مبدأ مضيئة من LED

الجميعضوء العمل القابل لإعادة الشحن, ضوء التخييم المحمولةوكشافات متعددة الوظائفاستخدم نوع لمبة LED. لفهم مبدأ الصمام الثنائي، يجب أولاً فهم المعرفة الأساسية لأشباه الموصلات. الخصائص الموصلة للمواد شبه الموصلة تقع بين الموصلات والعوازل. ميزاته الفريدة هي: عندما يتم تحفيز أشباه الموصلات بواسطة الضوء الخارجي وظروف الحرارة، فإن قدرته على التوصيل ستتغير بشكل كبير؛ إن إضافة كميات صغيرة من الشوائب إلى أشباه الموصلات النقية يزيد بشكل كبير من قدرتها على توصيل الكهرباء. يعد السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge) أكثر أشباه الموصلات استخدامًا في الإلكترونيات الحديثة، ويبلغ عدد إلكتروناتها الخارجية أربعة. عندما تشكل ذرات السيليكون أو الجرمانيوم بلورة، تتفاعل الذرات المجاورة مع بعضها البعض، بحيث تصبح الإلكترونات الخارجية مشتركة بين الذرتين، مما يشكل بنية الرابطة التساهمية في البلورة، وهي بنية جزيئية ذات قدرة تقييدية قليلة. عند درجة حرارة الغرفة (300 كلفن)، فإن الإثارة الحرارية ستجعل بعض الإلكترونات الخارجية تحصل على طاقة كافية للانفصال عن الرابطة التساهمية وتصبح إلكترونات حرة، وتسمى هذه العملية بالإثارة الجوهرية. بعد أن يتم تحرير الإلكترون ليصبح إلكترونًا حرًا، يتبقى مكان شاغر في الرابطة التساهمية. هذا الشاغر يسمى حفرة. يعد ظهور الثقب سمة مهمة تميز أشباه الموصلات عن الموصل.

عند إضافة كمية صغيرة من الشوائب الخماسية التكافؤ مثل الفوسفور إلى شبه الموصل الجوهري، فإنه سيحتوي على إلكترون إضافي بعد تكوين رابطة تساهمية مع ذرات أشباه الموصلات الأخرى. يحتاج هذا الإلكترون الإضافي إلى طاقة صغيرة جدًا فقط للتخلص من الرابطة ويصبح إلكترونًا حرًا. ويسمى هذا النوع من أشباه الموصلات الشوائب أشباه الموصلات الإلكترونية (أشباه الموصلات من النوع N). ومع ذلك، فإن إضافة كمية صغيرة من الشوائب العنصرية ثلاثية التكافؤ (مثل البورون وما إلى ذلك) إلى شبه الموصل الجوهري، لأنه يحتوي على ثلاثة إلكترونات فقط في الطبقة الخارجية، بعد تكوين رابطة تساهمية مع ذرات أشباه الموصلات المحيطة، سيؤدي إلى خلق فراغ في الكريستال. يُسمى هذا النوع من أشباه الموصلات الملوثة بأشباه الموصلات ذات الثقب (أشباه الموصلات من النوع P). عندما يتم الجمع بين أشباه الموصلات من النوع N والنوع P، يكون هناك اختلاف في تركيز الإلكترونات الحرة والثقوب عند تقاطعها. تنتشر كل من الإلكترونات والثقوب نحو التركيز الأقل، تاركة وراءها أيونات مشحونة ولكن غير متحركة تدمر الحياد الكهربائي الأصلي للمناطق من النوع N والنوع P. غالبًا ما تسمى هذه الجسيمات المشحونة غير المتحركة بالشحنات الفضائية، وتتركز بالقرب من السطح البيني للمنطقتين N وP لتشكل منطقة رقيقة جدًا من الشحنة الفضائية، والتي تُعرف باسم تقاطع PN.

عندما يتم تطبيق جهد انحياز أمامي على طرفي الوصلة PN (جهد إيجابي على جانب واحد من النوع P)، تتحرك الثقوب والإلكترونات الحرة حول بعضها البعض، مما يخلق مجالًا كهربائيًا داخليًا. ثم تتحد الثقوب المحقونة حديثًا مع الإلكترونات الحرة، مما يؤدي في بعض الأحيان إلى إطلاق طاقة زائدة على شكل فوتونات، وهو الضوء الذي نراه منبعثًا من مصابيح LED. مثل هذا الطيف ضيق نسبيًا، وبما أن كل مادة لها فجوة نطاق مختلفة، فإن الأطوال الموجية للفوتونات المنبعثة مختلفة، لذلك يتم تحديد ألوان المصابيح حسب المواد الأساسية المستخدمة.