Eine Diode ist die einfachste Art von Halbleiterbauelement. Im Großen und Ganzen ist eine
Halbleiter ist ein Material mit unterschiedlicher Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten. Die meisten
Halbleiter bestehen aus einem schlechten Leiter, der Verunreinigungen (Atome eines anderen
Material) hinzugefügt. Der Prozess der Zugabe von Verunreinigungen wird als kalische Dotierung bezeichnet.
Bei LEDs ist das Leitermaterial typischerweise Aluminium-Gallium-Arsenid
(AlGaAs). In reinem Aluminium-Gallium-Arsenid binden alle Atome perfekt an ihre
Nachbarn, so dass keine freien Elektronen (negativ geladene Teilchen) übrig bleiben, die
elektrischer Strom. In dotiertem Material verändern zusätzliche Atome das Gleichgewicht, entweder
Hinzufügen freier Elektronen oder Erzeugen von Löchern, in die Elektronen gelangen können. Beides
Zusätze machen das Material leitfähiger.
Ein Halbleiter mit zusätzlichen Elektronen ist ein N-Typ-Material, da es zusätzliche
negativ geladene Teilchen. In N-Typ-Materialien bewegen sich freie Elektronen von einem
negativ geladenen Bereich zu einem positiv geladenen Bereich.
Ein Halbleiter mit zusätzlichen Löchern ist ein P-Typ-Material, da es effektiv
zusätzliche positiv geladene Teilchen. Elektronen können von Loch zu Loch springen, sich von
einen negativ geladenen Bereich zu einem positiv geladenen Bereich. Dadurch werden die Löcher
selbst scheinen sich von einem positiv geladenen Bereich in einen negativ geladenen Bereich zu bewegen.
Eine Diode besteht aus einem Abschnitt aus N-Typ-Material, der mit einem Abschnitt aus P-Typ-Material verbunden ist.
mit Elektroden an jedem Ende. Diese Anordnung leitet Strom nur in einem
Richtung. Wenn keine Spannung an die Diode angelegt wird, werden Elektronen aus dem N-Typ-Material
Füllen Sie Löcher aus dem P-Typ-Material entlang der Verbindung zwischen den Schichten und bilden Sie eine
Verarmungszone. In einer Verarmungszone wird das Halbleitermaterial in seinen
ursprünglicher isolierender Zustand - alle Löcher sind gefüllt, es gibt also keine freien Elektronen
oder leere Räume für Elektronen, und Ladung kann nicht fließen.
An der Verbindungsstelle füllen freie Elektronen aus dem N-Typ-Material Löcher aus dem P-Typ
Material. Dadurch entsteht eine isolierende Schicht in der Mitte der Diode, die
Verarmungszone.
Um die Verarmungszone loszuwerden, müssen Sie Elektronen vom N-Typ bewegen
Bereich zum P-Typ-Bereich und Löcher bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung. Dazu müssen Sie
Verbinden Sie die N-Typ-Seite der Diode mit dem negativen Ende eines Stromkreises und die P-Typ-Seite
Seite zum positiven Ende. Die freien Elektronen im N-Typ-Material werden durch die
negative Elektrode und zur positiven Elektrode gezogen. Die Löcher im P-Typ
Material bewegt sich in die andere Richtung. Wenn die Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden
hoch genug, werden die Elektronen in der Verarmungszone aus ihren Löchern herausgedrückt und
beginnen sich wieder frei zu bewegen. Die Verarmungszone verschwindet, und Ladung bewegt sich über die
Diode.
Wenn das negative Ende der Schaltung an die N-Typ-Schicht angeschlossen ist und das positive
Ende ist mit der P-Typ-Schicht verbunden, Elektronen und Löcher beginnen sich zu bewegen und die Verarmung
Zone verschwindet.
Wenn Sie versuchen, den Strom in die andere Richtung zu leiten, wobei die P-Typ-Seite mit dem
negatives Ende der Schaltung und die N-Typ-Seite mit dem positiven Ende verbunden, Strom
fließt nicht. Die negativen Elektronen im N-Typ-Material werden von der
positive Elektrode. Die positiven Löcher im P-Typ-Material werden von der
negative Elektrode. Es fließt kein Strom über die Verbindung, da die Löcher und die
Elektronen bewegen sich jeweils in die falsche Richtung. Die Verarmungszone vergrößert sich.
Wenn das positive Ende der Schaltung an die N-Typ-Schicht angeschlossen ist und das negative
Ende ist mit der P-Typ-Schicht verbunden, freie Elektronen sammeln sich an einem Ende der Diode
und auf der anderen Seite sammeln sich Löcher. Die Verarmungszone wird größer.
Die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Löchern in diesem Aufbau hat eine interessante Seite
Effekt – es erzeugt Licht! Im nächsten Abschnitt erfahren wir genau, warum das so ist.
Licht ist eine Energieform, die von einem Atom freigesetzt werden kann. Es besteht aus vielen kleinen
partikelähnliche Pakete, die Energie und Impuls, aber keine Masse haben. Diese Partikel, cal
Photonen sind die grundlegendsten Einheiten des Lichts.
Photonen werden durch die Bewegung von Elektronen freigesetzt. In einem Atom bewegen sich Elektronen in
Orbitale um den Kern. Elektronen in verschiedenen Orbitalen haben unterschiedliche Mengen an
Energie. Im Allgemeinen bewegen sich Elektronen mit höherer Energie in Orbitalen weiter
vom Kern weg.
Damit ein Elektron von einem niedrigeren Orbital in ein höheres Orbital springen kann, muss etwas
erhöhen sein Energieniveau. Umgekehrt gibt ein Elektron Energie ab, wenn es von einem
höheren Orbital zu einem niedrigeren. Diese Energie wird in Form eines Photons freigesetzt. Ein
größerer Energieabfall setzt ein Photon mit höherer Energie frei, das durch eine
höhere Frequenz. Wie wir im letzten Abschnitt gesehen haben, bewegen sich freie Elektronen über eine Diode
kann in leere Löcher aus der P-Typ-Schicht fallen. Dabei handelt es sich um einen Tropfen aus der
Leitungsband zu einem niedrigeren Orbital, so dass die Elektronen Energie in Form von freisetzen
Photonen. Dies geschieht in jeder Diode, aber man kann die Photonen nur sehen, wenn die Diode
aus bestimmten Materialien. Die Atome in einer Standard-Siliziumdiode sind beispielsweise
so angeordnet, dass das Elektron eine relativ kurze Strecke zurücklegt. Als
Infolgedessen ist die Frequenz des Photons so niedrig, dass es für das menschliche Auge unsichtbar ist - es
liegt im Infrarotbereich des Lichtspektrums. Das ist nicht unbedingt eine schlechte Sache,
natürlich: Infrarot-LEDs eignen sich unter anderem hervorragend für Fernbedienungen.
Sichtbare Leuchtdioden (VLEDs), wie sie beispielsweise Zahlen in einem
Digitaluhren bestehen aus Materialien, die sich durch einen größeren Abstand zwischen
Leitungsband und die unteren Orbitale. Die Größe der Lücke bestimmt die Frequenz
des Photons – mit anderen Worten, es bestimmt die Farbe des Lichts.
Obwohl alle Dioden Licht abgeben, tun die meisten dies nicht sehr effektiv. In einem gewöhnlichen
Diode absorbiert das Halbleitermaterial selbst einen Großteil der Lichtenergie.
LEDs sind speziell dafür konstruiert, eine große Anzahl von Photonen nach außen abzugeben.
Darüber hinaus sind sie in einer Kunststoffbirne untergebracht, die das Licht in einem konzentriert
bestimmte Richtung. Wie Sie im Diagramm sehen können, wird das meiste Licht der Diode
prallt von den Seiten der Glühbirne ab und gelangt durch das abgerundete Ende weiter.
LEDs haben gegenüber herkömmlichen Glühlampen mehrere Vorteile. Zum einen
haben keinen Glühfaden, der durchbrennt, daher halten sie viel länger. Darüber hinaus
Ihre kleine Kunststoffbirne macht sie viel langlebiger. Sie passen auch leichter in
moderne elektronische Schaltungen.
Der Hauptvorteil ist jedoch die Effizienz. Bei herkömmlichen Glühlampen ist das Licht
Bei der Herstellung entsteht viel Wärme (das Filament muss erwärmt werden).
Dies ist völlig verschwendete Energie, es sei denn, Sie verwenden die Lampe als Heizung, denn ein
Ein großer Teil der verfügbaren Elektrizität wird nicht für die Erzeugung von sichtbarem Licht verwendet.
LEDs erzeugen relativ wenig Wärme. Ein viel höherer Anteil der
elektrische Energie wird direkt zur Erzeugung von Licht verwendet, was die
Strombedarf erheblich.
Bis vor kurzem waren LEDs für die meisten Beleuchtungsanwendungen zu teuer
weil sie auf fortschrittlichem Halbleitermaterial basieren. Der Preis von
Halbleiterbauelemente ist im letzten Jahrzehnt jedoch stark gesunken, was LEDs zu einer
kostengünstige Beleuchtungsoption für eine Vielzahl von Situationen. Während sie mehr sein können
teurer als Glühlampen vorn, ihre niedrigeren Kosten auf lange Sicht können
sie zu einem besseren Kauf. In Zukunft werden sie eine noch größere Rolle in der Welt der
Technologie.