หลักการส่องสว่างของ LED

ทั้งหมดไฟทำงานแบบชาร์จไฟได้ ไฟตั้งแคมป์แบบพกพาและโคมไฟหน้าแบบมัลติฟังก์ชันการใช้หลอดไฟ LED แบบไดโอดนั้น เพื่อทำความเข้าใจหลักการของหลอดไฟ LED ไดโอดจะต้องเข้าใจความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับสารกึ่งตัวนำเสียก่อน คุณสมบัติการนำไฟฟ้าของวัสดุสารกึ่งตัวนำจะอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน คุณสมบัติเฉพาะของสารกึ่งตัวนำคือ เมื่อสารกึ่งตัวนำถูกกระตุ้นด้วยแสงและความร้อนภายนอก ความสามารถในการนำไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก การเติมสิ่งเจือปนในปริมาณเล็กน้อยลงในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์จะเพิ่มความสามารถในการนำไฟฟ้าได้อย่างมาก ซิลิกอน (Si) และเจอร์เมเนียม (Ge) เป็นสารกึ่งตัวนำที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ และอิเล็กตรอนภายนอกมีสี่ตัว เมื่ออะตอมของซิลิกอนหรือเจอร์เมเนียมก่อตัวเป็นผลึก อะตอมข้างเคียงจะโต้ตอบกัน ทำให้อิเล็กตรอนภายนอกถูกแบ่งปันโดยอะตอมทั้งสอง ทำให้เกิดโครงสร้างพันธะโควาเลนต์ในผลึก ซึ่งเป็นโครงสร้างโมเลกุลที่มีข้อจำกัดเพียงเล็กน้อย ที่อุณหภูมิห้อง (300K) การกระตุ้นด้วยความร้อนจะทำให้อิเล็กตรอนภายนอกบางส่วนได้รับพลังงานเพียงพอที่จะแยกตัวออกจากพันธะโควาเลนต์และกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ กระบวนการนี้เรียกว่าการกระตุ้นภายใน หลังจากที่อิเล็กตรอนหลุดออกจากพันธะโควาเลนต์แล้ว จะมีช่องว่างเหลืออยู่ในพันธะโควาเลนต์ ช่องว่างนี้เรียกว่าโฮล ลักษณะของโฮลเป็นลักษณะสำคัญที่ทำให้สารกึ่งตัวนำแตกต่างจากตัวนำ

เมื่อเติมสิ่งเจือปนที่มีประจุบวกจำนวนเล็กน้อย เช่น ฟอสฟอรัส ลงในสารกึ่งตัวนำแท้ สารดังกล่าวจะมีอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นหนึ่งตัวหลังจากเกิดพันธะโควาเลนต์กับอะตอมสารกึ่งตัวนำอื่นๆ อิเล็กตรอนที่เพิ่มขึ้นนี้ต้องการพลังงานเพียงเล็กน้อยเท่านั้นในการกำจัดพันธะและกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ สารกึ่งตัวนำที่มีประจุบวกประเภทนี้เรียกว่าสารกึ่งตัวนำอิเล็กทรอนิกส์ (สารกึ่งตัวนำชนิด N) อย่างไรก็ตาม การเติมสิ่งเจือปนธาตุที่มีประจุบวกจำนวนเล็กน้อย (เช่น โบรอน เป็นต้น) ลงในสารกึ่งตัวนำแท้ เนื่องจากมีอิเล็กตรอนเพียงสามตัวในชั้นนอก หลังจากเกิดพันธะโควาเลนต์กับอะตอมสารกึ่งตัวนำโดยรอบ จะทำให้เกิดช่องว่างในผลึก สารกึ่งตัวนำที่มีประจุบวกประเภทนี้เรียกว่าสารกึ่งตัวนำโฮล (สารกึ่งตัวนำชนิด P) เมื่อรวมสารกึ่งตัวนำชนิด N และชนิด P เข้าด้วยกัน จะมีความแตกต่างกันในความเข้มข้นของอิเล็กตรอนอิสระและโฮลที่จุดเชื่อมต่อของอิเล็กตรอนเหล่านั้น ทั้งอิเล็กตรอนและโฮลจะกระจายตัวไปทางความเข้มข้นที่ต่ำกว่า ทิ้งไอออนที่มีประจุแต่ไม่เคลื่อนที่ไว้เบื้องหลัง ซึ่งทำลายความเป็นกลางทางไฟฟ้าเดิมของบริเวณ N-type และ P-type อนุภาคที่มีประจุที่ไม่เคลื่อนที่เหล่านี้มักเรียกว่าประจุอวกาศ และจะรวมตัวกันใกล้กับอินเทอร์เฟซของบริเวณ N และ P เพื่อสร้างบริเวณประจุอวกาศที่บางมาก ซึ่งเรียกว่ารอยต่อ PN

เมื่อแรงดันไฟฟ้าไบอัสไปข้างหน้าถูกนำไปใช้กับปลายทั้งสองข้างของรอยต่อ PN (แรงดันไฟฟ้าบวกที่ด้านหนึ่งของชนิด P) โฮลและอิเล็กตรอนอิสระจะเคลื่อนที่ไปรอบๆ กัน ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าภายใน โฮลที่ฉีดเข้าไปใหม่จะรวมตัวกับอิเล็กตรอนอิสระอีกครั้ง บางครั้งปลดปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของโฟตอน ซึ่งเป็นแสงที่เราเห็นว่าเปล่งออกมาจาก LED สเปกตรัมดังกล่าวค่อนข้างแคบ และเนื่องจากวัสดุแต่ละชนิดมีแบนด์แก๊ปที่แตกต่างกัน ความยาวคลื่นของโฟตอนที่เปล่งออกมาจึงแตกต่างกัน ดังนั้นสีของ LED จึงถูกกำหนดโดยวัสดุพื้นฐานที่ใช้