دیود های LED چگونه ساخته می شوند؟

دیود ساطع کننده نور (LED)

نور چیست؟
قبل از اینکه به نحوه عملکرد LED بپردازیم ، بیایید ابتدا نگاه مختصری به خود نور بیندازیم. از زمان های بسیار قدیم انسان از منابع مختلف مانند نور خورشید ، شمع و لامپ نور می گرفت.

در سال ۱۸۷۹ ، توماس ادیسون لامپ رشته ای را اختراع کرد. در لامپ ، جریان الکتریکی از طریق یک رشته درون لامپ عبور می کند.

با عبور جریان کافی از رشته ، آن گرم شده و نور ساطع می کند. نور ساطع شده توسط رشته در نتیجه انرژی الکتریکی تبدیل شده به انرژی گرمایی است که به نوبه خود به انرژی نور تبدیل می شود.

برخلاف لامپ که در آن انرژی الکتریکی ابتدا به انرژی گرمایی تبدیل می شود ، انرژی الکتریکی نیز می تواند مستقیماً به انرژی نوری تبدیل شود.

در دیودهای ساطع کننده نور (LED) ، انرژی الکتریکی جریان یافته از آن مستقیماً به انرژی نوری تبدیل می شود.

نور نوعی انرژی است که می تواند توسط یک اتم آزاد شود. نور از بسیاری از ذرات کوچک به نام فوتون تشکیل شده است. فوتون ها دارای انرژی و تکانه هستند اما جرم ندارند.

اتم ها عناصر اصلی سازنده ماده هستند. هر جسم در جهان از اتم تشکیل شده است. اتم ها از ذرات کوچک مانند الکترون ، پروتون و نوترون تشکیل شده اند.

الکترون ها بار منفی دارند ، پروتون ها بار مثبت دارند و نوترون ها بدون بار هستند.

نیروی کشش بین پروتون ها و نوترون ها باعث می شود که آنها به هم بچسبند و هسته تشکیل دهند. نوترون ها بدون بارند. از این رو ، بار کلی هسته مثبت می باشد.

الکترونهای دارای بار منفی به دلیل نیروی جاذبه الکترواستاتیکی بین آنها ، همیشه به دور هسته با بار مثبت می چرخند. الکترون ها در مدارها یا پوسته های مختلف به دور هسته می چرخند. هر مدار یا پوسته دارای سطح انرژی متفاوتی است.

به عنوان مثال ، الکترونهایی که در مدار بسیار نزدیک به هسته هستند ، انرژی کمی دارند در حالی که الکترونهایی که دورتر از هسته می چرخند ، انرژی زیادی نسبت به مدار پایین تر از خود دارند.

الکترونها در سطح انرژی پایین تر به مقداری انرژی اضافی نیاز دارند تا به مدار انرژی بالاتر بپرند. این انرژی اضافی می تواند توسط منبع خارجی تأمین شود. وقتی الکترونها در مدار می چرخند و از منبع خارجی انرژی می گیرند ، آنها به مدار بالاتر انتقال میابند.

الکترون هایی که از مدار خود خارج شده و به مدار بالاتر رفته اند برای مدت طولانی در مدار بالا باقی نمی مانند. پس از یک دوره کوتاه ، الکترون ها دوباره به مدار قبلی خود باز می گردند. الکترونهایی که از مدار بالاتر به مدار  پایینی می روند ، انرژی را به صورت فوتون یا نور آزاد می کنند. در بعضی از مواد ، این انرژی از دست رفته بیشتر به صورت گرما آزاد می شود. الکترونی که انرژی بیشتری از دست می دهد ، فوتون یا نور بیشتری آزاد می کند.

دیود ساطع کننده نور (LED) چیست؟

دیودهای ساطع کننده نور (LED) پرکاربردترین دیودهای نیمه هادی در میان انواع مختلف دیودهای نیمه هادی موجود است. دیودهای ساطع کننده نور در بایاس مستقیم ، نور مرئی یا نور مادون قرمز نامرئی ساطع می کنند. LED هایی که نور مادون قرمز نامرئی ساطع می کنند برای کاربرد های کنترل از راه دور مورد استفاده قرار می گیرند.

یک دیود ساطع کننده نور (LED) یک عنصر نیمه هادی نوری است که با اعمال ولتاژ ، نور را ساطع می کند. به عبارت دیگر ، LED یک عنصر نیمه هادی نوری است که انرژی الکتریکی را به انرژی نور تبدیل می کند.

وقتی دیود ساطع کننده نور (LED) در بایاس مستقیم قرار گیرد ، الکترونهای آزاد موجود در باند هدایت با حفره های باند ظرفیت ترکیب می شوند و در نتیجه انرژی را به صورت نور آزاد می کنند.

به فرآیند تابش نور در پاسخ به میدان الکتریکی قوی یا جریان جریان الکتریکی ، الکترولومینسانس (electroluminescence) گفته می شود.

یک دیود اتصال p-n  معمولی جریان الکتریکی را فقط در یک جهت عبور می دهد اما در هنگام بایاس معکوس پیوند pn همانند سد عبور جریان الکتریکی را مسدود می کند. بنابراین ، یک دیود اتصال p-n طبیعی فقط در شرایط بایاس مستقیم کار می کند.

مانند دیودهای اتصال p-n معمولی ، LED ها نیز فقط در شرایط بایاس مستقیم کار می کنند. برای ایجاد یک LED ، نیمه هادی نوع n باید به ترمینال منفی تغذیه و نیمه هادی نوع p باید به ترمینال مثبت تغذیه متصل شوند. به عبارت دیگر ، نیمه هادی نوع n باید بار منفی و نیمه هادی نوع p بار مثبت داشته باشند.

ساخت LED مشابه دیود p-n معمولی است با این تفاوت که از مواد گالیم (Gallium)، فسفر (Phosphorus) و آرسنیک (Arsenic)به جای مواد سیلیکونی یا ژرمانیم برای ساخت استفاده می شود.

در دیودهای پیوند p-n معمولی ، سیلیسیم بیشترین کاربرد را دارد زیرا حساسیت کمتری به دما دارد. همچنین ، جریان برق زیادی را می تواند  بدون آسیب دیدگی از خود عبور دهد. در بعضی موارد از ژرمانیوم برای ساخت دیودها استفاده می شود.

با این حال ، دیودهای سیلیسیم یا ژرمانیم انرژی را به صورت نور منتشر نمی کنند. در عوض ، آنها انرژی را به صورت گرما تلف می کنند. بنابراین ، از سیلیسیم یا ژرمانیم برای ساخت LED استفاده نمی شود.

لایه های LED

یک دیود ساطع کننده نور (LED) از سه لایه تشکیل شده است: نیمه هادی نوع p ، نیمه هادی نوع n و لایه فعال یا تخلیه. نیمه هادی نوع p و نیمه هادی نوع n توسط یک لایه تخلیه از هم جدا می شوند.

نیمه هادی نوع P

وقتی ناخالصی های سه ظرفیتی به نیمه هادی ذاتی یا خالص اضافه می شوند ، یک نیمه هادی نوع P تشکیل می شود.

در نیمه هادی های نوع p حفره ها حاملهای بار اکثریت و الکترونهای آزاد حاملهای بار اقلیت هستند. بنابراین ، سوراخ ها بیشتر جریان الکتریکی را در نیمه رسانای نوع p حمل می کنند.

نیمه هادی نوع N

وقتی ناخالصی های پنج ظرفیتی به نیمه هادی ذاتی اضافه می شوند ، یک نیمه هادی نوع n تشکیل می شود.

در نیمه هادیهای نوع n ، الکترونهای آزاد حاملهای بار اکثریت و حفرهها حاملهای بارهای اقلیت هستند. بنابراین ، الکترونهای آزاد بیشتر جریان الکتریکی را در نیمه هادی نوع n حمل می کنند.

لایه یا ناحیه تخلیه

لایه تخلیه ناحیه ای است که بین نیمه هادی نوع p و n قرار داده می شود و در آن هیچ حامل بار متحرک (الکترونها و حفره های آزاد) وجود ندارد. این ناحیه به عنوان سدی در برابر جریان الکتریکی عمل می کند.این لایه بار هایی مخالف نوع نیمه هادی p و n دارد به طوری که برای نیمه هادی نوع p بار منفی و برای نیمه هادی نوع n بار مثبت دارد.

برای غلبه بر سد لایه تخلیه ، باید ولتاژی را اعمال کنیم که از پتانسیل سد لایه تخلیه بیشتر باشد.

اگر ولتاژ اعمال شده از پتانسیل سد لایه تخلیه بیشتر باشد ، جریان الکتریکی شروع به جریان می کند.

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

دیود ساطع کننده نور (LED) فقط در شرایط بایاس مستقیم کار می کند. وقتی دیود ساطع کننده نور (LED) در بایاس مستقیم قرار گیرد ، الکترونهای آزاد از سمت n و حفره های سمت p به سمت محل پیوند سوق داده می شوند.

هنگامی که الکترونهای آزاد به محل اتصال یا تخلیه یا پیوند می رسند ، برخی از الکترونهای آزاد با حفره هایی با یونهای مثبت دوباره ترکیب می شوند. می دانیم که الکترون های یون مثبت کمتر از پروتون ها است. بنابراین ، آنها آماده جذب الکترون هستند. بنابراین ، الکترونهای آزاد با حفره هایی در ناحیه تخلیه ترکیب می شوند. به همین ترتیب ، حفره های سمت p با الکترونهای ناحیه تخلیه دوباره ترکیب می شوند.

به دلیل ترکیب مجدد الکترونهای آزاد و حفره ها  در منطقه تخلیه ، عرض ناحیه تخلیه کاهش می یابد. در نتیجه ، بارهای بیشتری از اتصال p-n عبور می کنند.

برخی از حامل های بار از سمت نیمه هادی  p و n  قبل از اینکه در ناحیه تخلیه ترکیب شوند ، از پیوند p-n عبور می کنند. به عنوان مثال ، برخی از الکترونهای آزاد از نیمه هادی نوع n از محل پیوند p-n عبور کرده و با حفره هایی در نیمه هادی نوع p ترکیب می شوند. به روش مشابه ، حفره هایی از نیمه هادی نوع p از محل پیوند p-n عبور کرده و با الکترونهای آزاد در نیمه هادی نوع n ترکیب می شوند.

بنابراین ، ترکیب هم در ناحیه تخلیه و هم در نیمه هادی نوع p و n صورت می گیرد.

الکترونهای آزاد موجود در باند هدایت ، انرژی را به شکل نور آزاد می کنند قبل از اینکه با حفره های باند ظرفیت ترکیب شوند.

در دیودهای سیلیسیم و ژرمانیم بیشتر انرژی به صورت گرما آزاد می شود و نور ساطع شده بسیار کم است.

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

چگونه LED نور را ساطع می کند؟

وقتی ولتاژ خارجی به الکترونهای ظرفیت اعمال می شود ، آنها انرژی کافی به دست می آورند و پیوند با اتم اصلی را می شکند. الکترونهای ظرفیت که پیوند با اتم اصلی را می شکند ، الکترونهای آزاد نامیده می شوند.

هنگامی که الکترون ظرفیت از اتم اصلی جدا می شود. یک فضای خالی در پوسته یا مدار اتم ایجاد می شود به این فضای خالی در پوسته ظرفیت ، یک حفره گفته می شود.

سطح انرژی تمام الکترونهای ظرفیت تقریباً یکسان است. گروه بندی دامنه سطوح انرژی همه الکترونهای ظرفیت را باند ظرفیت می نامند.

به روشی مشابه ، سطح انرژی تمام الکترونهای آزاد تقریباً یکسان است. گروه بندی دامنه سطوح انرژی تمام الکترونهای آزاد را باند رسانایی یا هدایت می نامند.

سطح انرژی الکترونهای آزاد در باند هدایت در مقایسه با سطح انرژی الکترونهای ظرفیت یا حفره های باند ظرفیت زیاد است. بنابراین ، الکترونهای آزاد در باند هدایت برای ترکیب مجدد با حفره های باند ظرفیت ، نیاز به از دست دادن انرژی دارند.

الکترونهای آزاد در باند هدایت برای مدت طولانی باقی نمی مانند. الکترون های آزاد پس از مدت کوتاهی انرژی خود را به صورت نور از دست می دهند و با حفره های باند ظرفیت دوباره ترکیب می شوند. هر ترکیبی از حامل بار مقداری از انرژی نور را ساطع می کند.

انرژی از دست رفته الکترونهای آزاد یا شدت نور ساطع شده به باند انرژی بین باند هدایت و باند ظرفیت بستگی دارد.

یک نیمه هادی با باند انرژی بزرگ ،  نور با شدت زیاد ساطع می کند در حالی که  نیمه هادی با باند انرژی کوچک ، نور با شدت کم ساطع می کند.

به عبارت دیگر ، روشنایی نور ساطع شده به مواد مورد استفاده برای ساخت LED و جریان هدایت آن بستگی دارد.

در دیودهای سیلیکونی نرمال ، فاصله باند انرژی بین باند هدایت و باند ظرفیت کمتر است. از این رو ، الکترون ها فقط در یک فاصله کوتاه ترکیب می شوند. در نتیجه ، فوتون هایی با انرژی کم آزاد می شوند. این فوتون های کم انرژی دارای فرکانس کمی هستند که برای چشم انسان قابل مشاهده نیست.

در LED ها ، فاصله باند انرژی بین باند هدایت و باند ظرفیت بسیار زیاد است ، بنابراین الکترون های آزاد در LED ها انرژی بیشتری نسبت به الکترون های آزاد در دیودهای سیلیکون دارند. از این رو در LED ها ، الکترونهای آزاد تا فاصله زیادی می توانند حرکت کنند. در نتیجه ، نور یا فوتون های با انرژی بالایی آزاد می شوند. این فوتون های با انرژی بالا فرکانس بالایی دارند که برای چشم انسان قابل مشاهده است.

راندمان تولید نور در LED با افزایش جریان اعمالی و با کاهش دما افزایش  می یابد.

در دیودهای ساطع کننده نور ، به دلیل فرآیند ترکیب مجدد ، نور تولید می شود. ترکیبی از حامل های بار فقط در شرایط بایاس مستقیم انجام می گیرد. از این رو ، LED ها فقط در شرایط بایاس مستقیم کار می کنند.

وقتی دیود ساطع کننده نور در بایاس معکوس قرار گیرد ، الکترونهای آزاد (حاملهای اکثریت) از سمت n و حفره ها (حاملهای اکثریت) از سمت p از محل پیوند دور می شوند. در نتیجه ، عرض ناحیه تخلیه افزایش می یابد و هیچ ترکیبی از حامل های بار اتفاق نمی افتد. بنابراین ، هیچ نوری تولید نمی شود.

اگر ولتاژ بایاس معکوس اعمال شده به LED بسیار زیاد شود ، ممکن است LED آسیب ببیند.

همه دیودها فوتون یا نور ساطع می کنند اما همه دیودها نور مرئی ساطع نمی کنند. مواد موجود در LED به گونه ای انتخاب می شود که طول موج فوتونهای آزاد شده در قسمت قابل مشاهده طیف نور قرار گیرد.

دیودهای ساطع کننده نور را می توان با سرعت بسیار سریع ۱ نانو ثانیه روشن و خاموش کرد.

نماد دیود ساطع کننده نور (LED)

نماد LED مشابه دیود  p-n معمولی است با این تفاوت که حاوی فلش هایی از سمت دیود به خارج است که  نشان می دهد نور توسط دیود ساطع می شود.

LED ها در رنگ های مختلف موجود هستند. رایج ترین رنگ LED ها نارنجی ، زرد ، سبز و قرمز است.

نماد شماتیک LED رنگ نور را نشان نمی دهد. نماد شماتیک برای همه رنگهای LED یکسان است. از این رو ، نمی توان رنگ LED را با دیدن نماد آن تشخیص داد.

ساخت LED

یکی از روشهای مورد استفاده برای ساخت LED قرار دادن سه لایه نیمه هادی بر روی لایه معمولی است. سه لایه نیمه هادی قرار داده شده روی لایه معمولی ، نیمه هادی نوع n ، نیمه هادی نوع p و منطقه فعال است. منطقه فعال در بین لایه های نیمه هادی نوع n و نوع p وجود دارد.

هنگامی که LED در بایاس مستقیم قرار می گیرد ، الکترونهای آزاد از نیمه هادی نوع n و حفره های نیمه هادی نوع p به سمت ناحیه فعال یا تخلیه رانده می شوند.

وقتی الکترونهای آزاد از سمت n و حفره های سمت p با حاملهای بار مخالف (الکترونهای آزاد با حفره یا حفره ها با الکترونهای آزاد) در ناحیه فعال ترکیب شوند ، یک نور نامرئی یا مرئی ساطع می شود.

در LED ، بیشتر حامل های بار در منطقه فعال ترکیب می شوند. بنابراین ، بیشتر نور توسط ناحیه فعال ساطع می شود. ناحیه فعال به عنوان ناحیه تخلیه نیز خوانده می شود.

بایاس LED

مقدار ولتاژ ایمن در اکثر LED های معمولی از ۱ ولت تا ۳ ولت و مقدار جریان از ۲۰ میلی آمپر تا ۱۰۰ میلی آمپر و این بسته به نوع و توان LED می تواند متغیر باشد 

اگر ولتاژ وارد شده به LED بین ۱ ولت تا ۳ ولت باشد ، LED از آستانه هدایت عبور کرده و در مرحله فعال قرار می گیرد زیرا  ولتاژ اعمال شده در محدوده عملکرد LED است. اما اگر ولتاژ اعمال شده به LED به مقداری بیشتر از ۳ ولت افزایش یابد ناحیه تخلیه در LED آسیب می بیند و جریان عبوری  ناگهان افزایش می یابد. این افزایش ناگهانی جریان ممکن است LED از کار بیندازد.

برای جلوگیری از این مسئله باید یک مقاومت (Rs) را به صورت سری با LED قرار دهیم. مقاومت (Rs) باید بین منبع ولتاژ (Vs) و LED قرار گیرد.

مقاومت قرار داده شده در بین منبع LED و ولتاژ را مقاومت محدود کننده جریان می نامند. این مقاومت جریان اضافی را که ممکن است LED را از بین ببرد محدود می کند. بنابراین ، مقاومت محدود کننده جریان از LED در برابر آسیب محافظت می کند.

جریان عبوری از LED به صورت ریاضی به صورت زیر نوشته می شود

که در آن:

IF = جریان عبوری

VS = ولتاژ منبع یا ولتاژ منبع تغذیه

VD = افت ولتاژ روی LED

RS = مقدار مقاومت یا مقاومت محدود کننده جریان

افت ولتاژ ، مقدار ولتاژ تلف شده برای شکستن مقاومت ناحیه تخلیه است (که منجر به جریان پیدا کردن یا عبور جریان الکتریکی می شود).

افت ولتاژ LED از ۲  تا ۳ ولت است در حالی که دیود سیلیسیم یا ژرمانیم ۰٫۳ یا ۰٫۷ ولت است.

بنابراین ، برای کار با LED باید ولتاژ بیشتری نسبت به دیودهای سیلیسیم یا ژرمانیم اعمال کنیم.

دیودهای ساطع کننده نور انرژی بیشتری نسبت به دیودهای سیلیسیم یا ژرمانیوم مصرف می کنند.

مشخصات خروجی LED
مقدار نور خروجی ساطع شده از LED مستقیماً با میزان جریان عبوری از LED متناسب است. هرچه جریان افزایش یابد ، نور خروجی ساطع شده بیشتر است. نمودار جریان جلو و نور خروجی در شکل نشان داده شده است.

LED های قابل مشاهده و LED های نامرئی

LED ها عمدتا به دو نوع طبقه بندی می شوند: LED های قابل مشاهده و LED های نامرئی.

LED قابل مشاهده نوعی LED است که نور مرئی ساطع می کند. این LED ها عمدتا برای نمایش یا روشنایی استفاده می شوند که این LED ها به صورت جداگانه و با توجه به مرئی بودن بدون حسگرهای نوری استفاده می شوند.

LED نا مرئی نوعی LED است که نور نامرئی (نور مادون قرمز) ساطع می کند. این LED ها عمدتا با سنسورهای نوری مانند فوتودیودها یا حسگر های نوری استفاده می شوند.

چه چیزی رنگ LED را تعیین می کند؟

مواد مورد استفاده برای ساخت LED رنگ آن را تعیین می کند. به عبارت دیگر ، طول موج یا رنگ نور ساطع شده به لایه باند انرژی ماده بستگی دارد.

مواد مختلف نورهای مختلفی را ساطع می کنند.

LED های گالیم آرسنید نور قرمز و مادون قرمز منتشر می کنند.

LED های نیترید گالیم نور آبی درخشان ساطع می کنند.

LED های گارنت آلومینیوم ایتریوم نور سفید ساطع می کنند.

LED های فسفید گالیم نور قرمز ، زرد و سبز منتشر می کنند.

LED های آلومینیوم گالیم نیترید نور ماورا بنفش ساطع می کنند.

LED های فسفید گالیم آلومینیوم نور سبز ساطع می کنند.

مزایای LED

۱-شدت نوری که توسط LED ساطع می شود به جریان عبوری از LED بستگی دارد. از این رو ، با تغییر جریان می توان به راحتی روشنایی LED را کنترل کرد. این کار باعث می شود تا نمایشگرهای LED تحت شرایط مختلف نور محیط کار کنند.
۲-دیودهای ساطع کننده نور انرژی کمی مصرف می کنند.
۳-LED ها بسیار ارزان هستند و به راحتی در دسترس هستند.
۴-وزن LED ها سبک است.
۵-سایز کوچکتر.
۶-طول عمر LED ها بیشتر است.
۷-LED ها خیلی سریع کار می کنند. در زمان بسیار کمتری می توان آنها را خاموش و روشن کرد.
۸-LED ها حاوی مواد سمی مانند جیوه نیستند که در لامپهای فلورسنت استفاده می شود.
۹-LED ها می توانند رنگ های مختلفی از نور منتشر کنند.

معایب LED

۱-LED ها نسبت به دیودهای نیمه هادی p-n معمولی به انرژی بیشتری نیاز دارند.
۲-نور ساطع شده از LED ها کم است.

موارد کاربرد LED

کاربردهای مختلف LED ها به شرح زیر است
۱-سیستم های هشدار سرقت
۲-ماشین حساب
۳-تلفن های تصویری
۴-علائم راهنمایی و رانندگی
۵-رایانه های دیجیتال
۶-مولتی متر
۷-ریزپردازنده ها
۸-ساعتهای دیجیتال
۹-لامپهای حرارتی خودرو
۱۰-در دوربین ها
۱۱-روشنایی هواپیماها

انواع دیودها

انواع مختلف دیودها به شرح زیر است:
۱-دیود زنر
۲-دیود بهمنی
۳-فوتودیود
۴-دیود ساطع نور
۵-دیود لیزر
۶-دیود تونلی
۷-دیود شاتکی
۸-دیود وراکتور
۹-دیود  P-N

منابع:

wikipedia

physics-and-radio-electronics