Warto przeczytać

Diody LED, tak jak wszystkie diody półprzewodnikowe, składają się z połączonych ze sobą półprzewodników typu p i typu n. Nazwy materiałów półprzewodnikowych pochodzą od dominujących w danym typie materiału nośników prądu. W typie n dominującymi nośnikami prądu są elektrony, które są nośnikami ładunku ujemnego - negatywnego, stąd nazwa typ n. W typie p dominującymi nośnikami są dziury, które są nośnikami ładunku dodatniego - pozytywnego, stąd nazwa p.

Teoria pasmowa ciał stałych (o której możesz przeczytać w e‑materiale: Jak zbudowane są metale?) stwierdza, że elektrony walencyjne, które zyskały energię odpowiadającą pasmu przewodnictwapasmo przewodzeniapasmu przewodnictwa, pozostawiają w pasmie walencyjnympasmo walencyjnepasmie walencyjnym wolny stan energetyczny. Umożliwia to zajęcie tego stanu przez inne elektrony o energii z zakresu poziomu walencyjnego. Zjawisko to może być opisane jako ruch dodatnich nośników prądu - czyli dziur (Rys. 1.).

RUw6xqzVezTc4

Rys. 1. Na rysunku, po lewej znajduje się pionowa oś ze strzałką skierowaną do góry, opisana wielką literą E. Na prawo od osi narysowano dwa poziome pasy, rozdzielone przerwą. Dolny pas jest szary, opisano go jako pasmo walencyjne. Górny pas jest czerwony, opisano go jako pasmo przewodnictwa. Między górną krawędzią dolnego pasa i dolną krawędzią górnego pasa narysowano pionowy odcinek zakończony z obu stron strzałkami i opisany jako przerwa energetyczna. W dolnym, szarym pasie znajduje się białe kółeczko symbolizujące dziurę. W górnym, czerwonym pasie znajduje się zielone kółeczko symbolizujące elektron. Między kółeczkami narysowano pionową strzałkę skierowaną do góry, wskazującą kierunek przeskoku elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.

W półprzewodniku samoistnym liczba elektronów i dziur jest jednakowa – każdy elektron walencyjny, który uzyskuje energię z zakresu pasma przewodnictwapasmo przewodzeniapasma przewodnictwa, pozostawia dziurę w pasmie walencyjnympasmo walencyjnepasmie walencyjnym. Liczba elektronów lub dziur zwiększa się, gdy dodajemy odpowiednie domieszki „dostarczające” jeden rodzaj nośników prądu – więcej o domieszkowaniu półprzewodników możesz przeczytać w e‑materiałach: „Półprzewodniki typu n” i „Półprzewodniki typu p”.

Jeśli połączy się półprzewodnik p i n, to w wyniku zjawiska dyfuzji następuje przejście elektronów z półprzewodnika n do p i dziur w przeciwną stronę. Następnie w obszarze złącza dochodzi do połączenia elektronów z dziurami po obu stronach. Powoduje to w ostateczności powstanie przestrzennego rozkładu ładunku na złączu – ze zwiększoną koncentracją ładunku ujemnego po stronie półprzewodnika p i ładunku dodatniego po stronie półprzewodnika n – przeciwnie niż typowe nośniki w danym półprzewodniku. Ten przestrzenny rozkład ładunku osiąga stan nasycenia i tworzy barierę zapobiegając dalszemu przepływowi ładunków (Rys. 2.).

R11ri6pHu76MU

Rys. 2. Na rysunku przedstawiono dwa poziome prostokąty złączone krótszymi bokami. Prawy prostokąt opisano jako półprzewodnik typu n, lewy prostokąt opisano jako półprzewodnik typu p. W prostokątach narysowano wiele małych kółek. Czerwone kółka ze znakiem minus symbolizują ujemne nośniki prądu – elektrony. Niebieskie kółka ze znakiem plus symbolizują dodatnie nośniki prądu – dziury. W lewym prostokącie, czyli półprzewodniku typu p, jest przewaga dziur, w prawym półprzewodniku typu n, przewaga elektronów. W małym obszarze w pobliżu złącza rozkład ładunków jest inny niż w pozostałej części półprzewodników. Po prawej stronie złącza, w półprzewodniku typu n, narysowano wiele niebieskich kulek z plusami, które symbolizują dziury. Po lewej stronie złącza, w półprzewodniku typu p, narysowano wiele czerwonych kulek z minusami, które symbolizują elektrony. Mały obszar w pobliżu złącza opisano jako ładunek przestrzenny.

Jeżeli od strony półprzewodnika n przyłożymy biegun ujemny napięcia, a po stronie p dodatni, to zewnętrzne pole elektryczne spowoduje, że po stronie n elektrony będą poruszać się w kierunku bariery, podobnie jak dziury po stronie p. Po dotarciu do bariery dochodzi do połączenia się elektronów z dziurami – elektrony o energiach z zakresu pasma przewodnictwapasmo przewodzeniapasma przewodnictwa przechodzą w zakres energii pasma walencyjnegopasmo walencyjnepasma walencyjnego, emitując przy tym nadmiar energii w formie promieniowania elektromagnetycznego. Zjawisko to nazywa się rekombinacją promienistą.

Emisję światła przez diodę LED można przedstawić, jak na Rys. 3.

R1EujAiYm8OTl

Rys. 3. Rysunek przedstawia dwa klocki o kształcie prostopadłościanów złączone pionowymi ściankami. Lewy, czerwony klocek, oznaczono wielką literą P. Prawy, niebieski klocek, oznaczono wielką literą N. Zewnętrzne pionowe ścianki klocków połączone są przewodami z biegunami źródła prądu. Prawy klocek symbolizujący półprzewodnik typu n połączony jest z ujemnym biegunem źródła prądu. Lewy klocek symbolizujący półprzewodnik typu p połączony jest z dodatnim biegunem źródła prądu. W lewym półprzewodnika typu p znajdują się białe kółeczka symbolizujące dziury, które gromadzą się szczególnie licznie przy złączu. W prawym półprzewodnika typu n znajdują się granatowe kółeczka symbolizujące elektrony, zgromadzone licznie przy złączu. Pod klockami narysowano poziomą strzałkę skierowaną w lewo opisaną przepływ elektronów. W górnej części rysunku z wąskiego obszaru w pobliżu złącza wychodzą strzałki skierowane w górę i w prawo. Na strzałkach narysowano żółte kółka, symbolizujące fotony emitowane w procesie rekombinacji, czyli połączenia elektronów z dziurami.

Odległość energetyczna miedzy pasmem walencyjnympasmo walencyjnepasmem walencyjnym i pasmem przewodnictwapasmo przewodzeniapasmem przewodnictwa nazywa się energetyczną przerwą wzbronioną i oznacza się ją zazwyczaj symbolem EIndeks dolny g_gIndeks dolny ._. Elektron przechodząc do stanu o niższej energii, nadwyżkę energii może emitować w postaci promieniowania elektromagnetycznego, może też część tej energii przekazywać sieci krystalicznej zwiększając drgania termiczne. Do wykonania diod LED wykorzystuje się półprzewodniki, w których elektrony praktycznie całą nadwyżkę energii emitują w postaci promieniowania elektromagnetycznego.

Elektrony emitują promieniowanie elektromagnetyczne w porcjach nazywanych fotonamifotonfotonami. Energia fotonówfotonfotonów zależy od częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego. Związek między energią fotonu a częstotliwością wyraża wzór Plancka:

gdzie EIndeks dolny f_f to energia fotonufotonfotonu, h – stała Planckastała Planckastała Plancka, f – częstotliwość fotonufotonfotonu.

Przy emisji światła w wyniku rekombinacji promienistej energia fotonufotonfotonu jest w przybliżeniu równa energii przerwy wzbronionej EIndeks dolny g_g.

Barwa obserwowanego przez nas światła zależy bezpośrednio od częstotliwości fotonufotonfotonu. Zatem barwa światła emitowanego przez diodę zależy od wartości energii przerwy wzbronionej EIndeks dolny g_g materiału diody.

Do wykonania diod LED stosuje się inne materiały niż do wykonania diod prostowniczych. Krzem i german mają zbyt niską wartość EIndeks dolny g_g, a ponadto część energii traconej przy przejściu w zakres pasma walencyjnegopasmo walencyjnepasma walencyjnego przekazują sieci krystalicznej.

Przykłady materiałow stosowanych na diody LED i barwę emitowanego przez nie światła zawiera tabela:

Źródło: http://www.if.pwr.wroc.pl/~popko/w4/Lab/1

Schemat konstrukcji diody LED przedstawia Rys.4.

R1C8n1aGMIbkk

Rys. 4. Ilustracja przedstawia pionowy przekrój przez diodę LED, ukazujący jej wewnętrzną budowę. Podstawą urządzenia jest klocek opisany jako pad termiczny. Na klocku leży mała, sześciokątna, płaska płytka opisana jako podłoże chipu. Na płytce leży mniejsza, kwadratowa, płaska płytka opisana jako chip LED. Nad nią znajduje się kulista kopuła opisana jako soczewka. Soczewka wystaje ponad obudowę diody. Podłoże chipu połączone jest przewodem z blaszką wystającą z obudowy, którą opisano jako elektroda.

Elementem emitującym światło jest chip LED – czyli dioda LED, zadaniem padu termicznego jest odprowadzenie wydzielającego się ciepła, a soczewka ma za zadanie odpowiednie skupienie światła emitowanego przez diodę.

Słowniczek