LED چیست ؟ (ویژگی های ال ای دی)

LED چیست ؟

LED مخفف کلمه Light Emitting Diode است. شاید برای شما باور نکردنی باشد که تمام انواع دیود ها، حتی همان دیود های یکسوساز مدارات رایانه شما نیز از خود نور ساطع می کنند.

اولین LED ساخته شده که دارای نور مرئی بود در سال 1962 و به وسیله نیک هولونیاک (Nick Holonyak) در موسسه جنرال الکتریک ساخته شد. البته پیش از او نیز افراد بسیاری توانسته بودند LED هایی با نور مادون قرمز بسازند، لیکن این اولین بار بود که نوری مرئی بوسیله LED تولید می شد. بعد از او شاگرد او توانست LED هایی با رنگ های زرد و نارنجی تیره تولید کند. باید متذکر شویم که این ال ای دی ها قیمت هایی بالا در حدود 200 دلار داشتند و عملاً فقط برای مصارف خاصی همچون انتقال دیتا از طریق فیبر نوری (البته بوسیله LED های شفاف که بعدها ساخته شدند) مورد استفاده قرار می گرفتند.

در سال های بعد کمپانی های مونسانتو (Monsanto Company) و اچ پی (Hewlett Packard (HP)) اقدام به تولید انبوده LED قرمز کردند و برای این کار از نیمه رسانای گالیوم ارسناید فسفاید ((GaASP)Gallium arsenide phosphide) استفاده می کردند. از این ال ای دی ها بیشتر در تولید حروف الفبایی یا ماشین حساب ها استفاده می شد. در سال 1970 شرکت نیمه رسانای Fairchild LED هایی ساخت که قیمتی کمتر از پنج سنت داشتند.

در این دوران LED ها رنگ هایی همچون قرمز، زرد، نارنجی و نهایتا سبز داشتند و همانطور که می دانید، با ترکیب این رنگ ها نمی شد به رنگ سفید دست یافت. لذا در این دوران LED ها (که معمولا پکیج های 3 میلی متری یا 5 میلی متری ، لنزدار یا بودن لنز داشتند) بیشتر نقش ساین (Sign) یا نشانگر و یا نقش نمایشگر را ایفا می کردند. از آنجا که برای تولید نور سفید، حداقل به نور آبی نیاز بود، تحقیقات بر روی تولید نور آبی ادامه یافت، تا این که در سال های بعد (اواخر تابستان 1991) شرکت ژاپنی نیچیا (Nichia Corporation) با تلاش های آقای شوجی ناکامورا (Shuji Nakamura) توانست بوسیله نیمه های گالیوم نیتراید (GaN) اقدام به تولید LED پرنور با نور آبی بنماید.

پیش از این نیز LED های آبی بوسیله اعمال ولتاژ بالا به نیمه هادی سیلیسم کربناید تولید شده بودند، لیکن این اولین بار بود که ال ای دی آبی با این شدت نور (100 ها برابر نوع قبل) تولید می شد. در ادامه این تحقیقات محققین در سال 1995 توانستند با یک ابداع جدید، شفافیت جانکشن (junction) یا محل اتصل نمیه رسانا را با به کارگیری ایندیوم تین اکساید(ITO) (تین به معنای روی است) بهبود دهند. لذا پس از این امکان تولید LED های سفید کاربردی فراهم شد.

 LED چگونه نور تولید می کند؟

نور شکلی از انرژی است، نور از اجزا بسیار ریزی به نام فتون تشکیل می شود، فتون ها انرژی و لختی دارند اما جرم ندارند در واقع فتون ها در نتیجه حرکت الکترون ها آزاد می شوند در یک اتم الکترونها در اربیتالهایی دور هسته می چرخند الکترونهای اربیتالهای مختلف مقدار انرژی متفاوتی دارند، کلاً الکترونها با انرژی بیشتر در اربیتالهای دور تر از هسته حرکت می کنند.

برای یک الکترون برای پرش از یک اربیتال پایین به بالا چیزی که باید بگیرد انرژی است برعکس الکترون وقتی از اربیتال بالا به پایین می افتد انرژی آزاد می کند این انرژی به شکل فتون آزاد می شود، یک افت انرژی بیشتر فتون بیشتری آزاد می کند که با فرکانس بیشتر مشخص می شود. الکترون هایی که از دیود عبور می کنند می توانند در حفره های لایه P بیفتند. این یک افت از باند رسانایی به اربیتال پایین تر است بنابر این الکترون ها انرژی به شکل فتون آزاد می کنند این در هر دیودی رخ می دهد اما فقط وقتی شما فتونها را می بینید که دیود از ماده خاصی ساخته شده باشد. برای مثال اتم ها در یک دیود سیلیکون استاندارد به نحوی چیده شده اند که افت الکترون فاصله کمی دارد بنابر این فرکانس فتونها به قدری کم است که با چشم انسان دیده نمی شود این در بخش مادون قرمز طیف نور است که لزوماً چیز بدی نیست البته LED های مادون قرمز برای کنترل های از راه دور مناسب اند.

دیود های منتشر کننده نور مرئی (VLEDs) مانند آنهایی که شماره های یک ساعت دیجیتال را روشن می کنند از ماده هایی با این خصوصیت ساخته شده اند که فاصله بین اربیتال رسانایی آنها و اربیتال پایین تر بیشتر است. اندازه این فاصله فرکانس فتون را نشان می دهد به عبارت دیگر این فاصله رنگ نور را مشخص می کند. در حالی که همه دیود ها نور آزاد می کنند اغلب آنها این کار را به طور موثری انجام نمی دهند یک دیود معمولی ماده نیمه رسانا خودش مقدار زیادی انرژی نوری جذب می کند. LED ها به نحوی ساخته می شوند که نور را در جهت خاصتی متمرکز می کند.

در ال ای دی های سفید می توان به چند روش اقدام به تولید نور سفید کرد :

• تولید نور سفید به صورت ترکیبی از چند LED با رنگ های مختلف.
• تولید نور سفید به صورت ترکیب نور آبی LED و اضافه کردن نور زرد (یا زرد ترکیبی) با استفاده از خاصیت فلورسنس
• تولید نور سفید به صورت اعمال یک نور ماوراء بنفش به مخلوط چند ماده فلورسنس و بدست آوردن نورترکیبی سفید از این مواد.

در عمل بیشتر دو مورد آخر در این فرآیند مورد استفاده قرار می گیرند، چرا که هزینه تولید پایین تری دارند، اما روش های فوق به ترتیب از بالا به پایین بازده بیشتری دارند. زیرا که مواد فلورسنس به صورت ناخواسته مقداری از انرژی را در هنگام تقلیل انرژی الکترون از دست می دهند. لازم به ذکر است که هر چقدر تعداد رنگ های بکار رفته در تولید نور سفید بیشتر باشد، نور سفید بهتر و با CRI بالاتری خواهیم داشت.

اما بگذارید به صورت مکمل تعریفی مختصر نیز از پدیده فلورسنس داشته باشیم. این پدیده نیز همانند پدیده فوق الذکر، بر مبنای ارتقاء و تقلیل سطح انرژی الکترون های ماده صورت می گیرد. این بار الکترون با دریافت نور به تراز بالاتر رفته و با از دست دادن انرژی به صورت نور (این انرژی کمتر از انرژی دریافتی است) به مدار پایین تر نزول می کند.

اما به طور کلی می توان طبقه بندی زیر را در رابطه با مقایسه توان نوری منابع مختلف روشنایی انجام داد:

طول عمر لامپ ال ای دی

در رابطه با طول عمر لامپهای مختلف مباحث و تحقیقات بسیار زیادی صورت پذیرفته است اما این نکته بدیهی است که علاوه بر انواع منابع روشنایی که دارای طول عمرهای متفاوتی می باشند، کیفیت اجزا و قطعات به کار رفته در هر منبع روشنایی تاثیر بسیار زیادی بر روی طول عمر لامپ خواهد داشت. بدین معنی که به طور مثال نمی توان به طور قطع عنوان نمود که لامپ LED طول عمر بیشتری نسبت به لامپ کم مصرف دارد، زیرا اگر کیفیت قطعات مورد استفاده در لامپ کم مصرف مناسب باشد و قطعات لامپ LED از کیفیت پایینی برخوردار باشند، طول عمر مفید لامپ کم مصرف بیشتر خواهد بود. لذا در رابطه با مقایسه طول عمر انواع منابع روشنایی فقط می توان به این نکته بسنده نمود که طول عمر این منابع شدیدا وابسته به اجزا و قطعاتی است که در ساخت آن به کار رفته است.