Hoe werkt een LED diode?

De lichtdiode word in het Engels een Light-Emitting-Diode genoemd, vandaar de afkorting LED. De LED diodes word tegenwoordig heel veel toegepast, zo vind je het in de verlichting voor de kerstboom, en word het toegepast in tv’s en LED lampen.
Maar een lichtdiode is geen gloeilamp, het licht wat wij van de LED diode waarnemen ontstaat doordat een kristal elektromagnetische golven uitstraalt. In dit artikel gaan we kijken hoe een LED diode is opgebouwd en hoe de toegepaste elektrotechniek precies werkt.

 Afbeelding 1 – symbool LED diode, hierbij geven de twee pijltjes het uitstralen van licht aan

OPBOUW

Afbeelding 2 – doorsnede LED-diode

Een LED-diode bestaat uit de volgende onderdelen:

1.    Aansluitpunten: de anode (A) en de kathode (K)

Dit zijn de pootjes aan de onderzijde van de lichtdiode. De LED diode kan maar in één richting stroom doorlaten, het lange pootje van de LED diode moet aan de + geschakeld worden.

Wist je dat…

Je aan de lengte van de pootjes kunt zien welke pootje de anode en welke de kathode is?
De pootjes zijn te klein om erop aan te geven welke pootje wat is. De anode is de lange pootje (aansluiten op +) en de kathode is de korte pootje (aansluiten op -).

2.    Kunststof behuizing, gemaakt van epoxyhars
3.    Vlakke zijde
De vlakke zijde heeft als functie dat het aangeeft welke pootje de kathode is.

4.    Ondersteuning
De ondersteuning is de deel van de kathode draad wat zich in de kunststof behuizing bevind. heeft als functie om de draadverbinding te dragen, daarnaast is deze zo gevormd dat jet het niet uit de kunststof behuizing kunt trekken.

5.    Aambeeld
De draden van de anode en de kathode in de kunststof behuizing zijn zo gevormd dat je het er niet uit kunt trekken.

6.    Draadverbinding

7.    Reflector
8.    Kristal (halfgeleider)

Wist je dat…

Je de kristal in de LED diode kunt zien als je de LED diode tegen een lichtbron (lamp of zonlicht) houd?

De kleur die de LED diode uitstraalt word niet bepaalt door de kleur van de behuizing, maar juist door de toegepaste kristal.

Hiervan zijn er verschillende materialen die allemaal een eigen kleur licht kunnen uitstralen:

-       AlGaAs (Galliumaluminiumarsenide)                       Rood of infrarood
-       AlInGaP (Aluminiumindiumgalliumfosfide)               Rood, oranje en geel (amber)
-       GaAsP (Galliumarseenfosfide)                                 Rood, oranje en geel (amber)
-       GaP (Galliumfosfide)                                                Groen
-       GaN (Galliumnitride)                                                 Blauw of wit
-       SiC (Siliciumcarbide)                                                Blauw
-       ZnSe (Zinkselenide)                                                 Blauw
-       InGaN (Indiumgalliumnitride)                                   Groen, blauw of ultraviolet

Er bestaan ook LED diodes met meerdere kleuren, bijvoorbeeld de RGB-LED diode, hierbij staat RGB voor: Red Green Blue.

LED diodes met meerdere kleuren hebben dan ook meerdere aansluitpunten.

Afbeelding 3 – RGB LED-diode

WERKING

Het licht wat wij waarnemen van de LED diode heeft te maken met de werking van de kristal als halfgeleider wanneer er elektrische stroom doorheen gaat.

Materialen functioneren verschillend als geleider van elektrische stroom, er word onderscheid gemaakt in de categorieën: geleider, isolator en halfgeleider.

Voor het energieverschil in het materiaal word er onderscheid gemaakt in de valentieband (+) en de geleidingsband (-). Hierbij verplaatst de elektron zich van de geleidingsband naar de valentieband.

Bij geleiders loopt de valentieband over naar de geleidingsband, het kost dus weinig energie om elektrische geleiding mogelijk te maken. Metalen zijn bijvoorbeeld goede geleiders.

Bij isolatoren is er een kloof tussen de valentieband en de geleidingsband, dit word ook wel de verboden zone genoemd. Deze verboden zone is zo breed dat er geen tot weinig elektronen verplaatsen van de valentieband naar de geleidingsband.

Halfgeleiders hebben een kloof die niet al te breed is, hierdoor kan een elektron over de verboden zone heen springen/vallen. Hierbij komt energie vrij in de vorm van een foton, dat is een elektromagnetisch golfverschijnsel. Afhankelijk van de frequentie kunnen wij het met onze ogen waarnemen.

Bij halfgeleiders word vanwege dit effect onderscheid gemaakt in N-type materiaal en P-type materiaal (n van negatief en de p van positief).

Hierbij worden de vrije elektronen in de N-type materiaal aangetrokken naar de + aansluiting, terwijl de gaten in de P-type materiaal naar de -  aansluiting bewegen.

Afbeelding 4 – Geleiding bij isolatoren, geleiders en halfgeleiders

Werking van de LED diode is dus…

Doordat de LED diode is aangesloten middels de aansluitpunten (de anode en kathode) kan er stroom lopen door de kristal. Hierbij komen fotonen vrij door het vallen van elektronen uit de N-type materiaal naar de gaten in de P-type materiaal. Afhankelijk van de frequentie van de elektromagnetische golven van de fotonen nemen wij dit waar als zichtbaar licht.

Afbeelding 5 – Schematische weergave ‘springende elektron’