LED چگونه نور ساطع می‌کند؟

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: هنگامی که یک ولتاژ خارجی به الکترون‌های ظرفیت اعمال می‌شود، انرژی کافی به دست می‌آورند و پیوند با اتم مادر را می‌شکنند. الکترون‌های ظرفیتی که پیوند با اتم مادر را قطع می‌کنند، الکترون‌های آزاد نامیده می‌شوند.

هنگامی که الکترون ظرفیت از اتم مادر خارج شد، فضای خالی در لایه ظرفیتی که الکترون ظرفیت در آن باقی می‌ماند، باقی می‌ماند. به این فضای خالی در پوسته ظرفیت، سوراخ می‌گویند.

سطح انرژی تمام الکترون‌های ظرفیت تقریباً یکسان است. گروه بندی محدوده سطوح انرژی تمام الکترون‌های ظرفیت را باند ظرفیت می‌گویند.

به روشی مشابه، سطح انرژی تمام الکترون‌های آزاد تقریباً یکسان است. گروه بندی محدوده تراز‌های انرژی تمام الکترون‌های آزاد را نوار رسانایی می‌نامند.

سطح انرژی الکترون‌های آزاد در نوار رسانایی در مقایسه با سطح انرژی الکترون‌های ظرفیت یا حفره‌های باند ظرفیت بالا است. بنابراین، الکترون‌های آزاد در باند رسانایی برای ترکیب مجدد با حفره‌های نوار ظرفیت نیاز به از دست دادن انرژی دارند.

الکترون‌های آزاد در نوار رسانایی برای مدت طولانی باقی نمی‌مانند. پس از مدت کوتاهی، الکترون‌های آزاد انرژی خود را به شکل نور از دست می‌دهند و با حفره‌های نوار ظرفیت دوباره ترکیب می‌شوند. هر نوترکیبی از حامل بار مقداری انرژی نور ساطع می‌کند.

اتلاف انرژی الکترون‌های آزاد یا شدت نور ساطع شده به شکاف ممنوع یا شکاف انرژی بین نوار رسانایی و باند ظرفیت بستگی دارد.

دستگاه نیمه هادی با شکاف ممنوعه بزرگ نور با شدت بالا ساطع می‌کند در حالی که دستگاه نیمه هادی با شکاف ممنوعه کوچک نور کم شدت ساطع می‌کند.

به عبارت دیگر، روشنایی نور ساطع شده به مواد مورد استفاده برای ساخت LED و جریان مستقیم از طریق LED بستگی دارد.

در دیود‌های سیلیکونی معمولی، شکاف انرژی بین نوار رسانایی و باند ظرفیت کمتر است. از این رو، الکترون‌ها فقط در فاصله کوتاهی سقوط می‌کنند. در نتیجه فوتون‌های کم انرژی آزاد می‌شوند. این فوتون‌های کم انرژی فرکانس پایینی دارند که برای چشم انسان نامرئی است.

در LED ها، شکاف انرژی بین باند هدایت و باند ظرفیت بسیار بزرگ است، بنابراین الکترون‌های آزاد در LED‌ها انرژی بیشتری نسبت به الکترون‌های آزاد در دیود‌های سیلیکونی دارند. از این رو، الکترون‌های آزاد در فاصله زیادی سقوط می‌کنند. در نتیجه فوتون‌های پر انرژی آزاد می‌شوند. این فوتون‌های پر انرژی فرکانس بالایی دارند که با چشم انسان قابل مشاهده است.

راندمان تولید نور در LED با افزایش جریان تزریقی و با کاهش دما افزایش می‌یابد.

در دیود‌های ساطع کننده نور به دلیل فرآیند نوترکیبی نور تولید می‌شود. ترکیب مجدد حامل‌های شارژ فقط در شرایط بایاس رو به جلو انجام می‌شود. از این رو، LED‌ها فقط در شرایط بایاس رو به جلو کار می‌کنند.

هنگامی که دیود ساطع کننده نور بایاس معکوس می‌شود، الکترون‌های آزاد (حامل اکثریت) از سمت n و حفره‌ها (حامل اکثریت) از سمت p از محل اتصال دور می‌شوند. در نتیجه، عرض ناحیه تخلیه افزایش می‌یابد و هیچ گونه نوترکیبی از حامل‌های بار رخ نمی‌دهد؛ بنابراین نور تولید نمی‌شود.

اگر ولتاژ بایاس معکوس اعمال شده به LED بسیار افزایش یابد، ممکن است دستگاه نیز آسیب ببیند.

همه دیود‌ها فوتون یا نور ساطع می‌کنند، اما همه دیود‌ها نور مرئی ساطع نمی‌کنند. ماده در یک LED به گونه‌ای انتخاب می‌شود که طول موج فوتون‌های آزاد شده در بخش مرئی طیف نور قرار می‌گیرد.

دیود‌های ساطع کننده نور را می‌توان با سرعت بسیار سریع ۱ ns روشن و خاموش کرد.