اصل درخشندگی LED

همهچراغ کار قابل شارژ، چراغ کمپینگ قابل حملوچراغ پیشانی چند منظورهاز نوع لامپ LED استفاده کنید. برای درک اصل دیود LED، ابتدا باید دانش اولیه نیمه‌هادی‌ها را درک کنید. خواص رسانایی مواد نیمه‌هادی بین رساناها و عایق‌ها است. ویژگی‌های منحصر به فرد آن عبارتند از: وقتی نیمه‌هادی توسط شرایط نور و گرمای خارجی تحریک می‌شود، قابلیت رسانایی آن به طور قابل توجهی تغییر می‌کند. افزودن مقادیر کمی ناخالصی به یک نیمه‌هادی خالص، توانایی آن را در هدایت الکتریسیته به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. سیلیکون (Si) و ژرمانیوم (Ge) رایج‌ترین نیمه‌هادی‌های مورد استفاده در الکترونیک مدرن هستند و الکترون‌های بیرونی آنها چهار است. هنگامی که اتم‌های سیلیکون یا ژرمانیوم یک کریستال تشکیل می‌دهند، اتم‌های همسایه با یکدیگر تعامل می‌کنند، به طوری که الکترون‌های بیرونی توسط دو اتم به اشتراک گذاشته می‌شوند، که ساختار پیوند کووالانسی را در کریستال تشکیل می‌دهد، که یک ساختار مولکولی با قابلیت محدودیت کم است. در دمای اتاق (300 کلوین)، تحریک حرارتی باعث می‌شود برخی از الکترون‌های بیرونی انرژی کافی برای جدا شدن از پیوند کووالانسی و تبدیل شدن به الکترون‌های آزاد را دریافت کنند، این فرآیند تحریک ذاتی نامیده می‌شود. پس از اینکه الکترون برای تبدیل شدن به یک الکترون آزاد آزاد شد، یک جای خالی در پیوند کووالانسی باقی می‌ماند. این جای خالی حفره نامیده می‌شود. ظاهر حفره، ویژگی مهمی است که نیمه‌رسانا را از رسانا متمایز می‌کند.

وقتی مقدار کمی ناخالصی پنج ظرفیتی مانند فسفر به نیمه‌رسانای ذاتی اضافه می‌شود، پس از تشکیل پیوند کووالانسی با سایر اتم‌های نیمه‌رسانا، یک الکترون اضافی خواهد داشت. این الکترون اضافی فقط به انرژی بسیار کمی برای رهایی از پیوند و تبدیل شدن به یک الکترون آزاد نیاز دارد. این نوع نیمه‌رسانای ناخالصی، نیمه‌رسانای الکترونیکی (نیمه‌رسانای نوع N) نامیده می‌شود. با این حال، افزودن مقدار کمی ناخالصی عنصری سه ظرفیتی (مانند بور و غیره) به نیمه‌رسانای ذاتی، به دلیل اینکه تنها سه الکترون در لایه بیرونی دارد، پس از تشکیل پیوند کووالانسی با اتم‌های نیمه‌رسانای اطراف، یک جای خالی در کریستال ایجاد می‌کند. این نوع نیمه‌رسانای ناخالصی، نیمه‌رسانای حفره‌دار (نیمه‌رسانای نوع P) نامیده می‌شود. هنگامی که نیمه‌رسانای‌های نوع N و نوع P با هم ترکیب می‌شوند، در غلظت الکترون‌های آزاد و حفره‌ها در محل اتصال آنها اختلاف وجود دارد. هم الکترون‌ها و هم حفره‌ها به سمت غلظت پایین‌تر پخش می‌شوند و یون‌های باردار اما بی‌حرکتی را به جا می‌گذارند که خنثی بودن الکتریکی اولیه نواحی نوع N و نوع P را از بین می‌برند. این ذرات باردار بی‌حرکت اغلب بارهای فضایی نامیده می‌شوند و در نزدیکی مرز نواحی N و P متمرکز می‌شوند تا یک ناحیه بسیار نازک از بار فضایی را تشکیل دهند که به عنوان پیوند PN شناخته می‌شود.

وقتی ولتاژ بایاس مستقیم به هر دو انتهای پیوند PN (ولتاژ مثبت به یک طرف نوع P) اعمال می‌شود، حفره‌ها و الکترون‌های آزاد به دور یکدیگر حرکت می‌کنند و یک میدان الکتریکی داخلی ایجاد می‌کنند. سپس حفره‌های تازه تزریق شده با الکترون‌های آزاد دوباره ترکیب می‌شوند و گاهی اوقات انرژی اضافی را به شکل فوتون آزاد می‌کنند، که همان نوری است که ما از LEDها ساطع می‌کنیم. چنین طیفی نسبتاً باریک است و از آنجایی که هر ماده شکاف باند متفاوتی دارد، طول موج فوتون‌های ساطع شده متفاوت است، بنابراین رنگ LEDها توسط مواد اولیه مورد استفاده تعیین می‌شود.