دیود نورگسیل

مقدمه

دیود نورگسیل¹ (LED) یک چشمه نور نیمرساناست. این وسیله شباهت زیادی به یک دیود پیوندی pn دارد که هنگام فعال شدن نورگسیل می‌کند. با اعمال ولتاژ مناسب به دو اتصال این قطعه الکترونیکی، الکترون‌ها با حفره‌های داخل آن ترکیب می‌شوند و انرژی را به‌صورت فوتون گسیل می‌کنند. این عمل الکترورخشانی² نامیده می‌شود و رنگ نور (که متناظر با انرژی فوتون است) را گاف نوار³ جسم رسانا تعیین می‌کند.

سطح دیود نورگسیل معمولاً کوچک (کمتر از ²mm1 است) و اجزای اپتیکی مختلف را می‌توان طوری ترتیب داد که تابش مورد نظر را تولید کند.

دیود نورگسیل به‌عنوان یک قطعه الکترونیکی مفید در سال 1962 مورد استفاده قرار گرفت. نمونه‌های اولیه نور فروسرخ با شدت کم گسیل می‌کردند. دیودهای نورگسیل فرو سرخ هنوز هم به‌عنوان جزء تراسیگنده در مدارهای کنترل از دور، مانند آنچه در دستگاه کنترل از دور بسیاری از وسیله‌های خانگی وجود دارد، مورد استفاده قرار می‌گیرند. دیودهای نورگسیل مرئی اولیه شدت کمی داشتند که منحصر به نور قرمز بود.

اما LEDهای جدید در گستره مرئی، فرابنفش، و فروسرخ و درخشندگی بسیار زیاد در دسترس‌اند.

LEDهای اولیه اغلب به‌عنوان لامپ‌های نشانگر در دستگاه‌های الکترونیکی جایگزین لامپ‌های رشته‌ای شدند. ولی اندکی بعد از آن نمایشگرهای هفت‌قسمتی برای نشان دادن اعداد در ساعت‌های دیجیتال مورد استفاده قرار گرفتند.

پیشرفت‌های اخیر در فناوری LED امکان استفاده از آن‌ها برای روشنایی محیطی را فراهم ساخته است. مزیت لامپ‌های LED نسبت به لامپ‌های معمولی مصرف انرژی کمتر، طول عمر بیشتر، استحکام فیزیکی، اندازه کوچک‌تر و قطع و وصل سریع‌تر است. هم‌اکنون دیودهای نورگسیل کاربردهای متفاوتی از قبیل تولید روشنایی در هوانوردی، لامپ‌های جلوی اتومبیل، تابلوهای تبلیغاتی، روشنایی معمولی، چراغ‌های راهنمایی و فلاش دوربین‌های عکاسی هستند.

هر چند LEDها برای روشنایی محیط به اندازه کافی توانمندند، اما هنوز نسبتاً گران‌قیمت‌‌اند و نیازمند بهینه‌سازی دقیق‌تر جریان و تولید گرما نسبت به لامپ‌های فلوئورسان هستند.

پدیده الکترو رخشانی را آزمایشگر بریتانیایی اچ. جی. راند⁴ در سال‌ 1907 در آزمایشگاه‌های مارکونی با استفاده از یک بلور کاربید سیلیسیم و یک آشکارساز سبیل ‌گربه ‌ای⁵ کشف کرد. تولید LED  را اولگ لُسف⁶ روسی در سال 1927 گزارش داد. پژوهش او در مجله‌های علمی روسی، آلمانی و بریتانیایی اما به مدت چند دهه هیچ استفاده عملی از این کشف صورت نگرفت. رابین براونشتاین در سال 1955 گسیل فروسرخ را از گالیم ارسناید (GaAS) و دیگر آلیاژهای نیمرسانا گزارش کرد. او مشاهده کرد که گسیل فروسرخ از ساختارهای دیود ساده با استفاده از گالیم آنتیمونید (Gasb).

GaAS، اندیم فسفاید (Inp) و آلیاژهای سیلیسیم ـ ژرمانیم (SiGe) در دمای اتاق و در 77 کلوین صورت می‌گیرد.

اولین LED مرئی (سرخ) را نیک هولونیاک⁸ هم کار در شرکت جنرال الکتریک کشف کرد. برخی افراد او را «پدر دیود نورگسیل» می‌دانند. بعدها شاگردان هولونیاک LEDهای به رنگ‌های مختلف و با روشنایی و کارآیی بیشتر را ابداع کردند.

فیزیک دیود نورگسیل

دیود نورگسیل از یک تراشه‌ ماده نیمرسانا تشکیل شده که با ناخالصی‌ها آلاییده شده است تا یک پیوندگاه pn تولید کند. مانند دیودهای دیگر، جریان به راحتی از طرف p، یا آند، به طرف n، یا کاتد عبور می‌کند اما در جهت مخالف آن عبور نمی‌کند. حاملان بار ـ الکترون‌ها و حفره‌ها ـ از الکترودهای با ولتاژ مختلف به پیوندگاه وارد می‌شوند. هنگام رویارویی یک الکترون با یک حفره، الکترون به تراز انرژی پایین‌تر فرو می‌افتد و انرژی را به‌صورت یک فوتون آزاد می‌کند.

طول موج

نور گسیل شده، در نتیجه رنگ آن، به گاف نوار انرژی ماده‌ای بستگی دارد که (پیوندگاه n ـ p  را تشکیل می‌دهد. در دیودهای سیلیسیم یا رژمانیم، الکترون‌ها و حفره‌ها در یک گذار بدون تابش باز ترکیب می‌شوند که گسیل اپتیکی تولید نمی‌کند، زیرا این مواد از نوع گاف نوار غیرمستقیم هستند. مواد مورد استفاده برای LED دارای گاف نوار مستقیم با انرژی‌های متناظر با نور فروسرخ نزدیک، مرئی، یا فرابنفش نزدیک هستند.

تحولات دیود نورگسیل در قطعات فروسرخ و سرخ با گالیم ارسناید آغاز شد.

پیشرفت‌های صورت گرفته در علم مواد ساخت ابزارهای با طول موج کوتاه‌تر را امکان‌پذیر ساخت که نور به رنگ‌های مختلف گسیل می‌کنند.

LEDها معمولاً روی بسترهای نوع ـ n ساخته می‌شوند و یک الکترود به لایه نوع ـ p متصل می‌شود که روی سطح آن نشانده شده است. بسیاری از LEDهای تجارتی، به‌ویژه Gan/ InGan  از بستر یاقوت کبود استفاده می‌کنند.

بیشتر مواد مورد استفاده در تولید LED دارای ضریب شکست بسیار زیاد هستند. این بدان معناست که نور در فصل مشترک ماده/ هوا به ماده بازتابیده می‌شود. بنابراین،‌ استخراج نور از LED یک جنبه مهم تولید آن است که تحقیق و توسعه بسیاری در مورد آن صورت می‌گیرد.

شکل ایده‌آل یک نیمرسانا با خروجی نور بیشینه یک کره کوچک است که گسیل فوتون در مرکز آن صورت گیرد و الکترودها به مرکز آن نفوذ کنند تا اتصال در نقطه گسیل باشد.

در این صورت تمام پرتوهای گسیل‌ شده عمود بر سطح کره خواهند بود و هیچ‌گونه بازتاب کلی صورت نمی‌گیرد. نیمرسانای نیمکره نیز عملی است که در آن سطح تخت پشتی به‌عنوان آینه‌ای برای پس‌پراکندگی فوتون‌ها عمل می‌کند.

کارآیی و پارامترهای کار

یک امتیاز مهم چشمه ‌های نور مبتنی بر LED  کارآیی‌ روشنایی زیاد آن‌هاست دیودهای نورگسیل سفید به سرعت به چشمه‌های نور التهابی استاندارد رسیدند و از آن‌ها پیشی گرفتند. در سال 2002 دیودهای نورگسیل پنج وات با کارآیی روشنایی 22 ـ 18 لومن بردات (m/w 1) ساخته شدند.

برای مقایسه لامپ‌های فلوئورسان استاندارد تا m/w 1001 گسیل دارند.

طول عمر و از کار افتادن

قطعات حالت جامد مانند LED ها در صورت کار در جریان‌های کم و دماهای پایین استهلاک بسیار محدودی دارند. بسیاری از LED های ساخته شده در سال‌های 1970 و 1980 هنوز کار می‌کنند . طول عمر نوعی آن‌ها 25000 تا 100000 ساعت است، اما گرما و جریان عبوری از آن‌ها می‌تواند این طول عمر را بسیار کوتاه‌تر سازد.

مهم‌ترین شکلی که می‌تواند در LED به وجود آید کم شدن تدریجی نور خروجی و کاهش کارایی است. خراب شدن ناگهانی هم، اگر چه نادر است، اما می‌تواند اتفاق بیفتد.

عملکرد LED وابسته به دماست. بیشتر سازندگان کار در دمای C° 25 را پیشنهاد می‌کنند. LED‌های مورد استفاده در فضای خارج، مانند چراغ‌های راهنمایی و در شرایطی که دما می‌تواند بسیار زیاد شود در معرض کم شدن شدت نور یا حتی از کار افتادن قرار می‌گیرند.

ایمنی و سلامت

بیشتر وسایل حاوی LED «در تمام شرایط استفاده عادی ایمن هستند.»، و در نتیجه به‌صورت «محصول LED گروه 1» طبقه‌بندی شده‌اند.

در حال حاضر، فقط تعداد اندکی از آن‌ها ـ LEDهای بسیار درخشان که دارای زاویه دید بسیار کانونی شده °8 یا کمتر هستند ـ می‌توانند به لحاظ نظری باعث کوری موقت شوند و در نتیجه به‌عنوان «گروه 2» طبقه‌بندی نشده‌اند.

آژانس فرانسوی سلامت و ایمنی غذا، محیط و حرفه (ANSES) پیشنهاد ممنوعیت استفاده عموم از لامپ‌های دارای مؤلفه آبی‌رنگ را که در گروه 2 قرار می‌گیرند به‌ویژه در مکان‌هایی کرده است که کودکان در آن‌ها رفت و آمد دارند.

گرچه LEDها نسبت به لامپ‌های فلوئورسان این امتیاز را دارند که حاوی جیوه نیستند، اما می‌توانند شامل فلزات خطرناکی مانند سرب و ارسنیک باشند.

پی ‌نوشت ‌ها

1. Light emtling diodes
2. electoro luminescence
3. band gap
4. H.J.Round
5. cat's whisker detector
6. Oleg Losev
7. Rubin Braunstein
8. Nick Holonyak