LED

Berikut teori mengenai LED (Light Emitting Diode) yang bisa langsung kamu pakai untuk laporan/worksheet/paper.

1) Definisi dan prinsip dasar

LED adalah dioda semikonduktor yang memancarkan cahaya ketika diberi bias maju (forward bias). Pada kondisi ini, arus mengalir melalui sambungan p–n junction sehingga terjadi rekombinasi elektron–hole di daerah junction. Energi rekombinasi dilepas dalam bentuk foton (cahaya). Proses ini disebut electroluminescence.

2) Struktur semikonduktor p–n junction

• Daerah p-type: kaya hole (pembawa muatan mayoritas).

• Daerah n-type: kaya elektron.

• Saat p dan n digabung, terbentuk daerah deplesi (depletion region) dan medan listrik internal yang menghambat aliran muatan pada kondisi tanpa bias.

Bias maju (forward bias)

Ketika tegangan maju diberikan:

• Barrier potensial menurun,

• Elektron dari sisi n dan hole dari sisi p terdorong menuju junction,

• Terjadi rekombinasi → emisi foton.

3) Mekanisme emisi cahaya (rekombinasi radiatif)

LED bekerja efektif bila materialnya mendukung rekombinasi radiatif, yaitu rekombinasi yang dominan menghasilkan foton (bukan panas).

Secara model pita energi:

• Elektron berada di conduction band (CB),

• Hole merepresentasikan kekosongan di valence band (VB),

• Saat elektron “jatuh” dari CB ke VB untuk mengisi hole, beda energi dilepas sebagai foton.

Energi foton kira-kira:
[
E_{\text{photon}} \approx E_g
]
dengan (E_g) adalah band gap material.

Hubungan energi dengan panjang gelombang:
[
E = hf = \frac{hc}{\lambda}
]
Sehingga:
[
\lambda \approx \frac{hc}{E_g}
]
Artinya warna LED ditentukan oleh besar band gap: band gap besar → foton berenergi tinggi → panjang gelombang lebih pendek (cenderung biru/ungu); band gap kecil → merah/infrared.

4) Material LED dan direct vs indirect band gap

LED umumnya memakai semikonduktor direct band gap (mis. GaAs, GaN, InGaN, AlGaInP) karena peluang emisi foton tinggi.

• Direct band gap: minimum CB dan maksimum VB berada pada momentum yang sama → rekombinasi mudah memancarkan foton.

• Indirect band gap (mis. Si, Ge): butuh bantuan fonon (getaran kisi) untuk konservasi momentum → energi lebih sering menjadi panas → kurang efisien untuk LED.

5) Karakteristik listrik LED (kurva I–V)

LED adalah dioda, sehingga arus naik tajam setelah melewati tegangan ambang/forward voltage (V_f).

Secara ideal mengikuti persamaan Shockley:
[
I = I_s\left(e^{\frac{qV}{nkT}} - 1\right)
]
Namun pada LED nyata:

• Pada arus besar, resistansi seri (R_s) membuat kurva tidak ideal,

• (V_f) bergantung material/warna dan temperatur.

Intinya: LED tidak boleh langsung dipasang ke sumber tegangan tanpa pembatas arus, karena sedikit kenaikan V bisa menyebabkan kenaikan I yang sangat besar.

6) Efisiensi dan faktor yang memengaruhi kinerja

Efisiensi LED dipengaruhi oleh:

1. Internal Quantum Efficiency (IQE): fraksi rekombinasi yang menghasilkan foton (radiatif).

2. Extraction efficiency: seberapa banyak foton keluar dari chip (dipengaruhi indeks bias, desain encapsulation/lensa, total internal reflection).

3. Thermal effects: suhu naik → efisiensi turun dan (V_f) cenderung menurun; manajemen panas penting (heatsink).

4. Non-radiative recombination: rekombinasi menghasilkan panas (defect, Auger recombination, dll.).

7) Rangkaian dasar LED (konsep pembatas arus)

LED umumnya dipasang seri dengan resistor:
[
R = \frac{V_{supply} - V_f}{I}
]
Ini menjaga arus tetap aman dan stabil.

Kalau kamu mau, aku bisa susun versi lebih akademik untuk bagian “Theory/Background” paper (dengan sitasi), atau versi worksheet siswa (lebih sederhana + gambar konsep band gap + pertanyaan).

REAL EKSPERIMEN - VISUALISASI