עקרון האור של LED

כֹּלפנס עבודה נטען, אור קמפינג ניידופנס ראש רב תכליתיהשתמשו בנורת LED מסוג LED. כדי להבין את עקרון הדיודה, ראשית עליכם להבין את הידע הבסיסי על מוליכים למחצה. תכונות המוליכות של חומרי מוליכים למחצה נמצאות בין מוליכים למבודדים. המאפיינים הייחודיים שלו הם: כאשר מוליך למחצה מגורה על ידי תנאי אור וחום חיצוניים, יכולת ההולכה שלו משתנה באופן משמעותי; הוספת כמויות קטנות של זיהומים למוליך למחצה טהור מגדילה משמעותית את יכולתו להוליך חשמל. סיליקון (Si) וגרמניום (Ge) הם מוליכים למחצה הנפוצים ביותר באלקטרוניקה מודרנית, והאלקטרונים החיצוניים שלהם הם ארבעה. כאשר אטומי סיליקון או גרמניום יוצרים גביש, אטומים שכנים מקיימים אינטראקציה זה עם זה, כך שהאלקטרונים החיצוניים הופכים משותפים לשני האטומים, מה שיוצר את מבנה הקשר הקוולנטי בגביש, שהוא מבנה מולקולרי בעל יכולת אילוץ מועטה. בטמפרטורת החדר (300K), עירור תרמי יגרום לחלק מהאלקטרונים החיצוניים לקבל מספיק אנרגיה כדי להתנתק מהקשר הקוולנטי ולהפוך לאלקטרונים חופשיים, תהליך זה נקרא עירור פנימי. לאחר שהאלקטרון משתחרר והופך לאלקטרון חופשי, נשאר חלל ריק בקשר הקוולנטי. חלל ריק זה נקרא חור. מראה החור הוא מאפיין חשוב המבדיל בין מוליך למחצה למוליך.

כאשר מוסיפים כמות קטנה של זיהום חמש-ערכי כמו זרחן למוליך למחצה הפנימי, יהיה לו אלקטרון נוסף לאחר יצירת קשר קוולנטי עם אטומי מוליכים למחצה אחרים. אלקטרון נוסף זה זקוק רק לאנרגיה קטנה מאוד כדי להיפטר מהקשר ולהפוך לאלקטרון חופשי. סוג זה של מוליך למחצה זיהומי נקרא מוליך למחצה אלקטרוני (מוליך למחצה מסוג N). עם זאת, הוספת כמות קטנה של זיהומים אלמנטריים תלת-ערכיים (כגון בורון וכו') למוליך למחצה הפנימי, מכיוון שיש לו רק שלושה אלקטרונים בשכבה החיצונית, לאחר יצירת קשר קוולנטי עם אטומי המוליכים למחצה שמסביב, תיצור חלל ריק בגביש. סוג זה של מוליך למחצה זיהומי נקרא מוליך למחצה חורים (מוליך למחצה מסוג P). כאשר משולבים מוליכים למחצה מסוג N וסוג P, יש הבדל בריכוז האלקטרונים החופשיים והחורים בצומת שלהם. גם האלקטרונים וגם החורים מתפזרים לכיוון הריכוז הנמוך יותר, ומשאירים אחריהם יונים טעונים אך נייחים אשר הורסים את הנייטרליות החשמלית המקורית של האזורים מסוג N וסוג P. חלקיקים טעונים נייחים אלה נקראים לעתים קרובות מטעני חלל, והם מרוכזים ליד הממשק של אזורי N ו-P ויוצרים אזור דק מאוד של מטען חלל, המכונה צומת PN.

כאשר מתח הטיה קדמי מופעל על שני קצוות צומת ה-PN (מתח חיובי לצד אחד של צומת מסוג P), החורים והאלקטרונים החופשיים נעים זה סביב זה, ויוצרים שדה חשמלי פנימי. החורים שהוזרקו זה עתה מתאחדים עם האלקטרונים החופשיים, ולפעמים משחררים אנרגיה עודפת בצורת פוטונים, שהוא האור שאנו רואים הנפלט מנורות LED. ספקטרום כזה הוא צר יחסית, ומכיוון שלכל חומר יש פער אנרגיה שונה, אורכי הגל של הפוטונים הנפלטים שונים, כך שצבעי נורות ה-LED נקבעים על ידי החומרים הבסיסיים שבהם נעשה שימוש.