آشنایی با ساختار دیودهای ساطع کننده نور

دیودهای ساطع کننده نور که از دهه‌های گذشته در الکترونیک مورداستفاده قرار می‌گرفتند که در این مقاله با جنس و ساختار این دیودها و LED آشنا می شوید.

نویسنده و ارسال کننده: آرام قادری | کارشناس ارشد مهندسی برق – الکترونیک

تاریخچه LED

دیودهای ساطع کننده نور که از دهه‌های گذشته در الکترونیک مورداستفاده قرار می‌گرفتند، عموماً برای نمایش خاموش یا روشن بودن نمایشگرها در لوازم مولتی‌مدیا مورداستفاده قرار گرفتند؛ اما در حال حاضر دیودهای ساطع کننده نور به نحوی ساخته می‌شوند که نور را در جهت خاصی متمرکز می‌کنند و به‌صورت چیپ‌های کوچکی هستند که معمولاً داخل یک شیشه گنبدی شکل قرار می‌گیرند و دارای سایز سانتی‌متری هستند و به‌سختی می‌شکنند. امروزه دیودهای نورافشان دیگر یک ابزار پرهزینه برای طراحان نیستد بلکه به‌سرعت تبدیل به لامپ‌های رایج شده‌اند؛ برای اولین بار در سال ۱۹۶۲ در مقیاس صنعتی تولید و به بازار عرضه شد و تنها به رنگ قرمز و با ترکیب AlGaAs بود.

دهه ۷۰ میلادی LED در رنگ‌های دیگر سبز، آبی، زرد، نارنجی (تولید شدند؛ و بهره نوری آن‌ها در سال‌های دهه ۸۰ و اوایل دهه ۹۰ میلادی، کارایی LED به میزان قال توجهی افزایش یافت. در سال ۱۹۹۰ دیودهای ساطع کننده نور که نور سفید را به روش الکترولومینسانس تولید می‌کردند به بازار معرفی شدند در ابتدا بهره بسیار کمی داشتند و به‌ندرت استفاده می‌شدند، اما اکنون تا ۳۰ لومن بر وات بوده و بهره نوری دیودهای ساطع کننده نوررنگی تا ۵۰ لومن بر وات نیز می‌رسد و پیش‌بینی می‌شود بهره نوری آن‌ها تا ۱۰۰ لومن بر وات نیز برسد. در حال حاضر کلیه رنگ‌های قابل‌رؤیت موجود در طبیعت) بیش از ۱۶ میلیون رنگ (به‌صورت مستقیم یا غیرمستقیم به تنهائی به‌وسیله LED قابل‌تولید است.[۱]–[۳]

دلایل رایج شدن LED ازلحاظ کاری

جدول ۱- مقایسه منابع نور

نگاهی به جدول نشان می‌دهد که دیودهای ساطع کننده نور حدود ۷۰ تا ۸۰% انرژی را به گرمایی نامحسوس تبدیل می‌کنند ولی بااین‌وجود، کم‌مصرف‌ترین منبع نوری حاضر دنیا هستند. تولید نکردن اشعه‌های مضر برای انسان خود به تنهائی، ملاک ارزشمندی برای انتخاب نوع لامپ مصرفی است. عمر بسیار بالا، این محصول را به منبع نوری ایدئال، فارغ از مشکلات پرپر زدن) مانند لامپ‌های فلورسنت(ناهماهنگی ناشی از به تعویق افتادن تعویض لامپ‌های ازکارافتاده معمولی و مقرون‌به‌صرفه تبدیل کرده است. طول عمر LED باکیفیت حدود ۱۰۰۰۰۰ ساعت است که چندین برابر لامپ‌های معمولی است البته به‌شرط رعایت عوامل مؤثر بر عمر LED که عبارت‌اند از: تبادل گرمائی، نوسانات برق و ایزولاسیون. با در نظر گرفتن عوامل فوق و مقایسه شدت نور لامپ‌های مختلف، به‌جرئت می‌توان LED را مقرون به‌صرفه‌ترین محصول نوری حاضر دنیا دانست. جدول مقایسه نور تولیدشده در منابع نوری مختلف گویای این مطلب است[۴].

جدول ۲- مقایسه نورهای تولیدی

معرفی دیود ساطع کننده نور

یک دیود ساده‌ترین نوع از ادوات نیمه‌هادی است کلاً یک نیمه‌هادی ماده­ای است که تغییر در قابلیت جریان دهی دارند. اغلب نیمه‌هادی‌ها از یک رسانای ضعیف که ناخالصی به آن افزوده‌شده[۱] به وجود می‌آید. در مورد دیودهای ساطع کننده نور ماده رسانا نوعاً (AlGaAs) در آلومینیوم گالیوم آرسناید خالص تمام اتم‌ها به‌طور کامل با همسایه‌هایش محدودشده است و هیچ الکترون آزادی برای هدایت جریان الکتریکی وجود ندارد [۴]

جدول ۳- ترکیب به‌کاررفته و رنگ نور تولیدشده

تئوری کار دیودهای ساطع کننده نور :

یک دیود ساطع کننده نور اساساً یک دیود اتصال P-N است. وقتی‌که حامل‌ها به عرض اتصال بایاس مستقیم تزریق‌شده‌اند نور گسیخته (غیر منسجم) ساطع می‌کند. بیشتر دیودهای ساطع کننده نور تجاری با استفاده از ناخالصی بالای اتصال P-N تحقق‌یافته‌اند.

تصویر دیاگرام باند انرژی در حالات بایاس و بدون بایاس[۵]

در اینجا یک پتانسیل سد از E_c در طرف n به E_c در طرف p وجود دارد که ولتاژ آستانه نامیده می‌شود. V₀ این پتانسیل سد از دستیابی الکترون آزاد به‌طرف n⁺ به نفوذ به‌طرف p جلوگیری می‌کند. وقتی‌که یک ولتاژ V در عرض اتصال اعمال شود ولتاژ Vbi از V₀ به V₀-V کاهش پیدا می‌کند این اجازه می‌دهد الکترون‌ها از n⁺ به‌طرف p تزریق شوند. چون الکترون‌ها حامل منفی هستند در طرف p این فرآیند تزریق حامل منفی نامیده می‌شود؛ اما تزریق حفره از طرف p به n⁺ خیلی کمتر است و بنابراین جریان ثانوی موظف به شارش الکترون به‌طرف p است.

این تزریق حفره‌ها به‌طرف p بازترکیب با حفره بود که نتیجه آن بازترکیب خود به خودی (نور) است. این اثر الکترولومینسانس نامیده می‌شود. این فوتون‌ها باید اجازه یابند که از قطعه بدون جذب شدن دوباره رها شوند. این بازترکیب می‌تواند به دو قسمت طبقه‌بندی شود: مستقیم و غیرمستقیم[۵].

ساختار دیود نورانی

نور یکی از صورت‌های انرژی است. ازآنجاکه برای تولید نور، شکل دیگری از انرژی باید صرف شود، دو راه عمده برای آن وجود دارد: فرآیند التهاب و فرآیند لومینسانس. در فرایند لومینسانس، الکترون‌های ماده هدف که در شرایط معمول در حالت یا تراز انرژی پایه به سر می‌برند، با گرفتن انرژی از یک منبع مشخص به حالت‌های پرانرژی‌تر برانگیخته می‌رود. در بازگشت الکترون‌های ماده از حالت برانگیخته به حالت پایه، انرژی برانگیختگی به‌صورت نور (انرژی فوتون‌ها) نشر می‌شود. به‌طورمعمول (به‌جز در موارد خاص) انرژی برانگیختگی به دلیل دخالت برخی از انتقالات درون‌مولکولی (اتمی) ازجمله اتلاف انرژی به‌صورت گرمایی، از انرژی نور نشر شده بیشتر است. ازآن‌جهت که فرآیند لومینسانس نیازمند دماهای بالا نبوده و در دماهای معمول و نسبتاً پایین اتفاق می‌افتد، به نور ساطع‌شده، نور سرد هم گفته می‌شود.[۶]

به‌طور خلاصه یکی از راه‌های ایجاد LED ترکیب سه لایه نیمه‌هادی روی زیر لایه است، بین لایه‌های نیمه‌هادی نوع n و p یک ناحیه فعال ساطع کننده نور است وقتی الکترون و حفره بازترکیب می‌شوند؛ که در شکل (۲) نشان داده‌شده است[۷][۸].

تصویر شماتیک ساختار سه لایه‌ای LED

اما در طراحی عملی، لایه‌های LED نور را به همه اطراف ساطع می‌کنند یعنی همه اطراف سازه که برای ایجاد جهت در نور و انسجام آن در وسط سازه یک آینه تعبیه‌شده و بنابراین نور را به سمت دلخواه ما تغییر جهت و متمرکز می‌نماید. در شکل (۳) ساختار آن آمده است[۷].

جنس دیودهای ساطع کننده نور :

یک کلاس مهم در دیودهای ساطع کننده نور تجاری که طیف قابل‌مشاهده را پوشش می‌دهند دسته ترکیبات مواد نیمه‌هادی سه-چهاری ها هستند. ترکیبات سه‌تایی بر اساس ترکیب GaP,GaAs می‌باشند.

دیودهای ساطع کننده نور با استفاده از دو نوع نیمه‌هادی آلایش شده متفاوت تحقق می‌یابند که آن‌هایی که نیمه‌هادی‌ها مشابه هستند هموجانکشن[۲] نامیده می‌شوند؛ اما وقتی‌که با استفاده از مواد با باند ممنوعه متفاوت ساخته می‌شوند هتروجانکشن نامیده می‌شوند. یک LED هتروجانکشن[۳] از هموجانکشن روشن‌تر است. 

مزایای LED نسبت به سایر لامپ‌ها

1. نور بیشتری را نسبت به وات تولید می‌کنند که این امر در کار با وسایل برق اضطراری مهم است.
2. نور دلخواه موردنظر را بدون استفاده از فیلترهای رنگی تولید می‌کنند.
3. می‌توانند در کاربردهای تنظیم نور یا دیمر به‌صورت دقیق نورش تنظیم شود.
4. دارای قابلیت‌های سریع روشن و خاموش و تغییرات متناوب سریع هستند.
5. به‌صورت حالت‌جامد هستند و برخلاف سایر لامپ‌ها نسبت به ضربه‌های جانبی محیط مقاوم هستند.
6. می‌توانند طول عمر بالایی داشته باشند.
7. به‌مرورزمان می‌سوزند برخلاف سایر لامپ‌ها به که صورت ناگهانی می‌سوزند.
8. می‌توانند به‌صورت ساده و کم‌حجم در یک مدار مجتمع تعداد زیادی جمع شوند.
9. دارای مرکوری نیستند برخلاف فلورسنت‌ها.

معایب LED

1. اغلب گران‌قیمت هستند نسبت به لومن نور تولید.
2. عملکردشان بسیار وابسته به محیط و خصوصی دما طبیعی هست و اغلب نیاز به رادیاتور دارند.
3. نیاز به جریان مستقیم برق‌دارند که تولید برق مستقیم نیازمند تجهیزت جانبی و افزایش حجم هست.

نتیجه‌گیری

امروزه با استفاده از دیودهای نورانی در امور نورپردازی نماهای دل‌نواز و زیبایی را با کمترین مصرف انرژی به وجود می‌آورند. همچنین در ساخت نمایشگرها باعث کاهش قالب ملاحظه مصرف انرژی و دوام کاری بسیار زیاد شده‌اند. لامپ‌های LED با توجه به اینکه دارای اشعه‌ی زیان‌بار نیستند ازنظر پزشکی برای کسانی که مداوم با نور سروکار دارند توصیه می‌شود و برای چشم آسیب به دنبال نخواهد داشت؛ همچنین با توجه به اینکه نور مستقیم تابش می‌کنند هنوز هم نتوانسته‌اند به آن صورتی که انتظار می‌رود رایج شوند که البته با توجه به تدابیری که برای آن‌ها اندیشیده است به‌سرعت رایج خواهند شد.

منابع و مراجع

[۱]  n. . zheludev, “The life and times of the LED — a 100-year history,” Optoelectron. Res. Cent., Apr. 2007.

[۲]  “Light-emitting diode – Wikipedia, the free encyclopedia,” ۳۱-May-215AD. [Online]. Available: http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode. [Accessed: 31-May-2015].

[۳]  E. Fred Schubert, “History of light-emitting diodes,” Camb. Univ. Press, 2009.

[۴]  Lifetime of White LEDs at the Wayback Machine (archived April 10, 2009), US Department of Energy [5]      Vijay Kumar Peddinti, “Light Emitting Diodes.” ELE 432 Assignment, 2007.

[۶]  “Introducing the luminescence process.” [Online]. Available: http://edu.nano.ir/index.php?actn=papers_view&id=60&action2=print. [Accessed: 07-May-2014].

[۷]  “Light Emitting Diodes.” [Online]. Available: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/leds.html. [Accessed: 08-May-2014].

[۸]  J. Chaves, “Introduction to Nonimaging Optics,” Opt. Sci. Eng., p. 449, 2008.

[۹]  “Smart Lighting: New LED Drops The ‘Droop,’” Rensselaer Polytech. Inst., Jan. 2009.

پی نوشت:

[۱] -فرایند افزودن ناخالصی دوپینگ نامیده می‌شود.

[۲] اتصال همگون، در این نوع بازدهی کمتر است.

[۳] اتصال ناهمگون، در این نوع بازدهی بیشتر است.

منبع: نواندیشان