Як працює LED?

Як працює LED?

Визначення LED

LED, або світлодіод, визначається як напівпровідниковий прилад, який виділяє світло за електричної енергізації через процес, відомий як електролюмінесценція.

Як працює LED

Як звичайний діод, світлодіод працює, коли він є прямоспрямованим. У цьому випадку n-тип напівпровідника є більш дотованим, ніж p-тип, формуючи р-п переход. Коли він є прямоспрямованим, потенційна бар'єра зменшується, і електрони та дірки поєднуються у зоні деплетації (або активній зоні), виділяючи світло або фотони у всіх напрямках. Типова схема нижче показує виділення світла завдяки поєднанню пари електрон-дірка при прямоспрямованому напругу.

Виділення фотонів в LED пояснюється теорією енергетичних зон твердих тіл, яка встановлює, що виділення світла залежить від того, чи є зона провідності матеріалу прямою чи непрямою. Ті напівпровідникові матеріали, які мають пряму зону провідності, є тими, які виділяють фотони. У матеріалах з прямою зоною провідності нижня енергетична рівень зони провідності лежить безпосередньо над верхнім енергетичним рівнем валентної зони на діаграмі Енергія-Імпульс (хвильовий вектор 'k').

Коли електрони та дірки поєднуються, енергія E = hν, що відповідає енергетичному розриву △ (еV), віддається у вигляді світлової енергії або фотонів, де h — стала Планка, а ν — частота світла.

Пряма зона провідності

Матеріали з непрямою зоною провідності не радіаційні, оскільки дно зони провідності не вирівнюється з верхнім рівнем валентної зони, перетворюючи більшість енергії на тепло. Прикладами є Si, Ge тощо.

Непряма зона провідності

Приклад матеріалу, який має пряму зону провідності, — галій арсенід (GaAs), композитний напівпровідник, який використовується в LED. Додавання дотантів до GaAs дозволяє отримати широкий спектр кольорів. Деякі матеріали, використовувані в LED, включають:

• Алюміній галій арсенід (AlGaAs) — інфрачервоне.

• Галій арсенід фосфід (GaAsP) — червоний, помаранчевий, жовтий.

• Алюміній галій фосфід (AlGaP) — зелений.

• Індій галій азот (InGaN) — синій, сине-зелений, ближнє УФ.

• Цинк селенід (ZnSe) — синій.

Фізична структура LED

LED структурований так, щоб виділене світло не поглиналося матеріалом. Тому забезпечується, що поєднання електрон-дірка відбувається на поверхні.

На малюнку вище показано два різних способи структурування p-n переходу LED. Шар p-типу робиться тонким і вирощується на підставі n-типу. Металеві електроди, прикріплені з обох боків p-n переходу, служать вузлами для зовнішнього електричного з'єднання. P-n переход світлодіода обгорнуто в прозорий куполоподібний корпус, щоб світло виділялося рівномірно у всіх напрямках з мінімальним внутрішнім відбиттям.

Більша нога LED представляє додатний електрод або анод.

Доступні LED з більше ніж 2 ногами, такі як конфігурації з 3, 4 і 6 штифтів, для отримання декількох кольорів в одному LED пакеті. Доступні поверхнево-монтувані LED-дисплеї, які можна монтувати на плати PCB.

LED зазвичай потребують струму в кілька десятків міліампер і потребують високої опори в серії через більший перепад напруги вперед 1,5 до 3,5 вольт, порівняно з звичайними діодами.

Білі LED або білі LED лампи

LED-лампи, лампи, вуличне освітлення стають дуже популярними в наш час через високу ефективність LED в термінах виводу світла на одиницю вводу енергії (у міліваттах), порівняно з лампами накалу. Для загальних цілей освітлення переважно використовується біле світло. Щоб отримати біле світло за допомогою LED, використовуються два методи:

Змішування трьох основних кольорів RGB для отримання білого світла. Цей метод має високу квантову ефективність.

Інший метод — покриття LED одного кольору фосфором іншого кольору для отримання білого світла. Цей метод комерційно популярний для виробництва LED-ламп і освітлення.

Застосування LED

Електронні дисплеї, такі як OLED, мікро-LED, квантові точки тощо.

• Як індикатор LED.

• У пультах дистанційного управління.

• Освітлення.

• Оптоізолятори.