Βασικές αρχές και χαρακτηριστικά των led

Τα LED είναι δίοδοι ημιαγωγοί οι οποίοι όταν δεχτούν μια τάση φωτοβολούν, πιο συγκεκριμένα φωτοβολεί η ένωση ΡΝ. Η λειτουργία τους στηρίζεται στο φαινόμενο LASER και σαν ημιαγωγά υλικά χρησιμοποιούνται οι ενώσεις GaAs, InSb, PbTe, PbS κλπ. Υψηλής φωτεινότητας πηγές στην περιοχή του ορατού δίνουν οι ενώσεις GaAs1-xPx (κόκκινο), InGa1-xPx (κόκκινο), GaΡ(κόκκινο, κίτρινο, πράσινο) και GaN (μπλε, πράσινο, κίτρινο).




Φαινόμενο LASER

Αν ένα άτομο δεχτεί ενέργεια, είτε με μορφή ακτινοβολίας ή με οποιοδήποτε άλλο τρόπο, τότε είναι δυνατό, ηλεκτρόνιο του ατόμου να πάρει ενέργεια και να μεταπηδήσει σε μεγαλύτερη στάθμη ενέργειας, Επειδή το ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να καθίσει στην νέα του θέση επανέρχεται στην προηγούμενη και αποβάλει το περίσσευμα της ενέργειάς του με την μορφή ενός φωτονίου δηλαδή με ακτινοβολία. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται διέγερση του ατόμου.

Όταν κατορθώσουμε να κάνουμε την διέγερση αυτή εξαναγκασμένη τότε έχουμε ενίσχυση της ακτινοβολίας δηλαδή έχουμε το φαινόμενο LASER (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation, ενίσχυση φωτός με εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας).







Βασικές αρχές των LED

Αν πάρουμε μια ένωση ΡΝ και εφαρμόσουμε στα όριά της μια τάση τότε τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από τον Ν κρύσταλλο στον Ρ με μια αυξημένη ενέργεια. Ταυτόχρονα οπές από τον κρύσταλλο Ρ μεταφέρονται στον Ν. Οι φορείς αυτοί φτάνοντας στους άλλους κρυστάλλους επανασυνδέονται αφήνοντας το περίσσευμα της ενέργειας που έχουν με την μορφή φωτονίων. Η ακτινοβολία αυτή και μάλιστα το μήκος κύματος τους, εξαρτάται από το είδος του κρυστάλλου και την κατασκευή της ένωσης ΡΝ.

Η επανασύνδεση των φορέων γίνεται μεταξύ της ζώνης σθένους και της ζώνης αγωγιμότητας. Έτσι λοιπόν η ένωση ΡΝ εκπέμπει ακτινοβολία μετά από κατάλληλη πόλωση. Μια συνεχής ακτινοβολία θα προκύψει μετά από πόλωση που θα δίνει κατάλληλη ενέργεια διέγερσης και επανασύνδεσης. Η κβαντική άντληση, δηλαδή η διαρκής επαναφοραψά των αποδιεγερμένων ηλεκτρονίων στην ζώνη αγωγιμότητας της ένωσης ΡΝ γίνεται από την πηγή πόλωσης της διόδου. Η τάση αυτή είναι μεγαλύτερη από την τάση της ζώνης φραγμού. Έτσι λοιπόν τροφοδοτείται με ηλεκτρόνια η ζώνη αγωγιμότητας και συνεχώς αναπληρώνονται οι απώλειες των ηλεκτρονίων, λόγω των ακτινοβολητικών πτώσεων, συντηρουμένης έτσι της απαιτούμενης μεταφοράς των φορτίων.

Χαρακτηριστικά των LED

Κάθε LED χαρακτηρίζεται από τα ακόλουθα στοιχεία:

1). Το πρώτο χαρακτηριστικό είναι το χρώμα. Τα LED φωτοβολούν σε κόκκινο, πράσινο, πορτοκαλί, κίτρινο, μπλε, υπέρυθρο και υπεριώδες. Κάθε κατασκευαστής δίνει το χρώμα και το μήκος κύματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας.

2). Το ηλεκτρικό χαρακτηριστικό. Πιο συγκεκριμένα αναφέρονται η τάση πόλωσης και το ρεύμα της ένωσης ΡΝ. Η τάση κυμαίνεται από 1.5 μέχρι 3V και το ρεύμα γύρω στα 20mA, μεγέθη όμως που εξαρτώνται από τον τύπο και το χρώμα της LED. Επίσης πρέπει να λαμβάνονται υπόψη η ανάστροφη τάση που αντέχει η LED. Αν η τάση αυτή ξεπεραστεί, που συνήθως είναι γύρω στα 3 με 11V, η δίοδος καταστρέφεται.

3). Η θερμοκρασία. Πιο συγκεκριμένα τα όρια λειτουργίας και η θερμοκρασία κατά την κόλληση της LED στο κύκλωμα.

4). Η ισχύς που καταναλώνει κάθε LED. Αυτή εξαρτάται από την θερμοκρασία περιβάλλοντος, όσο αυξάνει η θερμοκρασία τόσο μικραίνει η κατανάλωση.

5). Η επικάλυψη των LED. Αυτή γίνεται ή με διαφανή υλικά ή με υλικά στο χρώμα της ακτινοβολίας. Η επικάλυψη παίζει σπουδαίο ρόλο γιατί από αυτήν εξαρτάται κατά πόσο λιγότερο ή περισσότερο φωτεινή φαίνεται η LED.

Είναι φυσικό ότι όσο αυξάνει το ρεύμα τόσο περισσότερο φωτοβολεί η δίοδος. Το φως όμως μιας LED μπορεί να αυξηθεί όταν ελαττώσουμε την θερμοκρασία της επαφής της.

Τα LED χρησιμοποιούνται σήμερα πάρα πολύ, με κύρια χρήση σε μονάδες απεικόνισης ή στοιχεία ένδειξης σε ηλεκτρονικά ρολόγια, φορητούς υπολογιστές, μετρητές, ηλεκτρονικά όργανα μέτρησης, σε συστήματα οπτικών επικοινωνιών, σε τηλερυθμιστές σε κυκλώματα ελέγχου σαν ένδειξη παροχής ισχύος (ενδείκτες λειτουργίας) κλπ.