Halvledere og LED (overblik)

Fysik C · STX · C-niveau · Elektricitet (basis)

⚛️ Halvledere og LED (overblik)

Halvledere: materialer mellem ledere og isolatorer. Silicium (Si) og germanium (Ge).

Doping:

• n-type: tilføj atomer med ekstra elektron (fosfor) → frie elektroner som ladningsbærer.
• p-type: tilføj atomer med færre elektroner (bor) → "huller" som ladningsbærer.

pn-overgang: når n+p sættes sammen → diode (kun lader strøm én vej).

LED (Light Emitting Diode): pn-overgang der udsender lys når elektroner falder fra ledningsbånd til valensbånd.

• Energi af foton: E = h·f = E_g (energigap i halvledermaterialet).
• Forskellige farver: rødt LED ~1,8 V, grønt ~2,2 V, blåt ~3,2 V (forskellige materialer giver forskellige båndgab).

Anvendelse: LED-pærer er ~10x mere energieffektive end glødepærer (samme lys ved 1/10 af effekten). Solceller bruger samme princip omvendt (lys → elektricitet).

Centrale begreber

• n-type: tilføj atomer med ekstra elektron (fosfor) → frie elektroner som ladningsbærer.
• p-type: tilføj atomer med færre elektroner (bor) → "huller" som ladningsbærer.
• Energi af foton: E = h·f = E_g (energigap i halvledermaterialet).
• Forskellige farver: rødt LED ~1,8 V, grønt ~2,2 V, blåt ~3,2 V (forskellige materialer giver forskellige båndgab).

Læringsmål

• Forklare forskellen på leder, halvleder og isolator ud fra båndteorien (valens- og ledningsbånd)
• Beskrive n-type og p-type doping og hvad der sker i en pn-overgang
• Forklare hvorfor en LED udsender lys: elektron falder fra ledningsbånd til valensbånd → foton med E = hf = eU
• Beregne fotonenergi fra LED-spænding (E = e·U) og bølgelængde (λ = hc/E) for rød (1,8 V), grøn (2,2 V), blå (3,2 V)
• Forklare solcellers princip som omvendt LED: lys absorberes → elektron-hul-par dannes → strøm

Sådan kan du arbejde med emnet

• Beregn fotonenergi for rød LED (U = 1,8 V): E = 1,6·10⁻¹⁹ · 1,8 = 2,88·10⁻¹⁹ J. Hvad er bølgelængden? (λ = hc/E, h = 6,63·10⁻³⁴, c = 3·10⁸)
• Sammenlign effektforbrug: 60 W glødepære vs. 8 W LED (samme lys). Beregn årsbesparelse ved 4 timer/dag, 365 dage, 3 kr/kWh
• Forklar med tegning: hvad sker der i en pn-overgang når spænding tilsluttes i fremadretning vs. baglæns retning?

Faglige pointer

Anvendelse: LED-pærer er ~10x mere energieffektive end glødepærer (samme lys ved 1/10 af effekten). Solceller bruger samme princip omvendt (lys → elektricitet).