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

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: 

بخش اول مقاله را می‌توانید در معرفی دیود ساطع‌ کننده نور (LED) و ساختار و اصول کاری آن - بخش اول مشاهده نمایید.

لایه‌های LED

یک دیود ساطع کننده نور (LED) از سه لایه تشکیل شده است:

• نیمه هادی نوع p
• نیمه هادی نوع n
• لایه تخلیه

نیمه هادی نوع p و نیمه هادی نوع n توسط یک ناحیه تخلیه یا لایه تخلیه از هم جدا می‌شوند.

نیمه هادی نوع P

هنگامی که ناخالصی‌های سه ظرفیتی به نیمه هادی ذاتی یا خالص اضافه می‌شود، یک نیمه هادی نوع p تشکیل می‌شود.

در نیمه هادی‌های نوع p، حفره‌ها حامل اکثریت بار و الکترون‌های آزاد حامل‌های اقلیت هستند. بنابراین، سوراخ‌ها بیشتر جریان الکتریکی را در نیمه هادی‌های نوع p حمل می‌کنند.

نیمه هادی نوع N

هنگامی که ناخالصی‌های پنج ظرفیتی به نیمه هادی ذاتی اضافه می‌شود، یک نیمه هادی نوع n تشکیل می‌شود.

در نیمه هادی‌های نوع n، الکترون‌های آزاد حامل اکثریت بار و حفره‌ها حامل‌های بار اقلیت هستند. بنابراین، الکترون‌های آزاد بیشتر جریان الکتریکی را در نیمه هادی‌های نوع n حمل می‌کنند.

لایه یا منطقه تخلیه

منطقه تخلیه منطقه‌ای بین نیمه هادی‌های نوع p و نوع n است که در آن هیچ حامل بار متحرک (الکترون‌ها و حفره‌های آزاد) وجود ندارد. این ناحیه به عنوان مانعی در برابر جریان الکتریکی عمل می‌کند. این با جریان الکترون‌ها از نیمه هادی‌های نوع n و جریان حفره‌ها از نیمه هادی‌های نوع p مخالف است.

برای غلبه بر مانع لایه تخلیه، باید ولتاژی بیشتر از پتانسیل مانع لایه تخلیه اعمال کنیم.

اگر ولتاژ اعمال شده بیشتر از پتانسیل مانع لایه تخلیه باشد، جریان الکتریکی شروع به جریان می‌کند.

دیود ساطع کننده نور (LED) چگونه کار می کند؟

دیود ساطع کننده نور (LED) فقط در شرایط بایاس رو به جلو کار می‌کند. هنگامی که دیود ساطع کننده نور (LED) بایاس مستقیم باشد، الکترون‌های آزاد از سمت n و حفره‌های سمت p به سمت اتصال رانده می‌شوند.

هنگامی که الکترون‌های آزاد به ناحیه اتصال یا تخلیه می‌رسند، برخی از الکترون‌های آزاد با حفره‌های یون‌های مثبت دوباره ترکیب می‌شوند. می‌دانیم که یون‌های مثبت دارای الکترون‌های کمتری نسبت به پروتون‌ها هستند؛ بنابراین آماده پذیرش الکترون هستند.

بنابراین، الکترون‌های آزاد با حفره‌های ناحیه تخلیه دوباره ترکیب می‌شوند. به روشی مشابه، سوراخ‌های سمت p با الکترون‌های ناحیه تخلیه دوباره ترکیب می‌شوند.

به دلیل ترکیب مجدد الکترون‌های آزاد و حفره‌ها در ناحیه تخلیه، عرض ناحیه تخلیه کاهش می‌یابد. در نتیجه، حامل‌های بار بیشتری از اتصال p-n عبور می‌کنند.

برخی از حامل‌های بار از سمت p و سمت n قبل از ترکیب مجدد در ناحیه تخلیه از اتصال p-n عبور می‌کنند. به عنوان مثال، برخی از الکترون‌های آزاد از نیمه هادی‌های نوع n از اتصال p-n عبور می‌کنند و با سوراخ‌هایی در نیمه هادی‌های نوع p ترکیب می‌شوند. به روشی مشابه، سوراخ‌های نیمه هادی‌های نوع p از اتصال p-n عبور کرده و با الکترون‌های آزاد در نیمه هادی نوع n ترکیب می‌شوند.

بنابراین، نوترکیبی در ناحیه تخلیه و همچنین در نیمه هادی‌های نوع p و نوع n صورت می‌گیرد.

الکترون‌های آزاد در نوار رسانایی قبل از اینکه دوباره با حفره‌های نوار ظرفیت ترکیب شوند، انرژی را به شکل نور آزاد می‌کنند.

در دیود‌های سیلیکون و ژرمانیوم، بیشتر انرژی به صورت گرما آزاد می‌شود و نور ساطع شده بسیار کم است.

با این حال، در موادی مانند آرسنید گالیم و فسفید گالیم، فوتون‌های ساطع شده انرژی کافی برای تولید نور مرئی شدید دارند.

LED چگونه نور ساطع می‌کند؟

هنگامی که یک ولتاژ خارجی به الکترون‌های ظرفیت اعمال می‌شود، انرژی کافی به دست می‌آورند و پیوند با اتم مادر را می‌شکنند. الکترون‌های ظرفیتی که پیوند با اتم مادر را قطع می‌کنند، الکترون‌های آزاد نامیده می‌شوند.

هنگامی که الکترون ظرفیت از اتم مادر خارج شد، فضای خالی در لایه ظرفیتی که الکترون ظرفیت در آن باقی می‌ماند، باقی می‌ماند. به این فضای خالی در پوسته ظرفیت، سوراخ می‌گویند.

سطح انرژی تمام الکترون‌های ظرفیت تقریباً یکسان است. گروه بندی محدوده سطوح انرژی تمام الکترون‌های ظرفیت را باند ظرفیت می‌گویند.

به روشی مشابه، سطح انرژی تمام الکترون‌های آزاد تقریباً یکسان است. گروه بندی محدوده تراز‌های انرژی تمام الکترون‌های آزاد را نوار رسانایی می‌نامند.

سطح انرژی الکترون‌های آزاد در نوار رسانایی در مقایسه با سطح انرژی الکترون‌های ظرفیت یا حفره‌های باند ظرفیت بالا است. بنابراین، الکترون‌های آزاد در باند رسانایی برای ترکیب مجدد با حفره‌های نوار ظرفیت نیاز به از دست دادن انرژی دارند.

الکترون‌های آزاد در نوار رسانایی برای مدت طولانی باقی نمی‌مانند. پس از مدت کوتاهی، الکترون‌های آزاد انرژی خود را به شکل نور از دست می‌دهند و با حفره‌های نوار ظرفیت دوباره ترکیب می‌شوند. هر نوترکیبی از حامل بار مقداری انرژی نور ساطع می‌کند.

اتلاف انرژی الکترون‌های آزاد یا شدت نور ساطع شده به شکاف ممنوع یا شکاف انرژی بین نوار رسانایی و باند ظرفیت بستگی دارد.
دستگاه نیمه هادی با شکاف ممنوعه بزرگ نور با شدت بالا ساطع می‌کند در حالی که دستگاه نیمه هادی با شکاف ممنوعه کوچک نور کم شدت ساطع می‌کند.

به عبارت دیگر، روشنایی نور ساطع شده به مواد مورد استفاده برای ساخت LED و جریان مستقیم از طریق LED بستگی دارد.

در دیود‌های سیلیکونی معمولی، شکاف انرژی بین نوار رسانایی و باند ظرفیت کمتر است. از این رو، الکترون‌ها فقط در فاصله کوتاهی سقوط می‌کنند. در نتیجه فوتون‌های کم انرژی آزاد می‌شوند. این فوتون‌های کم انرژی فرکانس پایینی دارند که برای چشم انسان نامرئی است.

در LED ها، شکاف انرژی بین باند هدایت و باند ظرفیت بسیار بزرگ است، بنابراین الکترون‌های آزاد در LED‌ها انرژی بیشتری نسبت به الکترون‌های آزاد در دیود‌های سیلیکونی دارند. از این رو، الکترون‌های آزاد در فاصله زیادی سقوط می‌کنند. در نتیجه فوتون‌های پر انرژی آزاد می‌شوند. این فوتون‌های پر انرژی فرکانس بالایی دارند که با چشم انسان قابل مشاهده است.

راندمان تولید نور در LED با افزایش جریان تزریقی و با کاهش دما افزایش می‌یابد.
در دیود‌های ساطع کننده نور به دلیل فرآیند نوترکیبی نور تولید می‌شود. ترکیب مجدد حامل‌های شارژ فقط در شرایط بایاس رو به جلو انجام می‌شود. از این رو، LED‌ها فقط در شرایط بایاس رو به جلو کار می‌کنند.

هنگامی که دیود ساطع کننده نور بایاس معکوس می‌شود، الکترون‌های آزاد (حامل اکثریت) از سمت n و حفره‌ها (حامل اکثریت) از سمت p از محل اتصال دور می‌شوند. در نتیجه، عرض ناحیه تخلیه افزایش می‌یابد و هیچ گونه نوترکیبی از حامل‌های بار رخ نمی‌دهد؛ بنابراین نور تولید نمی‌شود.

اگر ولتاژ بایاس معکوس اعمال شده به LED بسیار افزایش یابد، ممکن است دستگاه نیز آسیب ببیند.

همه دیود‌ها فوتون یا نور ساطع می‌کنند، اما همه دیود‌ها نور مرئی ساطع نمی‌کنند. ماده در یک LED به گونه‌ای انتخاب می‌شود که طول موج فوتون‌های آزاد شده در بخش مرئی طیف نور قرار می‌گیرد.

دیود‌های ساطع کننده نور را می‌توان با سرعت بسیار سریع ۱ ns روشن و خاموش کرد.