Принцип світла світлодіодів

УсіАкумуляторний робочий ліхтарик, портативний кемпінговий ліхтарикібагатофункціональний налобний ліхтарВикористовуйте світлодіодну лампу. Щоб зрозуміти принцип дії діодного світлодіода, спочатку потрібно ознайомитися з базовими знаннями про напівпровідники. Провідні властивості напівпровідникових матеріалів знаходяться між провідниками та ізоляторами. Їхні унікальні особливості полягають у наступному: коли напівпровідник стимулюється зовнішнім світлом та теплом, його провідна здатність значно змінюється; додавання невеликої кількості домішок до чистого напівпровідника значно збільшує його здатність проводити електрику. Кремній (Si) та германій (Ge) є найпоширенішими напівпровідниками в сучасній електроніці, а їх зовнішні електрони чотири. Коли атоми кремнію або германію утворюють кристал, сусідні атоми взаємодіють один з одним, так що зовнішні електрони стають спільними для двох атомів, що утворює структуру ковалентного зв'язку в кристалі, яка є молекулярною структурою з малою здатністю до обмеження. За кімнатної температури (300 К) теплове збудження змушує деякі зовнішні електрони отримувати достатньо енергії, щоб відірватися від ковалентного зв'язку та стати вільними електронами, цей процес називається власним збудженням. Після того, як електрон звільняється, щоб стати вільним електроном, у ковалентному зв'язку залишається вакансія. Ця вакансія називається діркою. Поява дірки є важливою ознакою, яка відрізняє напівпровідник від провідника.

Коли до власного напівпровідника додається невелика кількість п'ятивалентної домішки, такої як фосфор, він отримує додатковий електрон після утворення ковалентного зв'язку з іншими атомами напівпровідника. Цьому додатковому електрону потрібна лише дуже мала енергія, щоб позбутися зв'язку та стати вільним електроном. Такий тип домішкового напівпровідника називається електронним напівпровідником (N-тип напівпровідника). Однак, додавання невеликої кількості тривалентних елементарних домішок (таких як бор тощо) до власного напівпровідника, оскільки він має лише три електрони у зовнішньому шарі, після утворення ковалентного зв'язку з навколишніми атомами напівпровідника створює вакансію в кристалі. Такий тип домішкового напівпровідника називається дірковим напівпровідником (P-тип напівпровідника). Коли напівпровідники N- та P-типу поєднуються, існує різниця в концентрації вільних електронів та дірок на їхньому стику. Як електрони, так і дірки дифундують у бік нижчої концентрації, залишаючи заряджені, але нерухомі іони, які руйнують початкову електричну нейтральність областей N-типу та P-типу. Ці нерухомі заряджені частинки часто називають просторовими зарядами, і вони зосереджені поблизу межі розділу областей N та P, утворюючи дуже тонку область просторового заряду, відому як PN-перехід.

Коли до обох кінців PN-переходу прикладається пряма напруга зміщення (позитивна напруга з одного боку P-типу), дірки та вільні електрони рухаються один навколо одного, створюючи внутрішнє електричне поле. Нові ін'єктовані дірки потім рекомбінують з вільними електронами, іноді вивільняючи надлишкову енергію у вигляді фотонів, тобто світло, яке ми бачимо, випромінюване світлодіодами. Такий спектр є відносно вузьким, і оскільки кожен матеріал має різну ширину забороненої зони, довжини хвиль випромінюваних фотонів різні, тому кольори світлодіодів визначаються основними матеріалами, що використовуються.