(Diagrama I-V pentru o diodă. Un LED va începe să emită lumină atunci când i se aplică mai mult de 2 sau 3 volți. Zona de polarizare inversă se bazează pe o scală verticală diferită de regiunea de polarizare directă, pentru a arăta că curentul de scurgere este aproape constant cu tensiunea până la apariția unei defecțiuni. În polarizare directă, curentul este mic, dar crește exponențial cu tensiunea.)
Fizica
LED-ul este format dintr-un cip de material semiconductor dopat cu impurități pentru a crea o joncțiune p-n. Ca și în alte diode, curentul trece cu ușurință de la zona p, sau anod, la n, sau catod, dar nu și în sens invers. Purtătorii de sarcină – electroni și găuri – trec prin joncțiune de la electrozi cu diferite tensiuni. Atunci când un electron se întâlnește cu o gaură, cade într-un nivel mai mic de energie și eliberează energie sub forma unui foton.
Lungimea de undă a luminii emise, și astfel culoarea, depinde de energia benzii interzise a materialelor care formează joncțiunea p-n. În diodele de siliciu sau germaniu, electronii și găurile se recombină de obicei printr-o tranziție neradiativă, care u produce nicio emisie optică, deoarece acestea sunt materiale cu bandă interzisă indirectă. Materialele folosite pentru LED au o bandă interzisă directă cu energii corespunzătoare luminii în infraroșu apropiat, vizibil sau aproape de ultraviolet.
Dezvoltarea LED-urilor a început cu dispozitivele infraroșii și roșii realizate cu arseniura de galiu. Progresele în știința materialelor au permis fabricarea de dispozitive cu lungimi de undă din ce în ce mai scurte, care emit lumină într-o varietate de culori.
LED-urile sunt de obicei construite pe un substrat de tip n, cu un electrod atașat la stratul de tip p depus pe suprafața sa. Substraturile de tip P, deși mai puțin frecvente, se folosesc de asemenea. Multe LED-uri comerciale, în special GaN/InGaN, folosesc și substrat de safir.
Cele mai multe materiale utilizate în fabricarea de LED-uri au indici de refracție foarte mare. Acest lucru înseamnă că o mare parte din lumină va fi reflectată înapoi în material la interfața suprafaței material/aer. Astfel, extracția luminii din LED este un aspect important al producției de LED-uri, subiect al multor proiecte de cercetare și dezvoltare.
Indicele de refracție
(Exemplu idealizat de conuri de emisie de lumină într-un semiconductor, pentru o singură zonă de emisie punct-sursă. Ilustrația din stânga este pentru o plachetă complet translucidă, în timp ce ilustrația din dreapta arată semi-conuri formate când stratul inferior este complet opac. Lumina este practic emisă în mod egal în toate direcțiile din punctul-sursă, astfel încât zonele între conuri arată cantitatea mare de energie luminoasă captată, care este pierdută sub formă de căldură.)
(Conurile de emisie de lumină ale unei plachete reale cu LED sunt mult mai complexe decât o singură emisie de lumină punct-sursă. Zona de emisie a luminii este de obicei un plan bidimensional între plachete. Fiecare atom din acest plan are un set individual de conuri de emisie. Trasarea miliardelor de suprapuneri de conuri este imposibilă, astfel încât aceasta este o diagramă simplificată care arată extinderile tuturor conurilor de emisie combinate. Conurile cu cele mai mari laterale sunt tăiate pentru a arăta caracteristicile interioare și pentru a reduce complexitatea imaginii, care altfel s-ar extinde la marginile opuse ale planul de emisie bidimensională.)
Semiconductorii simpli neacoperiți, cum ar fi siliciul, prezintă un indice de refracție foarte mare în aer liber, care împiedică trecerea de fotoni care sosesc în unghiuri ascuțite în raport cu suprafața de contact cu aerul a semiconductorului datorită reflexiei interne totale. Această proprietate afectează atât eficiența emisiei luminii cu LED-uri, cât și eficiența de absorbție a luminii a celulelor fotovoltaice. Indicele de refracție al siliciului este de 3,96 (la 590 nm), în timp ce pentru aer este 1.0002926.
În general, un cip semiconductor LED plat neacoperit va emite lumină numai perpendicular pe suprafața semiconductorului, și câteva grade în lateral, într-o formă de con denumită con de lumină, sau con de evacuare. Unghiul maxim de incidență este menționat ca unghiul critic. Atunci când acest unghi este depășit, fotonii nu mai scapă de semiconductor, ci sunt reflectați intern în interiorul cristalului semiconductor, ca și cum ar fi o oglindă.
Reflexiile interne pot scăpa prin alte fețe cristaline dacă unghiul de incidență este suficient de mic, iar cristalul este suficient de transparent pentru a nu re-absorbi emisia de fotoni. Dar pentru un simplu pătrat cu LED-uri, cu suprafețele la 90 de grade pe toate laturile, toate fețele acționează ca oglinzi cu unghiuri egale. În acest caz, cea mai mare parte a luminii nu poate scăpa și se pierde sub forma de căldură reziduală în cristal.
O suprafață de cip complexă cu fațete în unghiuri similare cu cele ale unei bijuterii sau lentile Fresnel poate crește lumina la ieșire, permițând luminii să fie emisă perpendicular pe suprafața cipului și în același timp departe de părțile laterale ale punctului de emisie de fotoni.
Forma ideală a unui semiconductor cu o iluminare maximă la ieșire ar fi o microsferă cu emisia de fotoni realizându-se exact în centru, cu electrozi care penetrează centrul pentru a face contact cu punctul de emisie. Toate razele de lumină care provin de la centru ar fi perpendicular pe întreaga suprafață a sferei, rezultând zero reflexii interne. Un semiconductor emisferic ar lucra, de asemenea, cu suprafața plată din spate care servește ca o oglindă pentru fotonii împrăștiați înapoi.
Acoperiri de tranziție
După doparea plachetei, se taie în matrițe individuale. Fiecare matriță este numită de obicei cip.
Multe cipuri semiconductoare cu LED-uri sunt încapsulate sau turnate în cofraje din plastic transparente sau colorate. Carcasa de plastic are trei scopuri:
- Montarea cipului semiconductor în dispozitive este mai ușor de realizat.
- Cablajul electric fragil minusculul este suportat fizic și protejat împotriva deteriorării.
- Materialul plastic acționează ca un intermediar refractar între semiconductorul cu indice relativ mare și aerul liber cu indice scăzut.
A treia caracteristică ajută la stimularea emisiei de lumină din materiale semiconductoare acționând ca o lentilă de difuzie, permițând luminii să fie emisă la un unghi mult mai mare de incidență din conul de lumină decât este capabil să emită singur cipul simplu.
Traducere din Wikipedia
Lasă un răspuns