Jak działa dioda LED?

Jak działa dioda LED?

Definicja diody LED

Dioda LED (Light Emitting Diode) to półprzewodnikowy element, który emituje światło, gdy jest elektrycznie zasilany przez proces nazywany elektroluminescencją.

Jak działa dioda LED

Podobnie jak zwykła dioda, dioda LED działa, gdy jest przewężona. W tym przypadku półprzewodnik typu n jest mocniej domieszkowany niż typ p, tworząc złącze p-n. Gdy jest przewężona, potencjał barierowy maleje, a elektrony i dziury łączą się w strefie wyczerpania (lub aktywnej), emitując światło lub fotony we wszystkich kierunkach. Poniższy rysunek pokazuje emisję światła poprzez połączenie par elektron-dziura podczas przewężenia.

Emisja fotonów w diodzie LED wyjaśniana jest teorią pasm energetycznych ciał stałych, która mówi, że emisja światła zależy od tego, czy materiał ma bezpośrednie lub pośrednie pasmo energetyczne. To są materiały półprzewodnikowe, które mają bezpośrednie pasmo energetyczne, które emitują fotony. W materiale o bezpośrednim pasmie energetycznym, dolny poziom energetyczny pasma przewodzenia leży bezpośrednio nad najwyższym poziomem energetycznym pasma walencyjnego na wykresie Energia vs Moment pędu (wektor falowy 'k').

Gdy elektrony i dziury rekombinują, energia E = hν odpowiadająca luki energetycznej △ (eV) ucieka w postaci energii światła lub fotonów, gdzie h to stała Plancka, a ν to częstotliwość światła.

Bezpośrednie pasmo energetyczne

Materiały o pośrednim pasmie energetycznym nie są promieniujące, ponieważ dno pasma przewodzenia nie jest wyrównane z górnym poziomem pasma walencyjnego, zamieniając większość energii w ciepło. Przykładami są Si, Ge itp.

Pośrednie pasmo energetyczne

Przykładem materiału o bezpośrednim pasmie energetycznym jest arsenid galu (GaAs), półprzewodnikowy materiał używany w diodach LED. Dodawane są atomy domieszkujące do GaAs, aby uzyskać szeroki zakres kolorów. Niektóre z materiałów używanych w diodach LED to:

• Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) – podczerwień.

• Arsenid fosforanu galu (GaAsP) – czerwony, pomarańczowy, żółty.

• Fosforan aluminium i galu (AlGaP) – zielony.

• Nitryt indolu i galu (InGaN) – niebieski, błękitno-zielony, bliski UV.

• Selenid cynku (ZnSe) – niebieski.

Konstrukcja fizyczna diody LED

Dioda LED jest skonstruowana w taki sposób, aby emitowane światło nie było ponownie absorbowane przez materiał. Zapewnione jest, że rekombinacja elektron-dziura następuje na powierzchni.

Powyższy rysunek pokazuje dwa różne sposoby konstrukcji złącza p-n w diodzie LED. Warstwa typu p jest cienka i wzrasta na podłożu typu n. Elektrody metalowe przyłączone po obu stronach złącza p-n służą jako węzły do zewnętrznego połączenia elektrycznego. Złącze p-n diody LED jest umieszczone w przezroczystej, kopułowatej obudowie, aby światło było emitowane jednolicie we wszystkich kierunkach i zachodziło minimalne wewnętrzne odbicie.

Większa noga diody LED reprezentuje dodatnią elektrodę lub anodę.

Dostępne są również diody LED z więcej niż dwiema nogami, takie jak konfiguracje 3, 4 i 6-pin, aby uzyskać wiele kolorów w jednym opakowaniu LED. Dostępne są również montowane na powierzchni wyświetlacze LED, które można montować na płytach PCB.

Diody LED wymagają zwykle prądu w zakresie kilkudziesięciu miliamperów i potrzebują dużej rezystancji szeregowo ze względu na wyższy spadek napięcia naprzód 1,5 do 3,5 volt, w porównaniu do zwykłych diod.

Białe diody LED lub białe lampy LED

Lampy, żarówki i oświetlenie uliczne oparte na diodach LED stają się coraz popularniejsze ze względu na bardzo wysoką efektywność LED w zakresie wyjściowej mocy świetlnej na jednostkę wprowadzonej mocy (w miliwatów), w porównaniu do żarówek żarowych. Dla ogólnych celów oświetleniowych preferowane jest światło białe. Aby uzyskać białe światło za pomocą diod LED, stosuje się dwa metody:

Mieszanie trzech podstawowych kolorów RGB, aby uzyskać białe światło. Ta metoda ma wysoką efektywność kwantową.

Inna metoda polega na pokryciu diody LED jednego koloru fosforem innego koloru, aby uzyskać białe światło. Ta metoda jest komercyjnie popularna do produkcji żarówek LED i oświetlenia.

Zastosowania diod LED

Elektroniczne wyświetlacze, takie jak OLED, mikro-LED, kwantowe punkty itp.

• Jako wskaźnik LED.

• W pilotach.

• Oświetlenie.

• Optoizolatory.