Het lichtgevende principe van LED

Allede oplaadbare werklamp, draagbare kampeerlampEnmultifunctionele koplampGebruik het type LED-lamp. Om het principe van diode-LED te begrijpen, is het belangrijk om eerst de basiskennis van halfgeleiders te begrijpen. De geleidende eigenschappen van halfgeleidermaterialen bevinden zich tussen geleiders en isolatoren. De unieke kenmerken zijn: wanneer de halfgeleider wordt gestimuleerd door extern licht en warmte, zal zijn geleidend vermogen aanzienlijk veranderen; het toevoegen van kleine hoeveelheden onzuiverheden aan een zuivere halfgeleider verhoogt zijn geleidend vermogen aanzienlijk. Silicium (Si) en germanium (Ge) zijn de meest gebruikte halfgeleiders in de moderne elektronica en hun buitenste elektronen zijn vier. Wanneer silicium- of germaniumatomen een kristal vormen, reageren aangrenzende atomen met elkaar, waardoor de buitenste elektronen door de twee atomen worden gedeeld, wat de covalente bindingsstructuur in het kristal vormt, een moleculaire structuur met weinig beperkend vermogen. Bij kamertemperatuur (300K) zorgt thermische excitatie ervoor dat sommige buitenste elektronen voldoende energie krijgen om zich los te maken van de covalente binding en vrije elektronen te worden; dit proces wordt intrinsieke excitatie genoemd. Nadat het elektron is losgemaakt en een vrij elektron is geworden, ontstaat er een vacature in de covalente binding. Deze vacature wordt een gat genoemd. Het verschijnen van een gat is een belangrijk kenmerk dat een halfgeleider onderscheidt van een geleider.

Wanneer een kleine hoeveelheid vijfwaardige onzuiverheid, zoals fosfor, aan de intrinsieke halfgeleider wordt toegevoegd, zal deze een extra elektron hebben na het vormen van een covalente binding met andere halfgeleideratomen. Dit extra elektron heeft slechts een zeer geringe hoeveelheid energie nodig om de binding te verbreken en een vrij elektron te worden. Dit type onzuiverheidshalfgeleider wordt een elektronische halfgeleider (N-type halfgeleider) genoemd. Het toevoegen van een kleine hoeveelheid driewaardige elementaire onzuiverheden (zoals boor, enz.) aan de intrinsieke halfgeleider, omdat deze slechts drie elektronen in de buitenste laag heeft, na het vormen van een covalente binding met de omringende halfgeleideratomen, zal echter een vacature in het kristal creëren. Dit type onzuiverheidshalfgeleider wordt een gatenhalfgeleider (P-type halfgeleider) genoemd. Wanneer N-type en P-type halfgeleiders worden gecombineerd, is er een verschil in de concentratie van vrije elektronen en gaten in hun verbinding. Zowel elektronen als gaten diffunderen naar de lagere concentratie, waardoor geladen maar onbeweeglijke ionen achterblijven die de oorspronkelijke elektrische neutraliteit van de N-type en P-type gebieden vernietigen. Deze onbeweeglijke geladen deeltjes worden vaak ruimteladingen genoemd en ze concentreren zich nabij het grensvlak van de N- en P-gebieden om een ​​zeer dun gebied van ruimtelading te vormen, de zogenaamde PN-overgang.

Wanneer een voorwaartse voorspanning wordt aangelegd op beide uiteinden van de PN-overgang (positieve spanning aan één kant van het P-type), bewegen de gaten en vrije elektronen om elkaar heen, waardoor een intern elektrisch veld ontstaat. De nieuw geïnjecteerde gaten recombineren vervolgens met de vrije elektronen, waarbij soms overtollige energie vrijkomt in de vorm van fotonen. Dit is het licht dat we door leds zien uitgezonden. Een dergelijk spectrum is relatief smal, en omdat elk materiaal een andere bandgap heeft, zijn de golflengten van de uitgezonden fotonen verschillend. De kleuren van leds worden dus bepaald door de gebruikte basismaterialen.