Nguyên lý phát sáng của đèn LED

Tất cảĐèn làm việc có thể sạc lại, đèn cắm trại di độngVàđèn pha đa năngSử dụng loại bóng đèn LED. Để hiểu nguyên lý hoạt động của diode 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 riêng biệt của nó là: khi chất bán dẫn bị kích thích bởi điều kiện 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 làm tăng đáng kể khả năng dẫn điện của nó. Silic (Si) và germani (Ge) là những 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, đây là cấu trúc phân tử có ít khả năng bị ràng buộc. Ở nhiệt độ phòng (300K), sự kích thích nhiệt sẽ làm cho một số electron lớp ngoài cùng nhận 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 được để 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 một lượng nhỏ tạp chất hóa trị năm như phốt pho được thêm vào chất bán dẫn nội tại, nó sẽ có thêm một electron sau khi hình thành liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử bán dẫn khác. Electron thêm này chỉ cần một năng lượng rất nhỏ để thoát khỏi liên kết và trở thành một electron tự do. Loại chất bán dẫn tạp chất này được gọi là chất bán dẫn điện tử (chất bán dẫn loại N). Tuy nhiên, việc thêm một lượng nhỏ tạp chất nguyên tố hóa trị ba (như bo, v.v.) vào chất bán dẫn nội tại, vì nó chỉ có ba electron ở lớp ngoài cùng, sau khi hình thành liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử bán dẫn xung quanh, nó sẽ tạo ra một chỗ trống trong tinh thể. Loại chất bán dẫn tạp chất này được gọi là chất bán dẫn lỗ trống (chất bán dẫn loại P). Khi chất bán dẫn loại N và loại P được kết hợp, có sự khác biệt về nồng độ electron tự do và lỗ trống tại tiếp giáp 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 động, phá hủy tính trung hòa điện ban đầu của vùng loại N và loại P. Các hạt tích điện bất động này thường được gọi là điện tích không gian và chúng tập trung gần giao diện của vùng N và P để tạo thành một vùng điện tích không gian rất mỏng, được gọi là tiếp giáp PN.

Khi điện áp phân cực thuận được đặt vào cả hai đầu tiếp giáp P-N (điện áp dương ở một bên của loại P), các lỗ trống và electron tự do di chuyển xung quanh nhau, tạo ra một điện trường nội tại. Các lỗ trống mới được đưa vào sau đó kết hợp lại 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 như vậy tương đối hẹp, và vì mỗi vật liệu có độ rộng vùng cấm khác nhau, nên bước sóng của photon phát ra cũng khác nhau, do đó màu sắc của đèn LED được xác định bởi vật liệu cơ bản được sử dụng.