Η δίοδος εκπομπής φωτός είναι μια ειδική δίοδος. Όπως οι συνηθισμένες δίοδοι, οι δίοδοι εκπομπής φωτός αποτελούνται από τσιπ ημιαγωγών. Αυτά τα υλικά ημιαγωγών είναι προεμφυτευμένα ή ντοπαρισμένα για την παραγωγή δομών p και n.
Όπως και άλλες δίοδοι, το ρεύμα στη δίοδο εκπομπής φωτός μπορεί εύκολα να ρέει από τον πόλο p (άνοδος) στον πόλο n (κάθοδος), αλλά όχι προς την αντίθετη κατεύθυνση. Δύο διαφορετικοί φορείς: οπές και ηλεκτρόνια ρέουν από τα ηλεκτρόδια στις δομές p και n υπό διαφορετικές τάσεις ηλεκτροδίων. Όταν οι τρύπες και τα ηλεκτρόνια συναντώνται και ανασυνδυάζονται, τα ηλεκτρόνια πέφτουν σε χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας και απελευθερώνουν ενέργεια με τη μορφή φωτονίων (τα φωτόνια είναι αυτό που συχνά ονομάζουμε φως).
Το μήκος κύματος (χρώμα) του φωτός που εκπέμπει καθορίζεται από την ενέργεια διάκενου ζώνης των υλικών ημιαγωγών που αποτελούν τις δομές p και n.
Δεδομένου ότι το πυρίτιο και το γερμάνιο είναι υλικά έμμεσης ζώνης, σε θερμοκρασία δωματίου, ο ανασυνδυασμός ηλεκτρονίων και οπών σε αυτά τα υλικά είναι μια μετάβαση χωρίς ακτινοβολία. Τέτοιες μεταβάσεις δεν απελευθερώνουν φωτόνια, αλλά μετατρέπουν την ενέργεια σε θερμική ενέργεια. Επομένως, οι δίοδοι πυριτίου και γερμανίου δεν μπορούν να εκπέμψουν φως (θα εκπέμπουν φως σε πολύ χαμηλές συγκεκριμένες θερμοκρασίες, οι οποίες πρέπει να ανιχνεύονται σε ειδική γωνία και η φωτεινότητα του φωτός δεν είναι εμφανής).
Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στις δίοδοι εκπομπής φωτός είναι όλα υλικά άμεσης ζώνης, επομένως η ενέργεια απελευθερώνεται με τη μορφή φωτονίων. Αυτές οι απαγορευμένες ενέργειες ζωνών αντιστοιχούν στην ενέργεια φωτός στις εγγύς υπέρυθρες, ορατές ή σχεδόν υπεριώδεις ζώνες.
Αυτό το μοντέλο προσομοιώνει ένα LED που εκπέμπει φως στο υπέρυθρο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.
Στα αρχικά στάδια ανάπτυξης, οι δίοδοι εκπομπής φωτός που χρησιμοποιούν αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs) μπορούσαν να εκπέμπουν μόνο υπέρυθρο ή κόκκινο φως. Με την πρόοδο της επιστήμης των υλικών, οι διόδους εκπομπής φωτός που αναπτύχθηκαν πρόσφατα μπορούν να εκπέμπουν κύματα φωτός με υψηλότερες και υψηλότερες συχνότητες. Σήμερα, μπορούν να κατασκευαστούν δίοδοι εκπομπής φωτός διαφόρων χρωμάτων.
Οι δίοδοι συνήθως κατασκευάζονται σε ένα υπόστρωμα τύπου Ν, με ένα στρώμα ημιαγωγού τύπου P που εναποτίθεται στην επιφάνειά του και συνδέεται μαζί με ηλεκτρόδια. Τα υποστρώματα τύπου P είναι λιγότερο κοινά, αλλά χρησιμοποιούνται επίσης. Πολλές εμπορικές δίοδοι εκπομπής φωτός, ειδικά GaN/InGaN, χρησιμοποιούν επίσης υποστρώματα από ζαφείρι.
Τα περισσότερα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή LED έχουν πολύ υψηλούς δείκτες διάθλασης. Αυτό σημαίνει ότι τα περισσότερα από τα κύματα φωτός αντανακλώνται πίσω στο υλικό στη διεπαφή με τον αέρα. Ως εκ τούτου, η εξαγωγή κυμάτων φωτός είναι ένα σημαντικό θέμα για τα LED, και πολλή έρευνα και ανάπτυξη επικεντρώνεται σε αυτό το θέμα.
Η κύρια διαφορά μεταξύ των LED (διόδους εκπομπής φωτός) και των συνηθισμένων διόδων είναι τα υλικά και η δομή τους, γεγονός που οδηγεί σε σημαντικές διαφορές στην απόδοσή τους στη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε φωτεινή ενέργεια. Ακολουθούν ορισμένα βασικά σημεία που εξηγούν γιατί τα LED μπορούν να εκπέμπουν φως και οι συνηθισμένες δίοδοι όχι:
Διαφορετικά υλικά:Τα LED χρησιμοποιούν υλικά ημιαγωγών III-V όπως το αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs), το φωσφίδιο του γαλλίου (GaP), το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) κ.λπ. Αυτά τα υλικά έχουν άμεσο διάκενο ζώνης, επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να πηδούν απευθείας και να απελευθερώνουν φωτόνια (φως). Οι συνηθισμένες δίοδοι χρησιμοποιούν συνήθως πυρίτιο ή γερμάνιο, τα οποία έχουν ένα έμμεσο διάκενο ζώνης και το άλμα ηλεκτρονίων εμφανίζεται κυρίως με τη μορφή απελευθέρωσης θερμικής ενέργειας και όχι φωτός.
Διαφορετική δομή:Η δομή των LED έχει σχεδιαστεί για τη βελτιστοποίηση της παραγωγής και εκπομπής φωτός. Τα LED συνήθως προσθέτουν συγκεκριμένα προσμίξεις και δομές στιβάδων στη διασταύρωση pn για να προωθήσουν τη δημιουργία και την απελευθέρωση φωτονίων. Οι συνηθισμένες δίοδοι έχουν σχεδιαστεί για να βελτιστοποιούν τη λειτουργία διόρθωσης του ρεύματος και δεν εστιάζουν στην παραγωγή φωτός.
Ενεργειακό χάσμα:Το υλικό του LED έχει μεγάλη ενέργεια διάκενου ζώνης, που σημαίνει ότι η ενέργεια που απελευθερώνεται από τα ηλεκτρόνια κατά τη μετάβαση είναι αρκετά υψηλή ώστε να εμφανίζεται με τη μορφή φωτός. Η ενέργεια διάκενου υλικού των συνηθισμένων διόδων είναι μικρή και τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται κυρίως με τη μορφή θερμότητας κατά τη μετάβαση.
Μηχανισμός φωταύγειας:Όταν η διασταύρωση pn του LED είναι υπό πόλωση προς τα εμπρός, τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από την περιοχή n στην περιοχή p, ανασυνδυάζονται με οπές και απελευθερώνουν ενέργεια με τη μορφή φωτονίων για να δημιουργήσουν φως. Στις συνηθισμένες διόδους, ο ανασυνδυασμός ηλεκτρονίων και οπών γίνεται κυρίως με τη μορφή ανασυνδυασμού μη ακτινοβολίας, δηλαδή η ενέργεια απελευθερώνεται με τη μορφή θερμότητας.
Αυτές οι διαφορές επιτρέπουν στα LED να εκπέμπουν φως όταν εργάζονται, ενώ οι συνηθισμένες δίοδοι δεν μπορούν.
Αυτό το άρθρο προέρχεται από το Διαδίκτυο και τα πνευματικά δικαιώματα ανήκουν στον αρχικό συγγραφέα
Ώρα δημοσίευσης: Αύγ-01-2024