Как работает светодиод

2024 Автор: Sherilyn Boyd | [email protected]. Последнее изменение: 2023-12-16 09:37

Диод - это особый тип полупроводника, который имеет много применений. Один из принципов, однако, заключается в том, чтобы контролировать направление потока электроэнергии. Наиболее распространенный тип диода делает это, используя что-то, называемое «p-n переходы». Это просто причудливый способ сказать «магия». 😉

На самом деле, хотя, в простых выражениях, подумайте, что доктор Пеппер может разделяться посередине. С одной стороны, вы создали полупроводниковый материал, в который вы добавили примеси, чтобы он содержал отрицательно заряженные носители; в основном изобилие электронов. Затем мы называем эту сторону «полупроводником n-типа». С другой стороны, вы сделали то же самое, за исключением того, что вы вводили примеси, содержащие положительно заряженные носители; в основном думают об этом, как пучок дыр, которые нуждаются в заполнении электронами. Мы называем эту сторону «полупроводником p-типа».

Таким образом, у нас с одной стороны полупроводник n-типа, а с другой стороны - полупроводник p-типа. Граница между этими двумя называется «p-n-переходом». Здесь происходит вся магия. Оказывается, обычный ток будет перемещаться с одной стороны на другую, но не любит идти в противоположном направлении. Таким образом, вы можете использовать это, чтобы убедиться, что электричество распространяется только в том направлении, в котором вы хотите, чтобы оно было в вашей цепи (среди множества других вещей: серьёзные диоды безумно полезны различными способами, а различные специализированные диоды могут делать некоторые другие интересные вещи, что я не буду вдаваться в эту статью, но, вероятно, в какой-то момент перейду к рассмотрению. Вообще говоря, эти pn-переходы лежат в основе почти всех полупроводниковых электронных устройств).

Итак, как эти диоды модифицированы для получения света? Ну, оказывается, что их действительно не нужно модифицировать, чтобы создать форму светового излучения. Однако стандартные диоды, как правило, состоят из материалов, поглощающих большую часть световой радиации, и, что более важно, имеют тенденцию не выделять свет в видимой для человека форме.

Что здесь происходит, так как электричество перескакивает через p-n-соединение, электроны со стороны «n-типа» заполняют отверстия в сторону «p-типа». Во время этого процесса электроны в конечном итоге меняют свое состояние. Во время этого изменения состояния выделяется фотон. Более конкретно, что происходит, поскольку электроны движутся вокруг орбиты ядра атома, электроны с разными орбитами имеют разное количество энергии. Электроны с орбитами, расположенными дальше от ядра, имеют большую энергию, а те, у которых ближе, меньше энергии.

Поэтому, чтобы электрон изменил свою орбиту, ему нужно либо потерять энергию, либо получить энергию. То, что нас интересует со светодиодами, - это электроны, идущие с более высокой орбиты на более низкую орбиту, тем самым теряя энергию в виде фотона света. Когда электроны со стороны n-типа «заполняют дырки» в сторону р-типа, они затем теряют энергию в виде этих легких фотонов. Чем больше энерговыделение, тем выше частота светового фотона, тем самым изменяя цвет.

Если частота попадает в видимый спектр человека (диапазон, который могут видеть ваши глаза), тогда вы увидите свет, выделяемый светодиодом. Если нет, например, когда выдается в инфракрасном спектре, вы не увидите его. Но он может быть полезен, например, позволяя вам менять канал на вашем телевизоре (инфракрасные светодиоды обычно используются в вашем пульте дистанционного управления телевизора среди многих других мест). Когда вы нажимаете кнопку на пульте дистанционного управления, вы не видите свет, но приемник на вашем телевизоре может видеть это и может интерпретировать то, что он видит от инфракрасного светодиода.

В светодиодах свет, который создается, зависит от используемого материала и тока, который проходит через него. Свет в стандартном диоде имеет атомы, расположенные так, что энергия электрона падает очень коротко, и поэтому частота света, выделяемого, не видна нашим глазам, а находится в инфракрасном диапазоне. Так просто, светодиоды, в которых вы можете видеть свет, сделаны из полупроводниковых материалов, которые создают большее падение на орбите электрона, так что частота фотонного пакета выходит в спектре зрительного восприятия человека. Они могут даже быть спроектированы таким образом, чтобы количество электричества, протекающего через них, фактически изменило падение, и поэтому у вас может быть многоцветный светодиод.

Бонусные факты:

Диоды были первыми полупроводниковыми электронными устройствами.
Открытие p-n-перехода связано с американским физиком Расселом Олом из Bell Laboratories.
Эти «p-n переходы» являются не только ядром диодов, но также являются строительными блоками почти всех полупроводниковых электронных устройств, таких как транзисторы, солнечные элементы, интегральные схемы и т. Д.
Процесс добавления примесей к полупроводнику называется «легированием».
Светодиоды намного эффективнее, чем «обычные» лампы накаливания из-за того, что они почти не выделяют тепла; поэтому гораздо больший процент потребляемого электричества идет в сторону света, а не в лампах накаливания, где хороший процент из них заканчивается тем, что он просто нагревает.
Это явление света, выделяемое в результате протекания тока через устройство, называется «электролюминесценция». Это отличается от таких вещей, как выбросы света из-за высокой температуры, которая называется накалом; или свет через некоторую химическую реакцию, которая называется хемилюминесценцией; среди прочего.
Электролюминесценция была обнаружена британцами, родившимися в 1907 году в Нью-Йорке.