เหตุใดไฟ LED จึงเปล่งแสง?

ไดโอดเป็นหนึ่งในอุปกรณ์ทั่วไปในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์. เซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่ทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีการเจือ (อะตอมและสารอื่นๆ). วัสดุตัวนำของ LED มักเป็นแกลเลียมอลูมิเนียมอาร์เซไนด์. ในแกลเลียมอลูมิเนียมอาร์เซไนด์บริสุทธิ์, อะตอมทั้งหมดมีพันธะอย่างสมบูรณ์กับเพื่อนบ้าน, โดยไม่ปล่อยอิเล็กตรอนอิสระมาเชื่อมกระแส.

ในไดโอดเปล่งแสง, เช่นที่ใช้ในนาฬิกาดิจิตอล, ขนาดของช่องว่างจะกำหนดความถี่ของโฟตอน, กล่าวอีกนัยหนึ่ง, สีของแสง. ในขณะที่ไดโอดทั้งหมดเปล่งแสง, ส่วนใหญ่ไม่ค่อยมีประสิทธิภาพมากนัก. ในไดโอดธรรมดา, วัสดุเซมิคอนดักเตอร์นั้นดูดซับพลังงานแสงจำนวนมากและจบลงในที่สุด. หลอด LED หุ้มด้วยหลอดพลาสติกเพื่อเน้นแสงไปในทิศทางเฉพาะ.

รูปแบบของแสงที่อะตอมสามารถปล่อยออกมาได้. ประกอบด้วยกลุ่มอนุภาคเล็กๆ จำนวนมากที่มีพลังงานและโมเมนตัม แต่ไม่มีมวล. อนุภาคเหล่านี้เรียกว่าโฟตอน, ซึ่งเป็นหน่วยแสงพื้นฐานที่สุด. โฟตอนถูกปล่อยออกมาเนื่องจากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบๆ. ในอะตอม, อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในวงโคจรรอบอะตอม. อิเล็กตรอนในวงโคจรต่างกันมีพลังงานต่างกัน. Generally speaking, อิเล็กตรอนที่มีพลังงานมากกว่าจะเคลื่อนที่ไปในวงโคจรที่อยู่ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้น. เมื่ออิเล็กตรอนกระโดดจากวงโคจรล่างขึ้นสู่วงโคจรสูง, ระดับพลังงานเพิ่มขึ้น, และในทางกลับกัน, เมื่อมันตกจากฟังก์ชันออร์บิทัลที่สูงกว่าไปยังฟังก์ชันออร์บิทัลที่ต่ำกว่า, อิเล็กตรอนจะปล่อยพลังงานออกมา. พลังงานถูกปล่อยออกมาในรูปของโฟตอน. หยดพลังงานที่สูงขึ้นจะปล่อยโฟตอนพลังงานที่สูงขึ้น, ซึ่งมีความถี่สูงเป็นพิเศษ.

อิเล็กตรอนอิสระตกลงจากชั้น P-type ผ่านไดโอดเข้าไปในรูอิเล็กตรอนว่าง. สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการตกจากแถบการนำไฟฟ้าไปยังฟังก์ชันออร์บิทัลส่วนล่าง, ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงปล่อยพลังงานออกมาในรูปของโฟตอน. สิ่งนี้เกิดขึ้นในไดโอดใดๆ, คุณเพียงแค่เห็นโฟตอนเมื่อไดโอดทำจากวัสดุบางชนิด. ในไดโอดซิลิคอนมาตรฐาน, ตัวอย่างเช่น, อะตอมจะถูกจัดเรียงในลักษณะที่เมื่ออิเล็กตรอนตกลงไปในระยะทางที่ค่อนข้างสั้น, อะตอมถูกจัดเรียงในลักษณะที่ตามนุษย์ไม่สามารถมองเห็นได้เนื่องจากความถี่ของอิเล็กตรอนต่ำมาก.

LED มีข้อดีมากกว่าหลอดไส้แบบเดิมหลายประการ. ประการแรกคือ LED ไม่มีไส้หลอดที่จะเผาไหม้, ดังนั้นมันจึงอยู่ได้นานกว่า. นอกจากนี้, หลอดพลาสติกขนาดเล็กของ LED ทำให้ LED ทนทานมากขึ้น. นอกจากนี้ยังสามารถติดตั้งเข้ากับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบันได้ง่ายขึ้นอีกด้วย. กระบวนการเปล่งแสงในหลอดไส้แบบดั้งเดิมเกี่ยวข้องกับการสร้างความร้อนจำนวนมาก.

นี่เป็นการสิ้นเปลืองพลังงานโดยสิ้นเชิง. เว้นแต่คุณจะใช้ไฟเป็นเครื่องทำความร้อน, กระแสไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพส่วนใหญ่ไม่เข้าสู่แสงที่มองเห็นโดยตรง. ไฟ LED ปล่อยความร้อนน้อยมาก, พูดค่อนข้างมาก, ยิ่งกระแสไฟฟ้าเข้าสู่แสงโดยตรงมากขึ้นเท่านั้น, ต้องการพลังงานน้อยลง.

สำหรับไฟ LED ที่มองเห็นได้, เช่นที่ใช้ในนาฬิกาดิจิตอล, ขนาดของช่องว่างจะกำหนดความถี่ของโฟตอน, หรือกล่าวอีกนัยหนึ่ง, สีของแสง. ในขณะที่ไดโอดทั้งหมดเปล่งแสง, ส่วนใหญ่ไม่ค่อยมีประสิทธิภาพมากนัก. ในไดโอดธรรมดา, วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ดูดซับพลังงานแสงได้มากและจบลงในที่สุด. ไฟ LED ถูกปกคลุมด้วยหลอดพลาสติกที่เน้นแสงไปในทิศทางเฉพาะ.

LED มีข้อดีมากกว่าหลอดไส้แบบเดิมหลายประการ. ประการแรกคือ LED ไม่มีไส้หลอดที่จะเผาไหม้, ดังนั้นมันจึงอยู่ได้นานกว่า. นอกจากนี้, หลอด LED พลาสติกขนาดเล็กทำให้มีความทนทานมากขึ้น. นอกจากนี้ยังสามารถติดตั้งเข้ากับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ปัจจุบันได้ง่ายขึ้น. กระบวนการเปล่งแสงของหลอดไส้แบบดั้งเดิมเกี่ยวข้องกับการสร้างความร้อนจำนวนมาก. นี่เป็นการสิ้นเปลืองพลังงานโดยสิ้นเชิง. เว้นแต่คุณจะใช้ไฟเป็นเครื่องทำความร้อน, กระแสไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพส่วนใหญ่ไม่เข้าสู่แสงที่มองเห็นโดยตรง. ไฟ LED ปล่อยความร้อนน้อยมาก, และค่อนข้างพูด, ยิ่งใช้ไฟฟ้าโดยตรงเพื่อแสงสว่างมากขึ้นเท่านั้น, ต้องการพลังงานน้อยลง.

จนถึงตอนนี้, LED มีราคาแพงเกินไปสำหรับการใช้งานระบบแสงสว่างส่วนใหญ่ เนื่องจากทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูง. ราคาอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ลดลงอย่างมากในอดีต 10 ปี, อย่างไรก็ตาม, ทำให้ LED เป็นตัวเลือกระบบแสงสว่างที่คุ้มต้นทุนมากขึ้นสำหรับการใช้งานที่หลากหลายยิ่งขึ้น. ในอนาคตอันใกล้นี้, ไฟ LED จะมีบทบาทมากขึ้นในเทคโนโลยีโลก.

ไดโอดเปล่งแสง (LED) เป็นไดโอดแยก PN แบบเอนเอียงไปข้างหน้าที่ทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์. กลไกการเปล่งแสงของมันคือเมื่อมีการฉีดกระแสไปข้างหน้าที่ปลายทั้งสองของทางแยก PN, ผู้ให้บริการที่ไม่สมดุลที่ถูกฉีดเข้าไป (คู่หลุมอิเล็กตรอน) รวมตัวกันใหม่และเปล่งแสงในระหว่างกระบวนการแพร่. กระบวนการเปล่งแสงนี้ส่วนใหญ่สอดคล้องกับกระบวนการเปล่งแสงที่เกิดขึ้นเอง. ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของแสงที่ส่งออก, ไฟ LED สามารถแบ่งออกเป็นประเภทการปล่อยพื้นผิวและประเภทการปล่อยขอบ. LED ที่ใช้กันมากที่สุดคือไดโอดเปล่งแสงขอบเฮเทอโรอิงค์คู่ InGaAsP/InP.

หลักการเปล่งแสงของ LED สามารถอธิบายได้ด้วยโครงสร้างแถบความถี่ของจุดเชื่อมต่อ PN. วัสดุที่ใช้ทำไดโอดเปล่งแสงเซมิคอนดักเตอร์มีการเจืออย่างหนัก. ในสภาวะสมดุลความร้อน, มีอิเล็กตรอนจำนวนมากที่มีความคล่องตัวสูงในบริเวณ N, และมีหลุมที่มีความคล่องตัวต่ำมากขึ้นในภูมิภาค P. เนื่องจากข้อจำกัดของชั้นกั้นทางแยก PN, ทั้งสองไม่สามารถรวมตัวกันอีกครั้งตามธรรมชาติภายใต้สภาวะปกติ. เมื่อแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าถูกจ่ายไปที่จุดเชื่อมต่อ PN, อิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้าของบริเวณร่องสามารถหลุดออกจากสิ่งกีดขวางของจุดเชื่อมต่อ PN และเข้าสู่บริเวณ P ได้. ดังนั้น, เมื่ออิเล็กตรอนที่อยู่ในสถานะพลังงานสูงมาบรรจบกับรูในบริเวณรอยต่อ PN ไปทางด้านข้างของบริเวณ P เล็กน้อย, การรวมตัวกันของแสงเรืองแสงเกิดขึ้นอีกครั้ง. แสงที่ปล่อยออกมาจากการรวมตัวกันของการเรืองแสงนี้เป็นของการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเอง, และความยาวคลื่นของแสงที่แผ่ออกมาจะถูกกำหนดโดยความกว้างของแถบความถี่ เช่น ของวัสดุ.

ไดโอดเปล่งแสงมีข้อได้เปรียบที่สำคัญ เช่น ความน่าเชื่อถือสูง, เวลาทำงานต่อเนื่องยาวนานที่อุณหภูมิห้อง, และความเป็นเส้นตรงของกระแสพลังงานแสงที่ดี. นอกจากนี้, เนื่องจากเทคโนโลยีนี้ได้รับการพัฒนามาจนถึงระดับที่ค่อนข้างสมบูรณ์แล้ว, ราคามันถูกมาก. ดังนั้น, ในการออกแบบเซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงแบบธรรมดาบางตัว, ถ้า LED มีความสามารถ, การเลือกให้เป็นแหล่งกำเนิดแสงสามารถลดต้นทุนของเซ็นเซอร์ทั้งหมดได้อย่างมาก. อย่างไรก็ตาม, กลไกการเรืองแสงของ LED กำหนดว่ามีข้อบกพร่องหลายประการ, เช่น กำลังขับต่ำ, มุมการปล่อยก๊าซขนาดใหญ่, ความกว้างของเส้นสเปกตรัม, และความเร็วในการตอบสนองต่ำ. ดังนั้น, ในการออกแบบเซ็นเซอร์บางตัวที่ต้องการพลังงานสูง, อัตราการมอดูเลตที่รวดเร็ว, และมีสีเดียวที่ดี, ต้องเลือกแหล่งกำเนิดแสงที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าอื่นๆ โดยต้นทุนที่เพิ่มขึ้น.

เนื่องจากความกว้างของ bandgap ที่แตกต่างกันของวัสดุที่แตกต่างกัน, ไดโอดเปล่งแสงที่ทำจากวัสดุต่างกันสามารถปล่อยแสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันได้. นอกจากนี้, วัสดุบางชนิดมีส่วนประกอบและการเติมที่แตกต่างกัน, ตัวอย่างเช่น, บางส่วนมีโครงสร้างวงดนตรีที่ซับซ้อนมาก, และการแผ่รังสีทรานซิชันทางอ้อมที่สอดคล้องกัน, ฯลฯ, จึงมีไดโอดเปล่งแสงต่างๆ.