معرفی دیود ساطع‌ کننده نور (LED) و ساختار و اصول کاری آن - بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: 

نور چیست؟

قبل از اینکه به نحوه عملکرد LED بپردازیم، ابتدا نگاهی کوتاه به خود نور بیندازیم. از زمان‌های قدیم انسان نور را از منابع مختلفی مانند اشعه‌های خورشید، شمع‌ها و لامپ‌ها به دست آورده است.

در سال ۱۸۷۹ توماس ادیسون لامپ رشته‌ای را اختراع کرد. در لامپ، جریان الکتریکی از فیلامنت داخل لامپ عبور می‌کند.

هنگامی که جریان کافی از فیلامنت عبور می‌کند، گرم می‌شود و نور ساطع می‌کند. نور ساطع شده از رشته نتیجه انرژی الکتریکی تبدیل به انرژی گرمایی است که به نوبه خود به انرژی نور تبدیل می‌شود.

برخلاف لامپ که در آن انرژی الکتریکی ابتدا به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود، انرژی الکتریکی نیز می‌تواند مستقیماً به انرژی نور تبدیل شود.

در دیود‌های ساطع‌ کننده نور (LED) انرژی الکتریکی که از آن عبور می‌کند مستقیماً به انرژی نور تبدیل می‌شود.

نور نوعی انرژی است که می‌تواند توسط یک اتم آزاد شود. نور از بسیاری از ذرات کوچک به نام فوتون تشکیل شده است. فوتون‌ها انرژی و تکانه دارند، اما جرم ندارند.

اتم‌ها بلوک‌های اصلی سازنده ماده هستند. هر جسمی در جهان از اتم تشکیل شده است. اتم‌ها از ذرات کوچکی مانند الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شده اند.

الکترون‌ها دارای بار منفی، پروتون‌ها دارای بار مثبت و نوترون‌ها بدون بار هستند.

نیروی جاذبه بین پروتون‌ها و نوترون‌ها باعث می‌شود که آن‌ها به هم بچسبند و هسته را تشکیل دهند. نوترون‌ها شارژ ندارند. بنابراین، بار کلی هسته مثبت است.

الکترون‌های با بار منفی همیشه به دلیل نیروی جاذبه الکترواستاتیکی بین آن‌ها به دور هسته با بار مثبت می‌چرخند. الکترون‌ها در مدار‌ها یا پوسته‌های مختلف به دور هسته می‌چرخند. هر مدار دارای سطح انرژی متفاوتی است.

به عنوان مثال، الکترون‌هایی که به دور بسیار نزدیک به هسته می‌چرخند انرژی کمی دارند در حالی که الکترون‌هایی که دورتر از هسته می‌چرخند انرژی بالایی دارند.

الکترون‌های موجود در سطح انرژی پایین‌تر به مقداری انرژی اضافی برای پرش به سطح انرژی بالاتر نیاز دارند. این انرژی اضافی می‌تواند توسط منبع بیرونی تامین شود. وقتی الکترون‌هایی که به دور هسته می‌چرخند از منبع بیرونی انرژی می‌گیرند، به مدار بالاتر یا سطوح انرژی بالاتر می‌پرند.

الکترون‌های سطح انرژی بالاتر برای مدت طولانی باقی نمی‌مانند. پس از مدت کوتاهی، الکترون‌ها به سطح انرژی پایین‌تری برمی‌گردند. الکترون‌هایی که از سطوح انرژی بالاتر به سطوح انرژی پایین‌تر می‌پرند، انرژی را به شکل فوتون نور آزاد می‌کنند. در برخی مواد، این اتلاف انرژی بیشتر به صورت گرما آزاد می‌شود. الکترونی که انرژی بیشتری از دست می‌دهد فوتون انرژی بیشتری آزاد می‌کند.

دیود ساطع‌ کننده نور (LED) چیست؟

دیود‌های ساطع‌ کننده نور (LED) پرکاربردترین دیود‌های نیمه هادی در بین انواع مختلف دیود‌های نیمه هادی هستند که امروزه در دسترس هستند. دیود‌های ساطع کننده نور هنگام بایاس مستقیم، نور مرئی یا نور مادون قرمز نامرئی ساطع می‌کنند. LED‌هایی که نور مادون قرمز نامرئی ساطع می‌کنند برای کنترل از راه دور استفاده می‌شوند.

دیود ساطع‌ کننده نور (LED) یک دستگاه نیمه هادی نوری است که هنگام اعمال ولتاژ نور ساطع می‌کند. به عبارت دیگر LED یک وسیله نیمه هادی نوری است که انرژی الکتریکی را به انرژی نور تبدیل می‌کند.

هنگامی که دیود ساطع‌ کننده نور (LED) بایاس رو به جلو است، الکترون‌های آزاد در باند رسانایی با حفره‌های نوار ظرفیت دوباره ترکیب می‌شوند و انرژی را به شکل نور آزاد می‌کنند.

فرآیند گسیل نور در پاسخ به میدان الکتریکی قوی یا جریان الکتریکی الکترولومینسانس نامیده می‌شود.
یک دیود معمولی اتصال p-n جریان الکتریکی را فقط در یک جهت می‌دهد. وقتی بایاس رو به جلو می‌شود جریان الکتریکی را می‌دهد و وقتی بایاس معکوس می‌شود جریان الکتریکی را نمی‌دهد. بنابراین، دیود اتصال p-n معمولی فقط در شرایط بایاس رو به جلو عمل می‌کند.

مانند دیود‌های معمولی اتصال p-n، LED‌ها نیز فقط در شرایط بایاس رو به جلو عمل می‌کنند. برای ایجاد یک LED، مواد نوع n باید به پایانه منفی باتری و مواد نوع p باید به پایانه مثبت باتری وصل شوند. به عبارت دیگر، مواد نوع n باید دارای بار منفی و مواد نوع p دارای بار مثبت باشند.

ساختار LED شبیه دیود اتصال p-n معمولی است با این تفاوت که از مواد گالیوم، فسفر و آرسنیک به جای مواد سیلیکون یا ژرمانیوم برای ساخت و ساز استفاده می‌شود.

در دیود‌های معمولی اتصال p-n، سیلیکون بیشترین استفاده را دارد، زیرا حساسیت کمتری به دما دارد. همچنین، جریان الکتریکی را به طور موثر و بدون هیچ آسیبی امکان پذیر می‌کند. در برخی موارد از ژرمانیوم برای ساخت دیود استفاده می‌شود.

با این حال، دیود‌های سیلیکونی یا ژرمانیومی انرژی را به شکل نور منتشر نمی‌کنند. در عوض، انرژی را به شکل گرما منتشر می‌کنند. بنابراین، از سیلیکون یا ژرمانیوم برای ساخت LED استفاده نمی‌شود.