העיקרון הזוהר של LED

כֹּלמנורת העבודה הנטענת, אור קמפינג ניידופנס ראש רב תכליתיהשתמש בסוג נורת LED. כדי להבין את העיקרון של דיודה led, ראשית להבין את הידע הבסיסי של מוליכים למחצה. תכונות המוליכות של חומרים מוליכים למחצה הן בין מוליכים למבודדים. תכונותיו הייחודיות הן: כאשר המוליך למחצה מגורה מתנאי אור וחום חיצוניים, יכולת ההולכה שלו תשתנה באופן משמעותי; הוספת כמויות קטנות של זיהומים למוליך למחצה טהור מגדילה משמעותית את יכולתו להוליך חשמל. סיליקון (Si) וגרמניום (Ge) הם המוליכים למחצה הנפוצים ביותר באלקטרוניקה המודרנית, 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 עם יכולת אילוץ מועטה. בטמפרטורת החדר (300K), עירור תרמי יגרום לכמה אלקטרונים חיצוניים לקבל מספיק אנרגיה כדי להתנתק מהקשר הקוולנטי ולהפוך לאלקטרונים חופשיים, תהליך זה נקרא עירור פנימי. לאחר שהאלקטרון אינו קשור כדי להפוך לאלקטרון חופשי, נותר מקום פנוי בקשר הקוולנטי. מקום פנוי זה נקרא חור. הופעת חור היא תכונה חשובה המבדילה בין מוליך למחצה לבין מוליך.

כאשר כמות קטנה של טומאה מחומשת כמו זרחן מתווספת למוליך למחצה הפנימי, יהיה לו אלקטרון נוסף לאחר יצירת קשר קוולנטי עם אטומים מוליכים למחצה אחרים. האלקטרון הנוסף הזה צריך רק אנרגיה קטנה מאוד כדי להיפטר מהקשר ולהפוך לאלקטרון חופשי. סוג זה של מוליכים למחצה טומאה 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, זה ייצור מקום פנוי בגביש. סוג זה של מוליכים למחצה טומאה נקרא מוליך למחצה חור (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 מאחוריהם יונים טעונים אך לא נעים שהורסים את הנייטרליות החשמלית המקורית של האזורים מסוג N וסוג P. חלקיקים טעונים בלתי ניידים אלה נקראים לעתים קרובות מטענים בחלל, והם מרוכזים ליד הממשק של אזורי N ו-P ליצירת אזור דק מאוד של מטען חלל, המכונה צומת PN.

כאשר מתח הטיה קדימה מופעל על שני הקצוות של צומת PN (מתח חיובי לצד אחד של סוג P), החורים והאלקטרונים החופשיים נעים זה סביב זה, ויוצרים שדה חשמלי פנימי. החורים החדשים שהוזרקו לאחר מכן מתחברים מחדש עם האלקטרונים החופשיים, ולפעמים משחררים אנרגיה עודפת בצורה של פוטונים, שהוא האור שאנו רואים שנפלט על ידי לדים. ספקטרום כזה הוא צר יחסית, ומכיוון שלכל חומר יש פער פס שונה, אורכי הגל של הפוטונים הנפלטים שונים, ולכן צבעי הלדים נקבעים לפי החומרים הבסיסיים שבהם נעשה שימוש.