Was ist eine Leuchtdiode: Funktionsweise und ihre Anwendungen

Im Bereich der modernen Technologie hat eine kleine, aber bemerkenswerte Innovation unsere Welt erleuchtet – die Leuchtdiode (LED). Diese winzige Halbleiterlichtquelle, geboren aus dem kreativen Genie von Nick Holonyak im Jahr 1962 eine Revolution in den Bereichen Beleuchtung und Displays herbeigeführt hat. Begeben wir uns auf eine Reise, um die bezaubernde Funktionsweise von LEDs zu entschlüsseln und ihre vielfältigen Anwendungen zu erkunden.

 

Was ist eine Leuchtdiode?

 

Die lichtemittierende Diode, bekannt als LED, ist im Wesentlichen eine pn-Übergangsdiode mit spezieller Dotierung, die aus einzigartigen Halbleitermaterialien hergestellt wird. Im vorwärtsgerichteten Zustand strahlt sie Licht aus und ist daher eine Leuchtdiode.

 

LED-Symbol

 

Das LED-Symbol ähnelt einem Standarddiodensymbol mit einigen einzigartigen Modifikationen. Das besondere Merkmal ist die Hinzufügung zweier kleiner Pfeile, die von der Verbindungsstelle der Diode weg zeigen und die Emission von Licht anzeigen. Diese Modifikation bedeutet, dass die LED in der Lage ist, Licht zu emittieren, wenn sie in Vorwärtsrichtung betrieben wird, ein grundlegender Aspekt, der sie von herkömmlichen Dioden unterscheidet. Zusätzlich zum geänderten Symbol enthält das

 

Das LED-Symbol enthält auch Beschriftungen für seine beiden Anschlüsse: die Anode (+) und die Kathode (-). Diese Etiketten helfen Ingenieuren und Technikern dabei, die Ausrichtung der LED beim Einbau in Schaltkreise korrekt zu erkennen.

 

 

Aufbau von LED

 

Substratschicht: Das Fundament der LED ist ein Substrat, das typischerweise aus Materialien wie Saphir oder Siliziumkarbid besteht. Diese Schicht sorgt für mechanische Unterstützung und Wärmemanagement und gewährleistet so die Stabilität der LED und eine effiziente Wärmeableitung.

 

N-Typ-Schicht: Über dem Substrat wird eine dünne Schicht aus Halbleitermaterial vom N-Typ abgeschieden. Diese Schicht ist reich an freien Elektronen, die als Ladungsträger fungieren. Zu diesem Zweck werden üblicherweise Materialien wie Galliumnitrid (GaN) verwendet.

 

Aktive Ebene: Über der N-Typ-Schicht liegt die aktive Schicht, die eine entscheidende Rolle bei der Lichtemission der LED spielt. Diese Schicht besteht häufig aus mehreren Quantentöpfen, extrem dünnen Schichten, die die Rekombination von Elektronen und Löchern (positiv geladene Lücken, die bei der Bewegung von Elektronen zurückbleiben) erleichtern – ein Prozess, der Lichtphotonen erzeugt.

 

P-Typ-Schicht: Auf die aktive Schicht folgt die Schicht vom P-Typ, die aus Halbleitermaterialien mit einem Überschuss an „Löchern“ oder positiv geladenen Leerstellen besteht, zu denen sich Elektronen bewegen können. Diese Schicht erleichtert die Migration von Löchern, was zum Rekombinationsprozess beiträgt.

 

Kontaktebenen: Metallische Kontaktschichten werden den N-Typ- und P-Typ-Bereichen hinzugefügt und dienen als Anschlüsse, durch die elektrischer Strom in die LED eingespeist wird. Diese Schichten ermöglichen den kontrollierten Fluss von Ladungsträgern und schaffen so die Voraussetzungen für die Lichtemission.

 

Kapselung: Um die empfindlichen Schichten vor Umwelteinflüssen zu schützen und die Lichtausbeute zu verbessern, wird die LED häufig in ein klares Epoxidharz oder ein transparentes Material eingekapselt.

 

Wie funktioniert die Leuchtdiode?

 

Wenn eine Spannung an die LED-Anschlüsse angelegt wird – wobei die Anode mit dem P-Typ-Bereich und die Kathode mit dem N-Typ-Bereich verbunden ist – entsteht eine Vorwärtsvorspannung. Diese Vorspannung ermöglicht den Fluss von Elektronen aus der N-Typ-Region und Löchern aus der P-Typ-Region in die aktive Schicht, wodurch eine Rekombinationszone entsteht. Wenn Elektronen und Löcher in dieser Region rekombinieren, wird Energie in Form von Photonen freigesetzt, die sichtbares Licht erzeugen. 

 

Funktionsprinzip von LED

Die Funktionsweise der Leuchtdiode (LED) wurzelt in den Prinzipien der Quantentheorie. Nach dieser Theorie emittiert ein Elektron Energie in Form eines Photons, wenn es von einem Zustand höherer Energie in einen Zustand niedrigerer Energie übergeht. Die Energie dieses Photons ist genau auf die Energielücke zwischen diesen beiden Energieniveaus abgestimmt. In Szenarien, in denen eine PN-Übergangsdiode in Durchlassrichtung vorgespannt ist, was eine bevorzugte Richtung des Stromflusses ermöglicht, wird ein elektrischer Strom über die Diode ermöglicht.

 

Grundlegender halbleitender Stromfluss

 

Der Stromfluss innerhalb von Halbleitern ist eng mit der Bewegung von Ladungsträgern, insbesondere Elektronen und Löchern, verknüpft. Diese Einheiten bewegen sich in Bezug auf den aktuellen Fluss in entgegengesetzte Richtungen. Folglich entsteht als Folge der Wechselwirkungen dieser Ladungsträger ein Phänomen namens Rekombination.

 

Dieser Rekombinationsprozess bedeutet den Übergang von Elektronen innerhalb des Leitungsbandes in das Valenzband. Während dieses Übergangs, wenn Elektronen von einem Band zum anderen springen, strahlen sie elektromagnetische Energie in Form von Photonen ab. Das Energieniveau dieser Photonen richtet sich nach der verbotenen Energielücke, die dem Material innewohnt.

 

Ein Quanteneinblick

 

Lassen Sie uns zur Veranschaulichung tiefer in den Bereich der Quantentheorie eintauchen. Die von einem Photon getragene Energie ist eine Funktion der Planck-Konstante (h) und der Frequenz (f) der elektromagnetischen Strahlung. Mathematisch wird diese Beziehung ausgedrückt als:

 

Gleichung: E ​​= hf

 

Hier stellt h die Planck-Konstante dar, während c die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Strahlung symbolisiert, was der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Die Frequenz der Strahlung (f) und die Lichtgeschwindigkeit (c) hängen durch die Gleichung f = c / λ zusammen, wobei λ die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung bezeichnet. Das Einsetzen dieser Beziehungen in die Gleichung führt zu:

 

Gleichung: E ​​= hc / λ

 

Diese Gleichung unterstreicht die umgekehrte Proportionalität zwischen der Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung und der verbotenen Energielücke. Besonders ausgeprägt ist dieses Phänomen bei Materialien wie Silizium- und Germanium-Halbleitern, wo die verbotene Lücke zwischen Leitungs- und Valenzband Strahlung hauptsächlich in Form von Infrarotwellen erzeugt. Bemerkenswerterweise liegen die Wellenlängen der Infrarotstrahlung außerhalb des sichtbaren Spektrums und bleiben daher für die menschliche Wahrnehmung unsichtbar.

 

Anwendungen von Leuchtdioden (LEDs)

 

1. LEDs werden als Glühbirnen in Wohn- und Industrieumgebungen eingesetzt.
2. Leuchtdioden werden in Motorrädern und Automobilen integriert.
3. LEDs werden in Mobiltelefonen zur Anzeige von Nachrichten eingesetzt.
4. LED-Technologie wird für Verkehrssignalanlagen genutzt.

 

Fazit

 

Daher gibt dieser Artikel einen Überblick über die LED Funktionsprinzip und Anwendung der Schaltung. Ich hoffe, dass Sie durch die Lektüre dieses Artikels einige grundlegende und praktische Informationen über die Leuchtdiode erhalten haben. Wenn Sie eine LED-Leuchte kaufen möchten, könnten Sie eine Chance gebenInfraluminium.