مبدأ الإضاءة في مصابيح LED

الجميعمصباح العمل القابل لإعادة الشحن، مصباح تخييم محمولومصباح أمامي متعدد الوظائفاستخدم مصباح LED. لفهم مبدأ عمل الصمام الثنائي LED، يجب أولاً فهم المعرفة الأساسية لأشباه الموصلات. تقع الخصائص الموصلة لمواد أشباه الموصلات بين خصائص الموصلات والعوازل. ومن سماتها الفريدة: عند تعرض شبه الموصل للضوء الخارجي والحرارة، تتغير قدرته على التوصيل بشكل ملحوظ؛ كما أن إضافة كميات صغيرة من الشوائب إلى شبه موصل نقي تزيد بشكل كبير من قدرته على توصيل الكهرباء. يُعد السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge) من أكثر أشباه الموصلات استخدامًا في الإلكترونيات الحديثة، ويحتوي غلافهما الخارجي على أربعة إلكترونات. عندما تُشكّل ذرات السيليكون أو الجرمانيوم بلورة، تتفاعل الذرات المتجاورة مع بعضها البعض، بحيث تتشارك الذرتان الإلكترونات الخارجية، مما يُشكّل بنية الرابطة التساهمية في البلورة، وهي بنية جزيئية ذات قدرة تقييد منخفضة. عند درجة حرارة الغرفة (300 كلفن)، يؤدي التحفيز الحراري إلى حصول بعض الإلكترونات الخارجية على طاقة كافية للانفصال عن الرابطة التساهمية وتصبح إلكترونات حرة، وتُسمى هذه العملية بالتحفيز الذاتي. بعد تحرر الإلكترون ليصبح إلكترونًا حرًا، يتبقى فراغ في الرابطة التساهمية. يُسمى هذا الفراغ بالثقب. ويُعد ظهور الثقب سمةً مهمةً تميز أشباه الموصلات عن الموصلات.

عند إضافة كمية صغيرة من شوائب خماسية التكافؤ، مثل الفوسفور، إلى شبه موصل نقي، فإنه يكتسب إلكترونًا إضافيًا بعد تكوين رابطة تساهمية مع ذرات شبه موصل أخرى. يحتاج هذا الإلكترون الإضافي إلى طاقة ضئيلة جدًا للتخلص من الرابطة ويصبح إلكترونًا حرًا. يُسمى هذا النوع من أشباه الموصلات المشوب بشبه موصل إلكتروني (شبه موصل من النوع N). أما عند إضافة كمية صغيرة من شوائب عناصر ثلاثية التكافؤ (مثل البورون) إلى شبه موصل نقي، فإنه نظرًا لاحتوائه على ثلاثة إلكترونات فقط في الطبقة الخارجية، فإنه بعد تكوين رابطة تساهمية مع ذرات شبه الموصل المحيطة، يُحدث فراغًا في البلورة. يُسمى هذا النوع من أشباه الموصلات المشوب بشبه موصل ثقوب (شبه موصل من النوع P). عند دمج أشباه موصلات من النوع N والنوع P، يختلف تركيز الإلكترونات الحرة والثقوب عند نقطة الالتقاء. تنتشر الإلكترونات والفجوات باتجاه المناطق ذات التركيز المنخفض، تاركةً وراءها أيونات مشحونة ولكنها غير متحركة، مما يُخلّ بالتوازن الكهربائي الأصلي لمنطقتي النوع N والنوع P. تُعرف هذه الجسيمات المشحونة غير المتحركة عادةً باسم الشحنات الفضائية، وتتركز بالقرب من سطح التماس بين منطقتي N وP لتشكيل منطقة رقيقة جدًا من الشحنة الفضائية، تُعرف باسم وصلة PN.

عند تطبيق جهد انحياز أمامي على طرفي وصلة PN (جهد موجب على أحد طرفي النوع P)، تتحرك الفجوات والإلكترونات الحرة حول بعضها، مُولِّدةً مجالًا كهربائيًا داخليًا. ثم تتحد الفجوات المُحقونة 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 تتحدد ألوان مصابيح LED بالمواد الأساسية المُستخدمة.