Wie funktioniert eine LED?

Wie funktioniert eine LED?

Heute habe ich herausgefunden, wie eine LED funktioniert. Eine LED oder "Light Emitting Diode" ist im Wesentlichen wie der Name beschreibt; Es handelt sich um eine spezielle Diode, die speziell für die Abgabe von Licht optimiert ist, normalerweise im visuellen oder infraroten Bereich, wenn Elektrizität durch sie geleitet wird.

Eine Diode ist ein spezieller Halbleitertyp, der viele Anwendungen findet. Ein Prinzip ist jedoch die Steuerung der Stromrichtung. Die gebräuchlichste Art von Dioden macht dies, indem sie sogenannte p-n-Übergänge verwendet. Dies ist nur eine schicke Art, "Magie" zu sagen. 😉

Eigentlich, in einfachen Worten, denke an einen Dr. Pepper kann in der Mitte geteilt werden. Auf der einen Hälfte haben Sie ein Halbleitermaterial hergestellt, dem Sie Verunreinigungen hinzugefügt haben, so dass es negativ geladene Ladungsträger enthält. im Grunde eine Fülle von Elektronen. Wir nennen diese Seite dann "Halbleiter vom n-Typ". Auf der anderen Hälfte haben Sie dasselbe getan, nur dass Sie Verunreinigungen eingeführt haben, die positiv geladene Träger enthalten. Denken Sie im Grunde wie ein Haufen Löcher, die mit Elektronen gefüllt werden müssen. Wir nennen diese Seite "p-Halbleiter".

Wir haben also auf der einen Seite einen n-Halbleiter und auf der anderen Seite einen p-Halbleiter. Die Grenze zwischen diesen beiden wird als "p-n-Übergang" bezeichnet. Hier passiert die ganze Magie. Es stellt sich heraus, dass konventioneller Strom von einer Seite zur anderen fließen wird, er möchte jedoch nicht in die entgegengesetzte Richtung gehen. Sie können dies verwenden, um sicherzustellen, dass der Strom nur in die gewünschte Richtung in Ihrem Schaltkreis fließt (unter vielen anderen Dingen; ernsthaft Dioden sind auf verschiedene Weise verrückt und verschiedene Spezialdioden können andere interessante Dinge bewirken.) worauf ich in diesem Artikel nicht eingehen werde, aber wahrscheinlich irgendwann einmal wiederkommen wird. Im Allgemeinen sind diese pn-Übergänge das Herzstück fast aller elektronischen Halbleitergeräte.

Wie werden diese Dioden modifiziert, um Licht zu erzeugen? Nun, es stellt sich heraus, dass sie gar nicht wirklich modifiziert werden müssen, um eine Form von Lichtstrahlung zu erzeugen. Normale Dioden sind jedoch in der Regel aus Materialien hergestellt, die den Großteil der abgegebenen Lichtstrahlung absorbieren, und was noch wichtiger ist, dass sie das Licht in keiner für Menschen sichtbaren Form abgeben.

Was hier passiert, ist, da die Elektrizität über den p-n-Übergang springt und die Elektronen von der "n-Typ" -Seite "Löcher" auf der "p-Typ" -Seite füllen. Während dieses Vorgangs ändern die Elektronen ihren Zustand. Während dieser Zustandsänderung wird ein Photon emittiert. Genauer gesagt, was passiert, wenn Elektronen sich um einen Atomkern bewegen und Elektronen mit unterschiedlichen Umlaufbahnen umkreisen, haben sie unterschiedliche Energiemengen. Elektronen, deren Umlaufbahnen weiter vom Kern entfernt sind, haben eine größere Energie und die näheren, die näher sind, haben weniger Energie.

Damit ein Elektron seine Umlaufbahn ändern kann, muss es entweder Energie verlieren oder Energie gewinnen. Was uns an LEDs interessiert, sind die Elektronen, die von einer höheren Umlaufbahn zu einer niedrigeren Umlaufbahn gehen, wodurch Energie in Form eines Photons des Lichts verloren geht. Wenn die Elektronen von der n-Seite die Löcher auf der p-Seite "füllen", verlieren sie Energie in Form dieser Lichtphotonen. Je höher die Energiefreisetzung ist, desto höher ist die Frequenz, aus der das Lichtphoton abgegeben wird, wodurch sich die Farbe ändert.

Wenn die Frequenz im sichtbaren menschlichen Spektrum liegt (der Bereich, den Ihre Augen sehen können), wird das Licht von der LED abgegeben. Wenn dies nicht der Fall ist, beispielsweise im Infrarotspektrum, dann werden Sie es nicht sehen. Dies kann jedoch immer noch nützlich sein, z. B. wenn Sie den Kanal Ihres Fernsehgeräts ändern können (Infrarot-LEDs werden normalerweise in der Fernbedienung Ihres Fernsehgeräts unter vielen anderen Stellen verwendet). Wenn Sie eine Taste auf der Fernbedienung drücken, wird das Licht nicht angezeigt, aber der Receiver an Ihrem Fernsehgerät kann es sehen und kann das, was er von der Infrarot-LED sieht, erkennen.

Bei LEDs hängt das erzeugte Licht von dem verwendeten Material und dem durchflossenen Strom ab. Das Licht in einer Standarddiode hat die Atome so angeordnet, dass der Elektronenabfall an Energie sehr kurz ist und somit die Frequenz des abgegebenen Lichts für unsere Augen nicht sichtbar ist, sondern eher im Infrarot. Einfach ausgedrückt, LEDs, bei denen das Licht sichtbar ist, bestehen aus Halbleitermaterialien, die einen größeren Abfall in der Umlaufbahn des Elektrons verursachen, so dass die Frequenz des Photonenpakets im menschlichen Sehspektrum liegt. Sie können sogar so ausgelegt werden, dass die Menge an Strom, die durch sie fließt, tatsächlich den Abfall verändert und Sie eine mehrfarbige LED haben können.

Bonus Fakten:

  • Dioden waren die ersten elektronischen Halbleitergeräte.
  • Die Entdeckung des p-n-Übergangs wird dem amerikanischen Physiker Russell Ohl von Bell Laboratories zugeschrieben.
  • Diese "p-n-Übergänge" sind nicht nur der Kern von Dioden, sondern sind auch die Bausteine ​​fast aller elektronischen Halbleiterbauelemente wie Transistoren, Solarzellen, integrierten Schaltkreisen usw.
  • Das Hinzufügen von Verunreinigungen zu einem Halbleiter wird als "Dotieren" bezeichnet.
  • LEDs sind viel effizienter als herkömmliche Glühlampen, da sie fast keine Wärme abgeben. Daher wird ein viel höherer Prozentsatz des Stromverbrauchs für die Erzeugung von Licht verwendet als für Glühlampen, bei denen ein guter Prozentsatz davon nur Wärme erzeugt.
  • Dieses Phänomen der Lichtabgabe durch Strom, der durch ein Gerät fließt, wird als "Elektrolumineszenz" bezeichnet. Dies unterscheidet sich von solchen Dingen wie Lichtemissionen aufgrund von Wärme, was Glühen genannt wird; oder Licht durch eine chemische Reaktion, die als Chemilumineszenz bezeichnet wird; unter anderen.
  • Elektrolumineszenz wurde 1907 von der in Großbritannien geborenen H.J. Round von Marconi Labs entdeckt.

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