مبدأ الإضاءة في LED

الجميعمصباح العمل القابل لإعادة الشحن، مصباح تخييم محمولومصباح أمامي متعدد الوظائفاستخدم نوع مصباح LED. لفهم مبدأ الصمام الثنائي، يجب أولاً فهم المعرفة الأساسية لأشباه الموصلات. تقع الخصائص الموصلة لمواد أشباه الموصلات بين الموصلات والعوازل. ومن ميزاتها الفريدة: عندما يتم تحفيز شبه الموصل بظروف الضوء والحرارة الخارجية، ستتغير قدرته على التوصيل بشكل كبير؛ إضافة كميات صغيرة من الشوائب إلى شبه موصل نقي يزيد بشكل كبير من قدرته على توصيل الكهرباء. يُعد السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge) أشباه الموصلات الأكثر استخدامًا في الإلكترونيات الحديثة، ويبلغ عدد إلكتروناتها الخارجية أربعة. عندما تشكل ذرات السيليكون أو الجرمانيوم بلورة، تتفاعل الذرات المجاورة مع بعضها البعض، بحيث تتشارك الذرتان الإلكترونات الخارجية، مما يشكل بنية الرابطة التساهمية في البلورة، وهي بنية جزيئية ذات قدرة تقييدية قليلة. عند درجة حرارة الغرفة (300 كلفن)، تُمكّن الإثارة الحرارية بعض الإلكترونات الخارجية من الحصول على طاقة كافية لانفصالها عن الرابطة التساهمية وتكوين إلكترونات حرة، وتُسمى هذه العملية بالإثارة الذاتية. بعد أن يُصبح الإلكترون حرًا، يتبقى فراغ في الرابطة التساهمية، يُسمى هذا الفراغ "ثقبًا". يُعدّ ظهور الثقب سمة مهمة تُميّز أشباه الموصلات عن الموصلات.

عند إضافة كمية صغيرة من شوائب خماسية التكافؤ مثل الفوسفور إلى شبه الموصل الداخلي، سيكون لديه إلكترون إضافي بعد تكوين رابطة تساهمية مع ذرات أشباه الموصلات الأخرى. يحتاج هذا الإلكترون الإضافي إلى طاقة صغيرة جدًا للتخلص من الرابطة ويصبح إلكترونًا حرًا. يُطلق على هذا النوع من أشباه الموصلات الشوائبية اسم أشباه الموصلات الإلكترونية (شبه موصل من النوع N). ومع ذلك، فإن إضافة كمية صغيرة من الشوائب العنصرية ثلاثية التكافؤ (مثل البورون، إلخ) إلى شبه الموصل الداخلي، نظرًا لاحتوائه على ثلاثة إلكترونات فقط في الطبقة الخارجية، بعد تكوين رابطة تساهمية مع ذرات أشباه الموصلات المحيطة، سيؤدي إلى إنشاء فراغ في البلورة. يُطلق على هذا النوع من أشباه الموصلات الشوائب اسم أشباه الموصلات ذات الثقوب (شبه موصل من النوع P). عند دمج أشباه الموصلات من النوع N والنوع P، يكون هناك اختلاف في تركيز الإلكترونات الحرة والثقوب عند تقاطعها. تنتشر الإلكترونات والفجوات نحو التركيز المنخفض، تاركةً وراءها أيونات مشحونة ولكنها ثابتة تُدمر الحياد الكهربائي الأصلي لمنطقتي N وP. غالبًا ما تُسمى هذه الجسيمات المشحونة الثابتة بالشحنات الفراغية، وتتركز بالقرب من السطح الفاصل بين منطقتي N وP لتشكل منطقة رقيقة جدًا من الشحنة الفراغية، تُعرف باسم الوصلة PN.

عند تطبيق جهد انحياز أمامي على طرفي الوصلة PN (جهد موجب على أحد جانبي الوصلة P)، تتحرك الفجوات والإلكترونات الحرة حول بعضها البعض، مما يُنشئ مجالًا كهربائيًا داخليًا. ثم تتحد الفجوات المحقونة حديثًا مع الإلكترونات الحرة، مُطلقةً أحيانًا طاقة زائدة على شكل فوتونات، وهو الضوء الذي نراه ينبعث من مصابيح LED. هذا الطيف ضيق نسبيًا، ولأن لكل مادة فجوة نطاق مختلفة، فإن أطوال موجات الفوتونات المنبعثة تختلف، وبالتالي تُحدد ألوان مصابيح LED بناءً على المواد الأساسية المستخدمة.