LED (lysdioder)

Virkemåde

En lysdiode er en elektronisk komponent, der i sig selv udsender lys, når der sendes en strøm igennem dem.

Lysdioder tilhører den gruppe af elektronikkomponenter, som kaldes dioder (eller halvledere) og er karakteriseret ved kun at kunne lede strøm i den ene retning. Dioder er en mellemting mellem isolatorer og gode elektriske ledere som f.eks. kobber. Byggestenene i en halvleder har en fuldkommen præcis og regelmæssig struktur. Materialet kan betegnes som en krystal.

Lysdioder består af to materialer med henholdsvis højt og lavt indhold af elektroner. Det betyder, at den ene ende af dioden har et højt indhold af elektroner (n-type), mens den anden ende af dioden har et lavt indhold af elektroner (p-type). 

Farven afhænger af materialet
Det udsendte lys fra LED-chippen er altid ensfarvet. LED'ens lysfarve afhænger af de materialer, LED'en består af. Der bruges i øjeblikket to materialegrupper. Den ene gruppe består af AlGaInP (aluminium-gallium-indium-fosfid) og den anden består af InGaN (indium-gallium-nitrid). Førstnævnte bruges til at frembringe røde og orange farver, mens sidstnævnte bruges til at frembringe blå og grønne farver. Den lysende krystalstruktur betegnes ofte die eller chip.

Hvide LED'er består af en kraftig blå LED, der lyser gennem et tyndt, fosforescerende lag. Dette lag konverterer en del af det blå lys til de øvrige bølgelængder, og derved bringesLED'en til at udsende hvidt lys. Et forholdsvist enkelt LED-halvledermateriale kan sammensættes af gallium og fosfor. Gallium har tre elektroner i den yderste elektronskal (gruppe III i det periodiske system).  Fosfor har fem elektroner i den yderste elektronskal (gruppe V i det periodiske system). Tilsammen danner materialerne en stabil og regelmæssig krystallinsk struktur med 8 elektroner i hver af de yderste elektronskaller. 

 

kl-60-10-10-sh-led-materialegrupper-low.jpg

Grundstoffer fra III. og V. hovedgruppe i det periodiske system indgår i en LED's krystalstruktur - her gallium, indium og fosfor.

 

Overskydende elektroner
Det frembragte materiale er transparent, men kan endnu ikke lede strøm, fordi alle elektronerne er bundet på faste pladser.  Materialet tilsættes derfor elektroner. Dette sker ved at udskifte nogle af fosforatomerne (med fem elektroner i den yderste skal) med tellurium, som har seks elektroner i den yderste skal. Der bliver derved en elektron til overs, som frit kan bevæge sig i materialet, der nu er blevet et n-type materiale. Lysudsendelse fordrer dog, at elektronerne kan afgive deres energi ved at gå til en lavere energitilstand. Dette kan ske, hvis elektronerne falder på plads i et ledigt hul i krystalmaterialet. Disse huller frembringes ved at udskifte nogle af galliumatomerne (med tre elektroner i yderste skal) med zink (med to elektroner i yderste skal). Derved opstår "huller" i krystalstrukturen, hvor der mangler en elektron. Manglende elektroner svarer til frie positive ladninger, og således frembringes et p-type materiale.

Sammensætning af et n-type materiale og et p-type materiale vil resultere i en elektrisk barriere, der forhindrer elektronerne i at falde ned i hullerne. Barrieren ophæves ved at påtrykke en spænding hen over sammensætningen af de to typer materialer. Denne spænding benævnes tærskelspændingen. Elektronerne vil nu henfalde i hullerne og således udsende lys. En øget elektrisk strøm vil øge mængden af udsendt lys. Man siger, at elektroner og huller injiceres direkte mod hinanden og betegner derfor en LED som en injektions-elektroluminescent lyskilde. Det er ikke alle elektroner, som omsættes til lys, hvilket bl.a. skyldes krystaldefekter i lysdioden. Nogle elektroner rammer ved siden af hullerne, mens andre "siver" forbi hullerne. Den energi, der opstår, når en elektron rammer et hul, kan afsættes som ekstra energi til en anden elektron.  Det sker i den såkaldte Auger proces.

 

kl-60-10-20-dcl-ledlab2-p-n-overgang-high.jpg

Lysudsendelsen i en LED sker i overgangen mellem to materialer med hhv. overskud og underskud af elektroner. Når der løber en strøm i dioden 'falder' de overskydende elektroner (grønt område) ned i de 'huller', hvor der mangler elektroner (blåt område), hvorved der udsendes lys. De fleste elektroner rammer dog ikke hullerne og genererer i stedet blot varme. 

 

Relaterede emner: