Как работает светодиод?

Как работает светодиод?

Определение светодиода

Светодиод (LED) определяется как полупроводниковое устройство, которое излучает свет при электрическом возбуждении через процесс, называемый электролюминесценцией.

Как работает светодиод

Подобно обычному диоду, светодиод работает, когда он прямосмещен. В этом случае n-тип полупроводника имеет более высокую концентрацию доноров, чем p-тип, образуя p-n переход. При прямом смещении потенциальный барьер уменьшается, и электроны и дырки соединяются в области обеднения (или активной зоне), излучая или испуская свет (фотоны) во всех направлениях. Типичная схема ниже показывает излучение света при соединении пар электрон-дырка при прямом смещении.

Излучение фотонов в светодиоде объясняется теорией энергетических зон твердых тел, которая указывает, что излучение света зависит от того, является ли зазор материала прямым или непрямым. Полупроводниковые материалы, имеющие прямой зазор, излучают фотоны. В материале с прямым зазором нижний уровень энергии зоны проводимости находится прямо над верхним уровнем энергии валентной зоны на диаграмме энергия-импульс (волновой вектор 'k').

Когда электроны и дырки рекомбинируют, энергия E = hν, соответствующая энергетическому зазору △ (эВ), выделяется в виде световой энергии или фотонов, где h — постоянная Планка, а ν — частота света.

Прямой энергетический зазор

Материалы с непрямым энергетическим зазором не являются радиационными, так как нижний уровень энергии зоны проводимости не совпадает с верхним уровнем энергии валентной зоны, преобразуя большую часть энергии в тепло. Примерами являются Si, Ge и т.д.

Непрямой энергетический зазор

Пример материала, который имеет прямой энергетический зазор, это мышьяк галлий (GaAs), соединение полупроводника, используемое в светодиодах. Атомы легирующих примесей добавляются к GaAs для получения широкого спектра цветов. Некоторые материалы, используемые в светодиодах, включают:

• Алюминий галлий арсенид (AlGaAs) — инфракрасный.

• Галлий арсенид фосфид (GaAsP) — красный, оранжевый, желтый.

• Алюминий галлий фосфид (AlGaP) — зеленый.

• Индий галлий азот (InGaN) — синий, голубой, ближний УФ.

• Цинк селенид (ZnSe) — синий.

Физическая структура светодиода

Светодиод структурирован таким образом, чтобы излучаемый свет не поглощался материалом. Поэтому обеспечивается, что рекомбинация электрон-дырка происходит на поверхности.

На рисунке выше показаны два различных способа структурирования p-n перехода светодиода. p-типовый слой делается тонким и выращивается на n-типовом подложке. Металлические электроды, прикрепленные по обе стороны p-n перехода, служат узлами для внешнего электрического соединения. P-n переход светодиода заключен в прозрачный куполообразный корпус, чтобы свет излучался равномерно во всех направлениях и происходило минимальное внутреннее отражение.

Большая нога светодиода представляет собой положительный электрод или анод.

Доступны также светодиоды с более чем двумя ногами, такие как 3, 4 и 6-пиновые конфигурации, для получения нескольких цветов в одном корпусе светодиода. Доступны поверхностные светодиодные дисплеи, которые можно монтировать на печатных платах (PCB).

Светодиоды обычно требуют тока в несколько десятков миллиампер и нуждаются в высоком сопротивлении в цепи из-за их более высокого напряжения прямого падения 1,5-3,5 вольта, по сравнению с обычными диодами.

Белые светодиоды или белые светодиодные лампы

Светодиодные лампы, лампочки и уличное освещение становятся все более популярными в наши дни благодаря очень высокой эффективности светодиодов в терминах выхода света на единицу входной мощности (в милливаттах), по сравнению с лампами накаливания. Для общего освещения предпочтителен белый свет. Чтобы создать белый свет с помощью светодиодов, используются два метода:

Смешивание трех основных цветов RGB для получения белого света. Этот метод имеет высокую квантовую эффективность.

Другой метод состоит в покрытии светодиода одного цвета фосфором другого цвета для получения белого света. Этот метод коммерчески популярен для производства светодиодных ламп и освещения.

Применение светодиодов

Электронные дисплеи, такие как OLED, микро-LED, квантовые точки и т.д.

• В качестве светодиодного индикатора.

• В пультах дистанционного управления.

• Освещение.

• Оптоизоляторы.