Light-emitting diodi on erityinen diodi. Kuten tavalliset diodit, valodiodit koostuvat puolijohdesiruista. Nämä puolijohdemateriaalit on esiistutettu tai seostettu p- ja n-rakenteiden tuottamiseksi.
Kuten muutkin diodit, valodiodin virta voi helposti virrata p-napasta (anodista) n-napaan (katodi), mutta ei vastakkaiseen suuntaan. Kaksi erilaista kantajaa: aukot ja elektronit virtaavat elektrodeilta p- ja n-rakenteisiin eri elektrodijännitteillä. Kun aukot ja elektronit kohtaavat ja yhdistyvät uudelleen, elektronit putoavat alemmalle energiatasolle ja vapauttavat energiaa fotonien muodossa (fotoneja kutsutaan usein valoksi).
Sen lähettämän valon aallonpituus (väri) määräytyy p- ja n-rakenteet muodostavien puolijohdemateriaalien bandgap-energian mukaan.
Koska pii ja germanium ovat epäsuoria bandgap-materiaaleja, huoneenlämmössä elektronien ja reikien rekombinaatio näissä materiaaleissa on säteilytön siirtymä. Tällaiset siirtymät eivät vapauta fotoneja, vaan muuttavat energian lämpöenergiaksi. Siksi pii- ja germaniumdiodit eivät voi lähettää valoa (ne lähettävät valoa erittäin alhaisissa erityislämpötiloissa, jotka on havaittava erityisessä kulmassa, eikä valon kirkkaus ole ilmeinen).
Valodiodeissa käytetyt materiaalit ovat kaikki suoria bandgap-materiaaleja, joten energia vapautuu fotonien muodossa. Nämä kielletyt kaistanenergiat vastaavat valoenergiaa lähi-infrapuna-, näkyvä- tai lähes ultraviolettikaistalla.
Tämä malli simuloi LEDiä, joka lähettää valoa sähkömagneettisen spektrin infrapunaosassa.
Kehityksen alkuvaiheessa galliumarsenidia (GaAs) käyttävät valodiodit saattoivat lähettää vain infrapuna- tai punaista valoa. Materiaalitieteen edistymisen myötä äskettäin kehitetyt valodiodit voivat lähettää valoaaltoja korkeammilla taajuuksilla. Nykyään voidaan valmistaa erivärisiä valodiodeja.
Diodit rakennetaan yleensä N-tyypin substraatille, jonka pinnalle on kerrostettu P-tyypin puolijohdekerros ja yhdistetty elektrodeilla. P-tyypin substraatit ovat vähemmän yleisiä, mutta niitä käytetään myös. Monet kaupalliset valodiodit, erityisesti GaN/InGaN, käyttävät myös safiirialustoja.
Useimmilla LEDien valmistukseen käytetyillä materiaaleilla on erittäin korkeat taitekertoimet. Tämä tarkoittaa, että suurin osa valoaalloista heijastuu takaisin materiaaliin ilman rajapinnassa. Siksi valoaaltojen erottaminen on tärkeä aihe LEDeille, ja tähän aiheeseen kohdistuu paljon tutkimusta ja kehitystä.
Suurin ero LEDien (light emitting diodes) ja tavallisten diodien välillä on niiden materiaalit ja rakenne, mikä johtaa merkittäviin eroihin niiden tehokkuudessa sähköenergian muuntamisessa valoenergiaksi. Tässä on joitain avainkohtia selittääksesi, miksi LEDit voivat lähettää valoa ja tavalliset diodit eivät:
Eri materiaalit:LEDit käyttävät III-V-puolijohdemateriaaleja, kuten galliumarsenidia (GaAs), galliumfosfidia (GaP), galliumnitridiä (GaN) jne. Näillä materiaaleilla on suora bandrap, jolloin elektronit voivat hypätä suoraan ja vapauttaa fotoneja (valoa). Tavallisissa diodeissa käytetään yleensä piitä tai germaniumia, joilla on epäsuora kaistaväli, ja elektronihyppy tapahtuu pääasiassa lämpöenergian vapautumisena valon sijaan.
Erilainen rakenne:LEDien rakenne on suunniteltu optimoimaan valontuotto ja emissio. LEDit lisäävät yleensä erityisiä lisäaineita ja kerrosrakenteita pn-liitokseen edistääkseen fotonien muodostumista ja vapautumista. Tavalliset diodit on suunniteltu optimoimaan virran tasasuuntaustoiminto eivätkä keskity valon tuottamiseen.
Energiakaistaväli:LEDin materiaalilla on suuri bandgap-energia, mikä tarkoittaa, että elektronien siirtymän aikana vapauttama energia on riittävän korkea ilmaantumaan valon muodossa. Tavallisten diodien materiaalikaistan energia on pieni, ja elektronit vapautuvat pääasiassa lämmön muodossa siirtyessään.
Luminesenssimekanismi:Kun LEDin pn-liitos on myötäsuuntaisen esijännityksen alaisena, elektronit siirtyvät n-alueelta p-alueelle, yhdistyvät uudelleen reikien kanssa ja vapauttavat energiaa fotonien muodossa valon tuottamiseksi. Tavallisissa diodeissa elektronien ja reikien rekombinaatio tapahtuu pääasiassa ei-säteilyllisenä rekombinaationa, eli energiaa vapautuu lämmön muodossa.
Näiden erojen ansiosta LEDit lähettävät valoa työskennellessään, kun taas tavalliset diodit eivät.
Tämä artikkeli on peräisin Internetistä ja tekijänoikeudet kuuluvat alkuperäiselle kirjoittajalle
Postitusaika: 01.08.2024