Что такое светоизлучающий диод: работа и его применение

В сфере современных технологий наш мир осветила небольшая, но замечательная инновация — светоизлучающий диод (LED). Этот крошечный полупроводниковый источник света, рожденный творческим гением Ник Холоньяк Еще в 1962 году произошла революция в освещении и дисплеях. Давайте отправимся в путешествие, чтобы разгадать чарующую работу светодиодов и изучить их разнообразные применения.

 

Что такое светоизлучающий диод?

 

Светодиод, известный как светодиод, по сути представляет собой диод с pn-переходом со специальной легирующей присадкой, изготовленный из уникальных полупроводниковых материалов. В прямосмещенном состоянии он излучает свет, что отличает его от светоизлучающего диода.

 

Символ светодиода

 

Символ светодиода напоминает стандартный символ диода с некоторыми уникальными модификациями. Отличительной особенностью является добавление двух маленьких стрелок, направленных в сторону от перехода диода, что указывает на излучение света. Эта модификация означает способность светодиода излучать свет при прямом смещении, что является фундаментальным аспектом, который отличает его от обычных диодов. Помимо измененного символа,

 

Символ светодиода также включает метки двух его клемм: анода (+) и катода (-). Эти метки помогают инженерам и техническим специалистам правильно определить ориентацию светодиода при его включении в схемы.

 

 

Конструкция светодиода

 

Слой подложки: Основой светодиода является подложка, обычно изготовленная из таких материалов, как сапфир или карбид кремния. Этот слой обеспечивает механическую поддержку и управление температурой, обеспечивая стабильность светодиода и эффективное рассеивание тепла.

 

Слой N-типа: Поверх подложки наносится тонкий слой полупроводникового материала N-типа. Этот слой богат свободными электронами, которые действуют как носители заряда. Для этой цели обычно используются такие материалы, как нитрид галлия (GaN).

 

Активный слой: Над слоем N-типа находится активный слой, который играет решающую роль в излучении света светодиода. Этот слой часто состоит из нескольких квантовых ям, чрезвычайно тонких слоев, которые способствуют рекомбинации электронов и дырок (положительно заряженные промежутки, остающиеся при движении электронов) – процесс, который генерирует фотоны света.

 

Слой P-типа:За активным слоем следует слой P-типа, образованный из полупроводниковых материалов с избытком «дырок» — положительно заряженных вакансий, куда могут перемещаться электроны. Этот слой облегчает миграцию дырок, что способствует процессу рекомбинации.

 

Слои контактов: К областям N-типа и P-типа добавляются металлические контактные слои, служащие клеммами, через которые в светодиод подается электрический ток. Эти слои обеспечивают контролируемый поток носителей заряда, создавая основу для излучения света.

 

Инкапсуляция: Чтобы защитить деликатные слои от факторов окружающей среды и улучшить светоотдачу, светодиод часто инкапсулируют в прозрачную эпоксидную смолу или прозрачный материал.

 

Как работает светоизлучающий диод?

 

Когда напряжение подается на клеммы светодиода – при этом анод подключен к области P-типа, а катод – к области N-типа – устанавливается прямое смещение. Это смещение обеспечивает поток электронов из области N-типа и дырок из области P-типа в активный слой, создавая зону рекомбинации. Когда электроны и дырки рекомбинируют в этой области, энергия высвобождается в виде фотонов, производящих видимый свет. 

 

Принцип работы светодиода

Сущность работы светодиода (LED) основана на принципах квантовой теории. Согласно этой теории, когда электрон переходит из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией, он излучает энергию в виде фотона. Энергия этого фотона точно соответствует энергетическому зазору, существующему между этими двумя энергетическими уровнями. В сценариях, где диод с PN-переходом смещен в прямом направлении, что обеспечивает предпочтительное направление протекания тока, через диод проходит электрический ток.

 

Основной полупроводниковый ток

 

Ток в полупроводниках неразрывно связан с движением носителей заряда, в частности электронов и дырок. Эти сущности движутся в противоположных направлениях относительно текущего потока. Следовательно, в результате взаимодействия этих носителей заряда возникает явление, называемое рекомбинацией.

 

Этот процесс рекомбинации означает переход электронов из зоны проводимости в валентную зону. Во время этого перехода, когда электроны переходят из одной зоны в другую, они излучают электромагнитную энергию в виде фотонов. Энергетический уровень этих фотонов совпадает с запрещенной энергетической щелью, присущей материалу.

 

Квантовый взгляд

 

Для иллюстративных целей давайте углубимся в область квантовой теории. Энергия, переносимая фотоном, является функцией постоянной Планка (h) и частоты (f) электромагнитного излучения. Математически эта связь выражается как:

 

Уравнение: E = hf

 

Здесь h представляет собой постоянную Планка, а c символизирует скорость электромагнитного излучения, равную скорости света. Частота излучения (f) и скорость света (с) связаны уравнением f = c/λ, где λ обозначает длину волны электромагнитного излучения. Подстановка этих отношений в уравнение приводит к следующему:

 

Уравнение: E = hc / λ

 

Это уравнение подчеркивает обратную пропорциональность между длиной волны электромагнитного излучения и запрещенной энергетической щелью. Это явление особенно выражено в таких материалах, как кремниевые и германиевые полупроводники, где запрещенная зона между зоной проводимости и валентной зоной порождает излучение преимущественно в виде инфракрасных волн. Примечательно, что длины волн инфракрасного излучения лежат за пределами видимого спектра и поэтому остаются невидимыми для человеческого восприятия.

 

Заключение

 

Итак, в этой статье представлен обзор светодиода Принцип работы и применение схемы. Надеюсь, прочитав эту статью, вы получили некоторую базовую и рабочую информацию о светодиодах. Если вы хотите приобрести какой-либо светодиодный светильник, можете дать возможность Инфралюмин<р>.<р>