Svetlobni princip LED diod

Vsepolnilna delovna svetilka, prenosna kampirna svetilkainvečnamenski naglavni žarometUporabite vrsto LED žarnice. Da bi razumeli načelo LED diode, morate najprej razumeti osnovno znanje o polprevodnikih. Prevodne lastnosti polprevodniških materialov so med prevodniki in izolatorji. Njihove edinstvene lastnosti so: ko polprevodnik stimuliramo z zunanjo svetlobo in toploto, se njegova prevodna sposobnost znatno spremeni; dodajanje majhnih količin nečistoč čistemu polprevodniku znatno poveča njegovo sposobnost prevajanja električne energije. Silicij (Si) in germanij (Ge) sta najpogosteje uporabljena polprevodnika v sodobni elektroniki, njuna zunanja elektrona pa sta štiri. Ko atomi silicija ali germanija tvorijo kristal, sosednji atomi medsebojno delujejo, tako da si oba atoma delita zunanje elektrone, kar tvori kovalentno vez v kristalu, molekularno strukturo z majhno sposobnostjo omejevanja. Pri sobni temperaturi (300 K) bo toplotno vzbujanje povzročilo, da bodo nekateri zunanji elektroni dobili dovolj energije, da se odcepijo od kovalentne vezi in postanejo prosti elektroni, ta proces se imenuje intrinzično vzbujanje. Ko se elektron odveže in postane prosti elektron, v kovalentni vezi ostane prosto mesto. To prosto mesto se imenuje luknja. Videz luknje je pomembna značilnost, ki loči polprevodnik od prevodnika.

Ko se intrinzičnemu polprevodniku doda majhna količina petvalentne nečistoče, kot je fosfor, bo po tvorbi kovalentne vezi z drugimi polprevodniškimi atomi imel dodaten elektron. Ta dodaten elektron potrebuje le zelo majhno energijo, da se znebi vezi in postane prosti elektron. Ta vrsta nečistočnega polprevodnika se imenuje elektronski polprevodnik (polprevodnik tipa N). Če pa se intrinzičnemu polprevodniku doda majhna količina trivalentnih elementarnih nečistoč (kot je bor itd.), ker ima v zunanji plasti le tri elektrone, po tvorbi kovalentne vezi z okoliškimi polprevodniškimi atomi ustvari prosto mesto v kristalu. Ta vrsta nečistočnega polprevodnika se imenuje luknjasti polprevodnik (polprevodnik tipa P). Ko se polprevodnika tipa N in tipa P združita, se na njunem stičišču pojavi razlika v koncentraciji prostih elektronov in vrzeli. Tako elektroni kot vrzeli difundirajo proti nižji koncentraciji, za seboj pa puščajo nabite, a nepremične ione, ki uničijo prvotno električno nevtralnost območij tipa N in tipa P. Te nepremične nabite delce pogosto imenujemo prostorski naboji in so koncentrirani blizu vmesnika območij N in P, da tvorijo zelo tanko območje prostorskega naboja, ki je znano kot PN-stičišče.

Ko se na oba konca PN-stičišča priključi napetost v smeri gibanja (pozitivna napetost na eni strani spoja P), se luknje in prosti elektroni premikajo drug okoli drugega in ustvarjajo notranje električno polje. Novo vbrizgane luknje se nato ponovno združijo s prostimi elektroni, včasih pa sprostijo presežno energijo v obliki fotonov, ki so svetloba, ki jo oddajajo LED diode. Tak spekter je relativno ozek in ker ima vsak material drugačno pasovno vrzel, so valovne dolžine oddanih fotonov različne, zato barve LED diod določajo osnovni uporabljeni materiali.