Het lichtgevende principe van LED's

AlleDe oplaadbare werklamp, draagbare campinglampEnmultifunctionele koplampGebruik een LED-lamp. Om het principe van een diode-LED te begrijpen, is het eerst nodig om basiskennis van halfgeleiders te hebben. De geleidende eigenschappen van halfgeleidermaterialen liggen tussen die van geleiders en isolatoren in. Unieke eigenschappen zijn: wanneer een halfgeleider wordt blootgesteld aan extern licht en warmte, verandert het geleidingsvermogen aanzienlijk; het toevoegen van kleine hoeveelheden onzuiverheden aan een zuivere halfgeleider verhoogt het vermogen om elektriciteit te geleiden aanzienlijk. Silicium (Si) en germanium (Ge) zijn de meest gebruikte halfgeleiders in de moderne elektronica en hebben vier buitenste elektronen. Wanneer silicium- of germaniumatomen een kristal vormen, reageren naburige atomen met elkaar, waardoor de buitenste elektronen worden gedeeld door twee atomen. Dit vormt een covalente binding in het kristal, een moleculaire structuur met weinig beperkingen. Bij kamertemperatuur (300 K) zorgt thermische excitatie ervoor dat sommige buitenste elektronen voldoende energie krijgen om los te komen van de covalente binding en vrije elektronen te worden. Dit proces wordt intrinsieke excitatie genoemd. Nadat een elektron loskomt en een vrij elektron wordt, ontstaat er een lege plek in de covalente binding. Deze lege plek wordt een gat genoemd. De aanwezigheid van een gat is een belangrijk kenmerk dat een halfgeleider onderscheidt van een geleider.

Wanneer een kleine hoeveelheid vijfwaardige onzuiverheden, zoals fosfor, aan een intrinsieke halfgeleider wordt toegevoegd, ontstaat er een extra elektron na het vormen van een covalente binding met andere halfgeleideratomen. Dit extra elektron heeft slechts een zeer kleine hoeveelheid energie nodig om de binding te verbreken en een vrij elektron te worden. Dit type onzuivere halfgeleider wordt een elektronenhalfgeleider (N-type halfgeleider) genoemd. Wanneer echter een kleine hoeveelheid driewaardige elementaire onzuiverheden (zoals boor, enz.) aan de intrinsieke halfgeleider wordt toegevoegd, ontstaat er, omdat deze slechts drie elektronen in de buitenste laag heeft, na het vormen van een covalente binding met de omringende halfgeleideratomen een lege plek in het kristal. Dit type onzuivere halfgeleider wordt een gatenhalfgeleider (P-type halfgeleider) genoemd. Wanneer N-type en P-type halfgeleiders worden gecombineerd, ontstaat er een verschil in de concentratie van vrije elektronen en gaten op hun grensvlak. Zowel elektronen als gaten diffunderen naar de lagere concentratie, waarbij geladen maar onbeweeglijke ionen achterblijven die de oorspronkelijke elektrische neutraliteit van de N-type en P-type gebieden verstoren. Deze onbeweeglijke geladen deeltjes worden vaak ruimteladingen genoemd en ze concentreren zich nabij het grensvlak van de N- en P-gebieden om een ​​zeer dunne laag ruimtelading te vormen, die bekend staat als de PN-overgang.

Wanneer een voorwaartse spanning wordt aangelegd aan beide uiteinden van de PN-junctie (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 zien dat door leds wordt uitgezonden. Een dergelijk spectrum is relatief smal en aangezien 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.