Hvordan fungerer en LED?

Hvordan fungerer en LED?

LED-definisjon

En LED, eller lysdiod, er definert som et halvledersystem som utstråler lys når det elektrisk aktiveres gjennom en prosess kalt elektroluminescens.

Hvordan en LED fungerer

Som en vanlig diod, fungerer LED-dioden når den er forover polarisert. I dette tilfellet er n-type halvlederen tungt dopet sammenlignet med p-type, og danner p-n-junctionen. Når den er forover polarisert, reduseres potensielle barriere, og elektroner og hull kombinerer i utarmingslaget (eller aktivt lag), og lys eller fotoner utstråles i alle retninger. En typisk figur viser lysutstråling på grunn av kombinasjon av elektron-hull par ved forover polarisering.

Utstrålingen av fotoner i en LED forklares av energibandteorien for faste stoffer, som dikterer at lysutstråling avhenger av materialets bandgap som er direkte eller indirekte. De halvledermaterialene som har en direkte bandgap, er de som utstråler fotoner. I et material med direkte bandgap ligger bunnen av energinivået i konduksjonsbandet direkte over toppen av energinivået i valensbandet på energi mot impulsmoment (bølgelengde 'k') diagrammet.

Når elektroner og hull rekombinerer, slipper energi E = hν som svarer til energigapet △ (eV) unna i form av lysenergi eller fotoner, hvor h er Plancks konstant og ν er frekvensen av lys.

Direkte bandgap

Materialer med indirekte bandgaps er ikke-radiative, da bunnen av konduksjonsbandet ikke alligner med toppen av valensbandet, og konverterer mesteparten av energien til varme. Eksempler er Si, Ge osv.

Indirekte bandgap

Eksempel på materiale som har direkte bandgap er galliumarsenid (GaAs), et kompositt halvledermateriale som brukes i LED-er. Dopantatomer legges til GaAs for å gi en bred rekke med farger. Noen av materialene som brukes i LED-er er:

• Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) – infrarødt.

• Galliumarsenidfosfid (GaAsP) – rødt, oransje, gult.

• Aluminiumgalliumfosfid (AlGaP) – grønt.

• Indiumgalliumnitrid (InGaN) – blått, blågrønt, nær UV.

• Sinkselenid (ZnSe) – blått.

Fysisk struktur av LED

LED er strukturert på en måte slik at lyset som utstråles, ikke blir reabsorbert av materialet. Det sikres at rekombinasjonen av elektron-hull skjer på overflaten.

Figuren over viser to forskjellige måter å strukturere LED p-n junction. P-typelaget er tynnet og vokst på n-type substrat. Metall-elektroder festet på hver side av p-n junction fungerer som noder for ekstern elektrisk kobling. Lysdioden p-n junction er innkapslet i en kuppelformet transparent beholder, slik at lyset utstråles jevnt i alle retninger og minst mulig intern refleksjon forekommer.

Den større benen av LED representerer den positive elektroden eller anoden.

LED-er med mer enn to ben er også tilgjengelige, som 3, 4 og 6 pin konfigurasjoner for å oppnå flere farger i samme LED pakke. Overflatemonterte LED-skjermer er tilgjengelige som kan monteres på PCB-er.

LED-er krever typisk en strøm på noen ti milliampere og trenger høy motstand i serie på grunn av deres høyere spenningsfall på 1,5 til 3,5 volt, sammenlignet med vanlige dioder.

Hvitlys LED-er eller hvit LED-lamper

LED-lamper, glober, gatelysing blir veldig populære i dag på grunn av den svært høye effektiviteten til LED-er i forhold til lysutstråling per enhet inngangseffekt (i milliwatt), sammenlignet med glødetråde. Så for generell belysning, foretrekker man hvitt lys. For å produsere hvitt lys med hjelp av LED-er, brukes to metoder:

Miksing av de tre primære fargene RGB for å produsere hvitt lys. Denne metoden har høy kvanteffektivitet.

Den andre metoden er å belage en LED av én farge med fosfor av en annen farge for å produsere hvitt lys. Denne metoden er kommercielt populær for å produsere LED-glober og belysning.

Anvendelser av LED-er

Elektroniske skjermer som OLED-er, mikro-LED-er, kvantedotter osv.

• Som LED-indikator.

• I fjernkontroller.

• Belysning.

• Opto-isolatorer.