Menging van de drie primaire kleuren RGB om wit licht te produceren. Deze methode heeft een hoge kwantumefficiëntie.
De andere methode is het bedekken van een LED van één kleur met fosfor van een andere kleur om wit licht te produceren. Deze methode is commercieel populair voor de productie van LED-peertjes en -verlichting.
Toepassingen van LEDs
Elektronische displays zoals OLEDs, micro-LEDs, quantum dots, enz.
Als LED-indicator.
In afstandsbedieningen.
Verlichting.
Opto-isolators.
