ال‌ئی‌دی
فیزیک

در یک ال‌ئی‌دی، وقتی جریان الکتریکی از یک اتصال p–n عبور می‌کند، نور تابش می‌شود. به این پدیده الکترولومینسانس گفته می‌شود. الکترون‌ها از ناحیه n عبور کرده و با حفره‌های موجود در ناحیه p ترکیب می‌شوند. الکترون‌های آزاد در نوار انرژی هدایت قرار دارند، درحالی‌که حفره‌ها در نوار انرژی ظرفیت قرار دارند. درنتیجه سطح انرژی حفره‌ها از سطح انرژی الکترون‌ها کمتر است. برای بازترکیب دوباره این الکترون‌ها و حفره‌ها مقداری از انرژی باید دفع شود. این انرژی به‌صورت گرما و نور تابش می‌شود.
در دیودهای سیلیسیم و ژرمانیم الکترون‌ها انرژی خود را به شکل گرما دفع می‌کنند، اما در نیم‌رساناهای گالیم آرسنید فسفید (GaAsP) و گالیم فسفید (GaP)، الکترون‌ها با انتشار فوتون انرژی خود را دفع می‌کنند. اگر نیم‌رسانا شفاف باشد، اتصال تبدیل به یک منبع نور، یا دیود نورگسیل می‌گردد.
طول‌موج نور تابش‌شده، و درنتیجه رنگ آن، به انرژی شکاف انرژی مواد تشکیل دهنده اتصال p-n بستگی دارد. در دیودهای سیلیسیم یا ژرمانیم، الکترون‌ها و حفره‌ها معمولاً با یک گذار غیرتابشی بازترکیب می‌شوند، که هیچ نوع تابش نوری تولید نمی‌کند، چرا که آنها، موادی با شکاف انرژی غیر مستقیم هستند. موادی که برای ال‌ئی‌دی‌ها استفاده می‌شود دارای شکاف انرژی مستقیم هستند و انرژی آنها متناظر با نور نزدیک-فروسرخ، مرئی، و نزدیک-فرابنفش است.
نیم‌رساناهای لخت و بدون‌پوشش مانند سیلیسیم نسبت به هوا ضریب شکست بالایی از خود نشان می‌دهند. فوتون‌هایی که با زاویه‌های زیاد و نزدیک به عمود به سطح نزدیک می‌شوند دچار بازتاب داخلی کامل می‌شوند. این پدیده هم بر روی راندمان گسیل نور ال‌ئی‌دی‌ها و هم بر روی راندمان جذب نور سلول‌های فتوولتائیک اثر می‌گذارد. مقدار ضریب شکست سیلیسیم ۳٫۹۶ است (در ۵۹۰ نانومتر)، درحالی‌که مقدار ضریب شکست هوا برابر ۱٫۰۰۰۲۹۲۶ است.
به‌طور کلی، یک تراشه مسطح نیم‌رسانای ال‌ئی‌دی بدون روکش، فقط نوری را منتشر می‌کند که تقریباً عمود بر سطح نیم‌رسانا به آن رسیده باشد. نور قابل انتشار از ال‌ئی‌دی معمولاً به شکل یک مخروط به آن رسیده و تابش می‌شود که معمولاً به آن مخروط نور یا مخروط فرار گفته می‌شود. فوتون‌هایی که با زاویه برخورد بیش از زاویه بحرانی به سطح می‌رسند، دچار بازتاب داخلی کلی شده و به داخل بلور نیم‌رسانا برمی گردند، مانند حالتی که سطح، یک آینه است.
اگر زاویه برخورد به اندازه کافی کم باشد و کریستال به اندازه کافی شفاف باشد تا بازتابش فوتون را جذب نکند، بازتاب‌های داخلی می‌توانند از درون وجه‌های بلوری دیگر خارج شوند. اما برای یک ال‌ئی‌دی مربع ساده با سطوح زاویه‌دار ۹۰ درجه در همه طرف، همه وجوه مانند آینه عمل می‌کنند. در این حالت، بیشتر نور نمی‌تواند فرار کند و به‌صورت اتلاف گرما در کریستال از بین می‌رود.
یک سطح تراشه حلقوی با وجوه شبیه به گوهرسنگ یا لنز فِرِسنل، با توزیع نور، عمود بر سطح تراشه و در سمت‌های جانبی، دور از منبع انتشار فوتون، می‌تواند باعث افزایش خروجی نور گردد.
شکل ایدئال نیم‌رسانا با حداکثر خروجی نور، میکروکره است که منبع انتشار فوتون دقیقاً در مرکز قرار داشته، و الکترودها برای تماس در نقطه انتشار به مرکز نفوذ کرده‌اند. تمام پرتوهای نوری که از مرکز خارج می‌شوند عمود بر کل سطح کره بوده و درنتیجه هیچ بازتاب داخلی وجود ندارد. یک نیم‌رسانای نیم کره‌ای نیز به همین شیوه کار می‌کند، و سطح پشتی صاف آن به عنوان آینه فوتون‌های پراکنده به پشت عمل می‌کند.
افزاره‌های حالت-جامد مانند ال‌ئی‌دی‌ها در صورتی که با جریان کم و در دماهای پایین کار کنند، عمر بسیار بالایی خواهند داشت. برای ال‌ئی‌دی‌های سفید معمولاً ۲۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ ساعت عمر کاری ذکر می‌شود، اما گرما و تنظیمات جریان می‌تواند این عمر را به شدت کاهش دهد.
ال‌ئی‌دی‌ها از انواع مختلف مواد نیم‌رسانای غیرآلی ساخته می‌شوند. جدول زیر رنگ‌های موجود با طول‌موج، افت ولتاژ و مواد را نشان می‌دهد:
| رنگ | رنگ | طول‌موج [نانومتر] | افت ولتاژ [ΔV] | ماده نیم‌رسانا |
| --- | --- | --- | --- | --- |
|  | فروسرخ | λ> ۷۶۰ | ΔV <۱٫۶۳ | گالیم آرسنید (GaAs) آلومینیوم گالیم آرسنید (AlGaAs) |
|  | قرمز | ۶۱۰ <λ <۷۶۰ | ۱٫۶۳ <ΔV <۲٫۰۳ | آلومینیوم گالیم آرسنید (AlGaAs) گالیم آرسنید فسفید (GaAsP) آلومینیوم گالیم ایندیم فسفید (AlGaInP) گالیم(III) فسفید (GaP) |
|  | نارنجی | ۵۹۰ <λ <۶۱۰ | ۲٫۰۳ <ΔV <۲٫۱۰ | گالیم آرسنید فسفید (GaAsP) آلومینیوم گالیم ایندیم فسفید (AlGaInP) گالیم(III) فسفید (GaP) |
|  | زرد | ۵۷۰ <λ <۵۹۰ | ۲٫۱۰ <ΔV <۲٫۱۸ | گالیم آرسنید فسفید (GaAsP) آلومینیوم گالیم ایندیم فسفید (AlGaInP) گالیم(III) فسفید (GaP) |
|  | سبز | ۵۰۰ <λ <۵۷۰ | ۱٫۹ <ΔV <۴٫۰ | سبز سنتی:Gallium(III) phosphide (GaP) آلومینیوم گالیم ایندیم فسفید (AlGaInP) آلومینیوم گالیم فسفید (AlGaP) سبز خالص: ایندیم گالیم نیترید (InGaN) / گالیم(III) نیترید (GaN) |
|  | آبی | ۴۵۰ <λ <۵۰۰ | ۲٫۴۸ <ΔV <۳٫۷ | Zinc selenide (ZnSe) ایندیم گالیم نیترید (InGaN) یاقوت کبود مصنوعی، کاربید سیلیسیم (SiC) به عنوان بستر، با یا بدون اپیتاکسی، سیلیسیم (Si) به عنوان بستر - در دست توسعه (کنترل اپیتاکسی روی سیلیکون سخت است) |
|  | بنفش | ۴۰۰ <λ <۴۵۰ | ۲٫۷۶ <ΔV <۴٫۰ | ایندیم گالیم نیترید (InGaN) |
|  | فرابنفش | λ <۴۰۰ | ۳ <ΔV <۴٫۱ | ایندیم گالیم نیترید (InGaN) (385-400 nm) الماس (235 nm) نیترید بور (215 nm) آلومینیوم نیترید (AlN) (210 nm) آلومینیوم گالیم نیترید (AlGaN) آلومینیوم گالیم ایندیم نیترید (AlGaInN)—تا 210 nm |
|  | صورتی | انواع مختلف | ΔV ≈۳٫۳ | آبی با یک یا دو لایه فسفر، زرد با فسفر قرمز، نارنجی یا صورتی بعد از آن، سفید با پلاستیک صورتی یا فسفرهای سفید با رنگدانه صورتی یا رنگ بالای آن. |
|  | ارغوانی | انواع مختلف | ۲٫۴۸ <ΔV <۳٫۷ | LEDهای آبی/قرمز دوتایی، آبی با فسفر قرمز، یا سفید با پلاستیک بنفش |
|  | سفید | طیف گسترده | ۲٫۸ <ΔV <۴٫۲ | سفید یخی/خالص: دیود آبی/UV با فسفر زرد سفید گرم: دیود آبی با فسفر نارنجی |