In een LED zitten twee soorten halfgeleidend materiaal tegen elkaar aan. Deze soorten heten n-type en p-type. Is de rechterkant verbonden met de min-pool van een spanningsbron, dan staat de LED in de doorlaatrichting. Een elektron komt dan eerst in het n-type halfgeleidend materiaal en daarna in het p-type. Het symbool van een LED zie je in figuur 1.
Vraag a. Bevindt in figuur 1 het n-type halfgeleidend materiaal zich aan de linkerkant of aan de rechterkant van de LED? Licht je antwoord toe.
In figuur 1 staat de LED in de doorlaatrichting als de stroom van links naar rechts door de LED loopt. De elektronen gaan in de tegenovergestelde richting. In de tekst staat dat het elektron eerst in het n-type materiaal komt. In figuur 1 bevindt het n-type geleidend materiaal dus aan de rechterkant van de LED.
Het energieschema van een halfgeleidend materiaal bestaat uit een geleidingsband met een aantal energieniveaus die dicht bij elkaar liggen. Er is ook een valentieband met energieniveaus die niet beschikbaar zijn, omdat ze bezet zijn door andere elektronen.
De energieniveaus van het n-type staan in figuur 2a en die van het p-type in figuur 2b. Je ziet dat bij het n-type een extra energieniveau beschikbaar is, vlak bij de geleidingsband. Bij het p-type is ook een extra energieniveau beschikbaar, vlak boven de valentieband. Het energieverschil tussen dit extra niveau en de onderkant van de geleidingsband bedraagt:
$\Delta E_1 = 2,\!26 \text{ eV}$
Komt het elektron in het n-type materiaal, dan bevindt het zich in een van de mogelijke energieniveaus van de geleidingsband. Pas als het elektron in het p-type materiaal komt, valt het elektron terug naar het lage energieniveau vlak boven de valentieband. Hierbij raakt het elektron energie kwijt onder uitzending van een foton.
Vraag b. Bepaal de kleur van het licht dat de LED uitzendt, als een elektron van de onderkant van de geleidingsband terugvalt.
Bij het terugvallen van een elektron komt een foton vrij met een energie van 2,26 eV. Volgens BINAS tabel 19A hoort bij dit type fotonen zichtbaar licht in de kleur groengeel.
Het elektron bevindt zich bij binnenkomst in een van energieniveaus van de geleidings band. Het energieverschil tussen twee niveaus is ΔE2. Een elektron kan terugvallen naar een van de andere energieniveaus binnen de geleidingsband. Dit heet interne conversie.
Vraag c. Leg uit dat bij interne conversie warmtestraling vrijkomt.
Bij interne conversie is het energieverschil veel kleiner. De bijbehorende fotonen hebben dan ook een veel kleinere energie. Als de fotonenergie veel kleiner is, is de erbij behorende straling niet zichtbaar licht, maar infraroodstraling. Infrarood straling is warmtestraling.
De LED geleidt pas als de spanning over de LED hoog genoeg is.
Vraag d. Bepaal de drempelspanning van de LED.
In de LED wordt elektrische energie omgezet in stralingsenergie. Voordat deze omzetting kan plaatsvinden, moet een elektron voldoende energie hebben.
De drempelspanning bereken je met de formule voor de toename van de elektrische energie.
Volgens de wet van behoud van energie is de toename van de elektrische energie gelijk de fotonenergie, die vrijkomt bij terugvallen.
$E_\text{el} = qU = E_f = 2,\!26 \text{ eV}$
Het gaat om elektronen, dus de spanning is:
$U = 2,\!26 \text{ V}$
Als de spanning niet hoog genoeg is, kan een elektron niet op het hoge energieniveau binnenkomen. De berekende waarde voor de spanning is dus een ondergrens en dus de drempelspanning.
Als je de plus- en de minpool van de spanningsbron verwisselt, staat de LED in de sperrichting. De LED laat dan geen stroom door.
Vraag e. Leg uit waarom de LED geen stroom doorlaat.
In de doorlaatrichting komt het elektron op een hoog energieniveau binnen, en verlaat de LED op een laag energieniveau. Voor het omgekeerde richting zou onderweg energie moeten worden toegevoerd. Dit kan dus niet spontaan.
Het halfgeleidend materiaal waaruit de LED bestaat, heeft bepaalde afmetingen. Daardoor is de ruimte voor de elektronen beperkt. Zijn elektronen in een halfgeleider gebonden aan een atoom, dan is de ruimte nog verder beperkt. De grootte van de energieverschillen ΔE1 en ΔE2 hangt hiermee samen.
Vraag f. Hangt ΔE1 samen met de afmetingen van de LED of met de afstanden tussen de afzonderlijke atomen? Licht je antwoord toe.
De elektronen hebben een beperkte ruimte. Dit wordt beschreven door het model van een deeltje in een doos. Voor de energieën van een deeltje in een doos geldt:
$E_n = n^2 \cdot \frac{h^2}{8m \cdot L^2}$
Kleinere hoeveelheden energie en dus kleine energieverschillen horen dus bij een grote waarde van L. De afmetingen van de LED zijn groter dan de afstanden tussen de atomen. Omdat ∆E1 groter is dan ∆E2 bepalen de afstanden tussen de afzonderlijke atomen in de LED dus ΔE1 (en de afmetingen van de LED zelf bepaalt dus ΔE2).
