หลักการส่องสว่างของ LED

ทั้งหมดไฟทำงานแบบชาร์จไฟได้ ไฟแคมป์ปิ้งแบบพกพาและไฟหน้าอเนกประสงค์ใช้หลอดไฟ LED เพื่อทำความเข้าใจหลักการทำงานของไดโอด LED ก่อนอื่นต้องเข้าใจความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับสารกึ่งตัวนำ คุณสมบัติการนำไฟฟ้าของวัสดุสารกึ่งตัวนำอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน คุณลักษณะเฉพาะของมันคือ เมื่อสารกึ่งตัวนำถูกกระตุ้นด้วยแสงและความร้อนจากภายนอก ความสามารถในการนำไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงอย่างมาก การเติมสารเจือปนในปริมาณเล็กน้อยลงในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์จะเพิ่มความสามารถในการนำไฟฟ้าอย่างมาก ซิลิคอน (Si) และเจอร์มาเนียม (Ge) เป็นสารกึ่งตัวนำที่ใช้กันมากที่สุดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ และมีอิเล็กตรอนวงนอกสี่ตัว เมื่ออะตอมของซิลิคอนหรือเจอร์มาเนียมรวมตัวกันเป็นผลึก อะตอมที่อยู่ใกล้เคียงจะทำปฏิกิริยากัน ทำให้อิเล็กตรอนวงนอกถูกใช้ร่วมกันโดยอะตอมทั้งสอง ก่อให้เกิดโครงสร้างพันธะโควาเลนต์ในผลึก ซึ่งเป็นโครงสร้างโมเลกุลที่มีความสามารถในการยึดเหนี่ยวต่ำ ที่อุณหภูมิห้อง (300K) การกระตุ้นด้วยความร้อนจะทำให้อิเล็กตรอนวงนอกบางส่วนได้รับพลังงานเพียงพอที่จะหลุดออกจากพันธะโควาเลนต์และกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ กระบวนการนี้เรียกว่าการกระตุ้นภายใน หลังจากอิเล็กตรอนหลุดออกไปกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ จะเกิดช่องว่างขึ้นในพันธะโควาเลนต์ ช่องว่างนี้เรียกว่า โฮล การปรากฏของโฮลเป็นลักษณะสำคัญที่ใช้แยกแยะสารกึ่งตัวนำออกจากตัวนำ

เมื่อเติมธาตุเจือปนที่มีวาเลนซ์ 5 ในปริมาณเล็กน้อย เช่น ฟอสฟอรัส ลงในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ มันจะมีอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นหลังจากสร้างพันธะโควาเลนต์กับอะตอมของสารกึ่งตัวนำอื่นๆ อิเล็กตรอนที่เพิ่มขึ้นนี้ต้องการพลังงานเพียงเล็กน้อยในการหลุดออกจากพันธะและกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ สารกึ่งตัวนำที่มีธาตุเจือปนชนิดนี้เรียกว่า สารกึ่งตัวนำอิเล็กตรอน (สารกึ่งตัวนำชนิด N) อย่างไรก็ตาม การเติมธาตุเจือปนที่มีวาเลนซ์ 3 ในปริมาณเล็กน้อย (เช่น โบรอน เป็นต้น) ลงในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ เนื่องจากมันมีอิเล็กตรอนเพียง 3 ตัวในชั้นนอกสุด หลังจากสร้างพันธะโควาเลนต์กับอะตอมของสารกึ่งตัวนำโดยรอบแล้ว มันจะสร้างช่องว่างในผลึก สารกึ่งตัวนำที่มีธาตุเจือปนชนิดนี้เรียกว่า สารกึ่งตัวนำโฮล (สารกึ่งตัวนำชนิด P) เมื่อรวมสารกึ่งตัวนำชนิด N และชนิด P เข้าด้วยกัน จะมีความแตกต่างในความเข้มข้นของอิเล็กตรอนอิสระและโฮลที่จุดเชื่อมต่อของพวกมัน ทั้งอิเล็กตรอนและโฮลจะแพร่กระจายไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำกว่า ทำให้เกิดไอออนที่มีประจุแต่เคลื่อนที่ไม่ได้ ซึ่งทำลายความเป็นกลางทางไฟฟ้าดั้งเดิมของบริเวณชนิด N และชนิด P อนุภาคที่มีประจุแต่เคลื่อนที่ไม่ได้เหล่านี้มักเรียกว่าประจุอวกาศ และพวกมันจะรวมตัวกันอยู่ใกล้กับส่วนต่อประสานของบริเวณ N และ P เพื่อก่อตัวเป็นบริเวณประจุอวกาศที่บางมาก ซึ่งรู้จักกันในชื่อรอยต่อ PN

เมื่อจ่ายแรงดันไบแอสไปข้างหน้า (แรงดันบวกไปยังด้านใดด้านหนึ่งของสารกึ่งตัวนำชนิด P) ให้กับปลายทั้งสองข้างของรอยต่อ PN โฮลและอิเล็กตรอนอิสระจะเคลื่อนที่ไปรอบๆ กัน ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าภายใน โฮลที่ถูกฉีดเข้าไปใหม่จะรวมตัวกับอิเล็กตรอนอิสระ บางครั้งอาจปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของโฟตอน ซึ่งเป็นแสงที่เราเห็นเปล่งออกมาจาก LED สเปกตรัมดังกล่าวค่อนข้างแคบ และเนื่องจากวัสดุแต่ละชนิดมีช่องว่างพลังงานที่แตกต่างกัน ความยาวคลื่นของโฟตอนที่เปล่งออกมาจึงแตกต่างกัน ดังนั้นสีของ LED จึงถูกกำหนดโดยวัสดุพื้นฐานที่ใช้