Nguyên lý phát sáng của đèn LED

Tất cảĐèn làm việc sạc lại được, đèn cắm trại di độngVàđèn pha đa chức năngSử dụng loại bóng đèn LED. Để hiểu nguyên lý hoạt động của điốt LED, trước tiên cần nắm vững kiến ​​thức cơ bản về chất bán dẫn. Tính chất dẫn điện của vật liệu bán dẫn nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Đặc điểm độc đáo của nó là: khi chất bán dẫn bị kích thích bởi ánh sáng và nhiệt độ bên ngoài, khả năng dẫn điện của nó sẽ thay đổi đáng kể; việc thêm một lượng nhỏ tạp chất vào chất bán dẫn tinh khiết sẽ làm tăng đáng kể khả năng dẫn điện của nó. Silic (Si) và germani (Ge) là hai chất bán dẫn được sử dụng phổ biến nhất trong điện tử hiện đại, và chúng có bốn electron lớp ngoài cùng. Khi các nguyên tử silic hoặc germani tạo thành tinh thể, các nguyên tử lân cận tương tác với nhau, do đó các electron lớp ngoài cùng được chia sẻ bởi hai nguyên tử, tạo thành cấu trúc liên kết cộng hóa trị trong tinh thể, là một cấu trúc phân tử có khả năng ràng buộc thấp. Ở nhiệt độ phòng (300K), kích thích nhiệt sẽ làm cho một số electron lớp ngoài cùng có đủ năng lượng để tách khỏi liên kết cộng hóa trị và trở thành electron tự do, quá trình này được gọi là kích thích nội tại. Sau khi electron được giải phóng để trở thành electron tự do, một chỗ trống sẽ còn lại trong liên kết cộng hóa trị. Chỗ trống này được gọi là lỗ trống. Sự xuất hiện của lỗ là một đặc điểm quan trọng giúp phân biệt chất bán dẫn với chất dẫn điện.

Khi thêm một lượng nhỏ tạp chất hóa trị năm như phốt pho vào chất bán dẫn nội tại, nó sẽ có thêm một electron sau khi tạo liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử bán dẫn khác. Electron dư thừa này chỉ cần một năng lượng rất nhỏ để phá vỡ liên kết và trở thành electron tự do. Loại bán dẫn tạp chất này được gọi là bán dẫn điện tử (bán dẫn loại N). Tuy nhiên, khi thêm một lượng nhỏ tạp chất nguyên tố hóa trị ba (như boron, v.v.) vào chất bán dẫn nội tại, vì nó chỉ có ba electron ở lớp ngoài, sau khi tạo liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử bán dẫn xung quanh, nó sẽ tạo ra một lỗ trống trong tinh thể. Loại bán dẫn tạp chất này được gọi là bán dẫn lỗ trống (bán dẫn loại P). Khi kết hợp bán dẫn loại N và loại P, sẽ có sự khác biệt về nồng độ electron tự do và lỗ trống tại điểm nối của chúng. Cả electron và lỗ trống đều khuếch tán về phía nồng độ thấp hơn, để lại các ion tích điện nhưng không di chuyển, phá hủy tính trung hòa điện ban đầu của vùng loại N và loại P. Các hạt mang điện không di chuyển này thường được gọi là điện tích không gian, và chúng tập trung gần ranh giới giữa vùng N và vùng P để tạo thành một vùng điện tích không gian rất mỏng, được gọi là mối nối PN.

Khi đặt điện áp phân cực thuận vào cả hai đầu của mối nối PN (điện áp dương vào một phía của bán dẫn loại P), các lỗ trống và electron tự do di chuyển xung quanh nhau, tạo ra một điện trường nội bộ. Các lỗ trống mới được bơm vào sau đó tái kết hợp với các electron tự do, đôi khi giải phóng năng lượng dư thừa dưới dạng photon, chính là ánh sáng mà chúng ta thấy phát ra từ đèn LED. Phổ ánh sáng này tương đối hẹp, và vì mỗi vật liệu có khe năng lượng khác nhau, nên bước sóng của các photon phát ra cũng khác nhau, do đó màu sắc của đèn LED được xác định bởi các vật liệu cơ bản được sử dụng.