หลักการส่องสว่างของ LED

ทั้งหมดไฟทำงานแบบชาร์จไฟได้ ไฟตั้งแคมป์แบบพกพาและไฟหน้าแบบมัลติฟังก์ชั่นใช้หลอดไฟ LED เพื่อทำความเข้าใจหลักการของไดโอด LED ก่อนอื่นต้องเข้าใจความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับสารกึ่งตัวนำ คุณสมบัติการนำไฟฟ้าของวัสดุสารกึ่งตัวนำอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน คุณสมบัติเฉพาะของสารกึ่งตัวนำคือ เมื่อสารกึ่งตัวนำถูกกระตุ้นด้วยแสงและความร้อนภายนอก ความสามารถในการนำไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก การเติมสิ่งเจือปนปริมาณเล็กน้อยลงในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์จะช่วยเพิ่มความสามารถในการนำไฟฟ้าได้อย่างมาก ซิลิคอน (Si) และเจอร์เมเนียม (Ge) เป็นสารกึ่งตัวนำที่ใช้กันมากที่สุดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ และมีอิเล็กตรอนชั้นนอกอยู่สี่ตัว เมื่ออะตอมของซิลิคอนหรือเจอร์เมเนียมรวมตัวกันเป็นผลึก อะตอมข้างเคียงจะทำปฏิกิริยากัน ทำให้อิเล็กตรอนชั้นนอกถูกใช้ร่วมกันโดยอะตอมทั้งสอง ก่อให้เกิดโครงสร้างพันธะโควาเลนต์ในผลึก ซึ่งเป็นโครงสร้างโมเลกุลที่มีข้อจำกัดน้อยมาก ที่อุณหภูมิห้อง (300K) การกระตุ้นด้วยความร้อนจะทำให้อิเล็กตรอนชั้นนอกบางส่วนได้รับพลังงานเพียงพอที่จะหลุดออกจากพันธะโควาเลนต์และกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ กระบวนการนี้เรียกว่าการกระตุ้นภายใน หลังจากที่อิเล็กตรอนหลุดออกจากพันธะโควาเลนต์แล้ว จะเหลือช่องว่างในพันธะโควาเลนต์ ช่องว่างนี้เรียกว่าโฮล ลักษณะของโฮลเป็นลักษณะสำคัญที่ทำให้สารกึ่งตัวนำแตกต่างจากตัวนำไฟฟ้า

เมื่อเติมสิ่งเจือปนที่มีวาเลนต์ห้าจำนวนเล็กน้อย เช่น ฟอสฟอรัส ลงในสารกึ่งตัวนำอินทรินซิก จะมีอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นอีกหนึ่งตัวหลังจากเกิดพันธะโควาเลนต์กับอะตอมสารกึ่งตัวนำอื่นๆ อิเล็กตรอนที่เพิ่มขึ้นนี้ต้องการพลังงานเพียงเล็กน้อยในการกำจัดพันธะและกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ สารกึ่งตัวนำอินทรินซิกชนิดนี้เรียกว่าสารกึ่งตัวนำอิเล็กทรอนิกส์ (สารกึ่งตัวนำชนิด N) อย่างไรก็ตาม การเติมสิ่งเจือปนธาตุที่มีวาเลนต์สามจำนวนเล็กน้อย (เช่น โบรอน เป็นต้น) ลงในสารกึ่งตัวนำอินทรินซิก เนื่องจากมีอิเล็กตรอนเพียงสามตัวในชั้นนอก หลังจากเกิดพันธะโควาเลนต์กับอะตอมสารกึ่งตัวนำโดยรอบ จะทำให้เกิดช่องว่างในผลึก สารกึ่งตัวนำอินทรินซิกชนิดนี้เรียกว่าสารกึ่งตัวนำโฮล (สารกึ่งตัวนำชนิด P) เมื่อสารกึ่งตัวนำชนิด N และชนิด P รวมกัน จะมีความแตกต่างกันในความเข้มข้นของอิเล็กตรอนอิสระและโฮลที่รอยต่อของสารกึ่งตัวนำทั้งสอง ทั้งอิเล็กตรอนและโฮลจะแพร่กระจายไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำกว่า ทิ้งไอออนที่มีประจุแต่ไม่เคลื่อนที่ไว้ ซึ่งทำลายความเป็นกลางทางไฟฟ้าดั้งเดิมของบริเวณ N-type และ P-type อนุภาคที่มีประจุไม่เคลื่อนที่เหล่านี้มักเรียกว่าประจุอวกาศ และรวมตัวกันใกล้กับรอยต่อระหว่างบริเวณ N และ P ก่อให้เกิดบริเวณประจุอวกาศที่บางมาก ซึ่งเรียกว่ารอยต่อ PN

เมื่อแรงดันไบอัสไปข้างหน้าถูกจ่ายให้กับปลายทั้งสองข้างของรอยต่อ PN (แรงดันบวกด้านหนึ่งของ P-type) โฮลและอิเล็กตรอนอิสระจะเคลื่อนที่รอบกัน ก่อให้เกิดสนามไฟฟ้าภายใน โฮลที่เพิ่งถูกฉีดเข้าไปใหม่จะรวมตัวกับอิเล็กตรอนอิสระอีกครั้ง บางครั้งปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของโฟตอน ซึ่งเป็นแสงที่เราเห็นเปล่งออกมาจากหลอด LED สเปกตรัมดังกล่าวค่อนข้างแคบ และเนื่องจากวัสดุแต่ละชนิดมีแบนด์แก๊ปที่แตกต่างกัน ความยาวคลื่นของโฟตอนที่เปล่งออกมาจึงแตกต่างกัน ดังนั้นสีของหลอด LED จึงถูกกำหนดโดยวัสดุพื้นฐานที่ใช้