Autonom robotväckarklocka med trådlös basstation - KTH

2.1.1 Lysdiodteknologi
En lysdiod (se Figur 2) är en halvledardiod. Den består av halvledare som i ena ändan är P-dopad och
i den andra änden N-dopad. Att de har blivit dopade innebär att vissa störämnen har tillförts för att
öka halvledarens ledningsförmåga. Genom att tillföra ett störämne med färre valenselektroner än
ämnet den är gjord av bildas det positivt laddade hål, och halvledaren blir P-dopad. Den kallas även
för en anod. Tillför du ett störämne med fler valenselektroner blir det negativt laddade elektroner i
excess, och du får en N-dopad halvledare, även kallad en katod.
Hålen och elektronerna kallas för elektriska laddningsbärare. Då det flyter en ström genom lysdioden
strömmar elektroner mot P-området och hål mot N-området (hålen blir fyllda av elektroner och
”flyttar”) för att försöka skapa jämvikt. Men det elektriska fältet mellan dem bromsar
genomströmningen och gör så att laddningsbärarna stannar en bit in på andra sidan. Denna process,
då elektronerna strömmar över mittgränsen och binds till hål, kallas rekombination.
Vid spärrskiktet, det område där de två halvledartyperna möts, bildas en laddningsbarriär som kallas
en PN-övergång. Denna PN-övergång är det som gör att elektriska kretsarna bara leder ström i en
riktning men inte i den motsatta. Då du ansluter en spänningskälla med pluspolen till P-ända och
minuspolen till N-änden så kan spänningen pressa ner laddningsbarriären så att en ström kan flyta
igenom. Dioder har ett framspänningsfall, som är det spänningsfall som uppträder i ledriktningen då
en spänning tillsätts. Alltså behövs minst en spänning lika stor som framspänningsfallet för att en
diod ska kunna leda ström. Framspänningsfallet beror på materialet som dioden är uppbyggd av.
Därför kallas denna riktning, från anod till katod, för ledriktningen. Om du däremot ansluter
minuspolen till kristallens P-ände och pluspolen till N-änden förstärks laddningsbarriären och ström
kan inte passera genom. Denna motsatta riktning från katod till anod kallas spärriktningen, eftersom
den har en hög resistans för ström.
I processen som kallades rekombination vid PN-övergången, då de fria elektronerna kunde falla
tillbaka i hål då en ström flöt igenom lysdioden, kan energi i form av fotoner frigöras. Detta på grund
av att när elektronen byter tillstånd till en lägre energinivå, och alltså tappar potentiell energi, så
genereras en foton med en lika stor energimängd som elektronen förlorade. Under detta tillstånd
kan då dioden lysa.
Fotoner är ljuskvanta, och ljus har såväl våg- som partikelegenskaper. Olika frekvenser på ljusets
våglängd ger olika synliga färger. Vilken frekvens som dioden avger, och därmed vilken färg det blir
på ljuset, beror på vilken förening som används i dioden. Olika halvledare har olika stort bandgap,
alltså olika stor minsta energi som krävs för att föra en elektron från det högsta tillståndet till det
lägsta, då den sen kan avge en foton. Så beroende på det ämne som dioden är gjord av avges olika
frekvenser på ljuset, och därmed olika färger. Ett visst ljus blir därför väldigt karakteristiskt för det
ämnet som används.
Några exempel på ljus som konventionella lysdioder (gjorda av oorganiska mineral) ger är AlGaAs
som ger rött och infrarött ljus, GaAsP som ger rött, orange och gult ljus, GaN som ger grönt ljus, ZnSe
och InGaN som ger blått ljus, och diamant som ger ultraviolett ljus. Kisel släpper ut en foton i form av
långvågig värmestrålning, och släpper därför inte ut något synlig ljus.
2