Icon up Overzicht

De werking van een LED

Onderwerp: quantummechanica

Deze opgave is afkomstig uit het hoofdstuk Quantumwereld van de methode Systematische Natuurkunde vwo 6 (8e editie) van uitgeverij ThiemeMeulenhoff bv.

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.

SysNat_Led_1

Figuur 1: Schematische weergave van een LED.

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.

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:

SysNat_Led_2

Figuur 2: Schematische weergave van de energieniveaus van een n-type en een p-type halfgeleider.

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.

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.

De LED geleidt pas als de spanning over de LED hoog genoeg is.

Vraag d. Bepaal de drempelspanning van de LED.

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.

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.