ال ای دی (LED) چیست؟ — به زبان ساده

«دیود نور افشان» (Light Emitting Diode) یا LED، نوع خاصی از دیودها است که مشخصات الکتریکی بسیار مشابهی با یک دیود پیوند PN دارد. این بدین معنی است که یک LED، جریان را در جهت مستقیم عبور خواهد داد، اما آن را در جهت معکوس سد خواهد کرد.

ال‌ ای‌ دی‌ از یک لایه بسیار نازک از ماده نیمه‌رسانا با ناخالصی تقریباً زیاد ساخته شده‌ و بسته به ماده نیمه‌رسانا و مقدار ناخالصی، وقتی بایاس مستقیم شود، یک نور رنگی با طول موج طیفی مشخص ساطع می‌کند.

وقتی دیود بایاس مستقیم شود، الکترون‌های باند هدایت نیمه‌رسانا با حفره‌های باند ظرفیت بازترکیب می‌شوند و انرژی کافی را برای فوتون‌های مولد نور مونوکروماتیک (تک‌رنگ) مهیا می‌کنند. به دلیل وجود لایه نازک، تعدادی از این فوتون‌ها می‌توانند از پیوند جدا شوند و یک خروجی نورانی رنگی تولید کنند. پس می‌توان گفت که وقتی LED بایاس مستقیم است، انرژی الکتریکی را به انرژی نوری تبدیل می‌کند.

ساختار یک LED نسبت به یک دیود عادی بسیار متفاوت است. پیوند PN یک LED از یک رزین اپوکسی پلاستیکی (Plastic Epoxy Resin) شفاف و سخت پوشیده شده است که پوسته یا بدنه‌ای به شکل یک نیم‌کره را تشکیل می‌دهد و از لرزش و شوک LED محافظت می‌کند.

جالب است بدانید که LED در واقع نور زیادی را منتشر نمی‌کند. بدنه رزین اپوکسی LED به گونه‌ای ساخته می‌شود که فوتون‌های نور منتشر شده از آن، به سمت بالا متمرکز شده و مانند یک لنز متمرکز می‌شوند. به همین دلیل است که نور خروجی بالای LED درخشان به نظر می‌رسد.

با این حال، پوسته اپوکسی همه LEDها به شکل نیم‌کره نیست. برخی از LED‌ها، ساختار مستطیلی یا استوانه‌ای دارند و سطح صاف بالایی آن‌ها مسطح است و یا به صورت نواری هستند. اما می‌توان گفت که همه LED‌ها دو پایه دارند که در قسمت زیرین آن‌ها تعبیه شده است.

همچنین، تقریباً در همه LEDهای مدرن، کاتد یا ترمینال منفی، با یک نقطه مسطح یا غیرمسطح مشخص می‌شود یا پایه آن کوتاه‌تر از پایه آند است.

برخلاف لامپ‌های معمولی رشته‌ای که هنگام روشن بودن مقدار زیادی گرما تولید می‌کنند، نور تولیدی LEDها «سرد» است. به همین دلیل، بازده آن‌ها نسبت به لامپ‌های معمولی بیشتر است. ال‌ ای‌ دی‌ها به دلیل اینکه قطعات حالت جامدی هستند، بسیار کوچک و بادوام بوده و به همین دلیل، طول عمر بیشتری نیز دارند.

رنگ ال ای دی‌

اما رنگ LEDها چگونه به وجود می‌آید؟ برخلاف دیودهای سیگنال که برای آشکارسازی یا یکسوسازی توان از مواد نیمه‌رسانای ژرمانیوم یا سیلیکون ساخته می‌شوند، ال‌ ای‌ دی‌ها از ترکیبات نیمه‌رساناها، مانند گالیوم آرسنید (GaAs)، گالیوم فسفید (GaP)، گالیوم آرسنید فسفید (GaAsP)، سیلیکون کاربید (SiC) یا گالیوم ایندیم نیترید (GaInN) با نسبت‌های مختلف ساخته می‌شوند تا طول‌موج‌های مختلف رنگ‌ها را تولید کنند.

ترکیبات LEDهای مختلف، نور را در ناحیه‌های مشخصی از طیف نور مرئی انتشار می‌دهند و به همین دلیل، سطوح چگالی مختلفی تولید می‌کنند. انتخاب دقیق ماده نیمه‌رسانا، طول موج کلی انتشار نور فوتون‌ها و در نتیجه نور رنگ ساطع‌ شده را تعیین می‌کند.

جدول زیر، مشخصه‌های LEDها را نشان می‌دهد.

بنابراین، رنگ واقعی یک LED، با طول موج نور منتشر شده آن تعیین می‌شود. طول موج نیز، با ترکیب نیمه‌رسانای به کار رفته در پیوند PN طی فرایند ساخت مشخص خواهد شد.

در نتیجه می‌توان گفت که رنگ نور یک LED، با رنگ بدنه پلاستیکی آن مشخص نمی‌شود. البته گاهی پوشش LED اندکی رنگ می‌شود تا نور خروجی را اندکی افزایش دهد و همچنین، رنگ خروجی‌اش قبل از روشن شدن، به صورت بصری مشخص باشد.

ال‌ ای‌ دی‌ها در رنگ‌های مختلفی در دسترس هستند که متداول‌ترین آن‌ها قرمز، کهربایی، زرد و سبز است. این رنگ‌ها کاربرد گسترده‌ای در شاخص‌های بصری و تابلوهای روان دارند. ال ای دی‌های آبی و سفید نیز در بازار موجود هستند که به دلیل ترکیبی بودن از دو یا چند رنگ دیگر و تزریق اتم‌های نیتروژن در ساختار بلوری ماده نیمه‌رسانا طی افزودن ناخالصی، هزینه بالاتری نسبت به رنگ‌های طبیعی دیگر دارند.

همان‌طور که از جدول بالا مشخص است، ناخالصی اصلی نوع P در LEDها، گالیوم (Ga با عدد اتمی 3131) و ناخالصی اصلی نوع N، آرسنیک (As با عدد اتمی 3333) است. این‌ها ساختار بلور گالیوم آرسنید (GaAs) را تشکیل می‌دهند.

مشکل استفاده از گالیوم آرسنید به عنوان ترکیب نیمه‌رسانا این است که با عبور جریان، مقدار زیادی تابش فروسرخ با روشنایی کم (حدود 850850 تا 940940 نانومتر) را از طریق پیوندش تولید می‌کند.

مقدار نور فروسرخی که ترکیب گالیوم آرسنید تولید می‌کند، برای کنترل از راه دور تلویزیون کافی است، اما اگر بخواهیم از LED به عنوان یک چراغ سیگنال استفاده کنیم، این ترکیب مفید نخواهد بود. با افزودن فسفر (P با عدد اتمی 1515)، به عنوان سومین ناخالصی، طول موج کلی نور، به زیر 680680 نانومتر کاهش می‌یابد که نور قرمز مرئی را تولید خواهد کرد. تقویت بیشتر پیوند PN، موجب تولید نورهایی با رنگ‌های متنوع خواهد شد.

با ترکیبات مختلف فلزها و گازها می‌توان انواع LEDهای زیر را تولید کرد:

  • گالیوم آرسنید (GaAs) – فروسرخ
  • گالیوم آرسنید فسفید (GaAsP) – قرمز تا مادون قرمز، نارنجی
  • آلومینیوم گالیوم آرسنید فسفید (AlGaAsP) – قرمز روشن، نارنجی-قرمز، نارنجی و زرد
  • گالیوم فسفید (GaP) – قرمز، زرد و سبز
  • آلومینیوم گالیوم فسفید (AlGaP) – سبز
  • نیترید گالیوم (GaN) – سبز، سبز زمردی
  • نیترید گالیوم ایندیوم (GaInN) – تقریباً فرابنفش، سبز مایل به آبی و آبی
  • کاربید سیلیسیوم (SiC) – آبی به عنوان زیرلایه
  • سلنید روی (ZnSe) – آبی
  • نیترید گالیوم آلومینیوم (AlGaN) – فرابنفش

مشابه دیودهای پیوند PN عادی، ال‌ ای‌ دی‌ها قطعاتی وابسته به جریان هستند و بسته به رنگ نور و بایاس جریان مستقیم، ولتاژ مستقیم VFVF دارند. اغلب LEDهای متداول، به یک ولتاژ مستقیم تقریباً بین 1.21.2 تا 3.63.6 ولت با جریان 1010 تا 3030 میلی‌آمپر نیاز دارند.

هر دو ولتاژ مستقیم و جریان مستقیم، به ماده نیمه‌رسانای به کار رفته در LED بستگی دارد؛ اما نقطه‌ای که هدایت از آن‌جا آغاز می‌شود و نور شروع به تابش می‌کند، برای یک LED قرمز استاندارد حدود 1.21.2 ولت و برای یک LED آبی حدود 3.63.6 ولت است.

البته مقدار دقیق افت ولتاژ، به دلیل مواد ناخالصی و طول‌ موج‌های مختلف، به سازنده بستگی دارد. افت ولتاژ LED در یک جریان مشخص، مثلاً 2020 میلی‌آمپر، به نقطه VFVF هدایت اولیه وابسته است. از آن‌جایی که LED در اصل یک دیود است، می‌توان برای هر رنگ، منحنی مشخصه جریان بر حسب ولتاژ‌ آن را رسم کرد. مثالی از این منحنی‌ها در شکل زیر نشان داده شده است.

از آن‌جایی که LED یک قطعه وابسته به جریان است و شدت نور خروجی، با جریان مستقیم گذرنده از آن نسبت مستقیم دارد، قبل از آنکه نوری تولید شود، باید جریان از آن بگذرد.

همچنین، از آن‌جایی که LED باید در شرایط بایاس مستقیم به منبع متصل شود، برای محدود کردن جریان گذرنده از آن و محافظت در برابر جریان‌های زیاد، از یک مقاومت سری استفاده می‌کنیم. هیچ‌‌گاه نباید یک LED را مستقیماً به باتری یا منبع تغذیه متصل کرد؛ زیرا جریان زیادی از آن عبور می‌کند و آسیب خواهد دید.

به دلیل آنکه LED باید در شرایط بایاس مستقیم به یک منبع متصل شود، در دو سر پیوند PN، افت ولتاژ خواهد داشت که مقدار آن با توجه به ماده نیمه‌رسانا تعیین می‌شود. افت ولتاژ به ازای مقدار مشخصی جریان هدایت مستقیم بیان می‌شود که به صورت معمول 2020 میلی‌آمپر است.

در اغلب موارد، LEDها با یک منبع ولتاژ DC کوچک و یک مقاومت سری RSRS برای محدود کردن جریان مستقیم (از 55 میلی‌آمپر برای LEDهای عادی تا 3030 میلی‌آمپر برای LEDهایی که خروجی نوری زیادی دارند) کار می‌‌کنند.

منبع: blog.faradars.org

محصول با موفقیت به سبد خرید اضافه شد.