چگونه دیود LED کار می کند؟

دیود منتشر کننده نور که بطور رایج LED نامیده می شود، قهرمان ناشناخته جهان الکترونیک است. آنها ده ها کار متفاوت انجام می دهند و در همه وسائل الکترونیکی یافت می شوند. به عنوان مثال اعداد را در ساعت های دیجیتال نشان می دهند، اطلاعات را از کنترل به تلویزیون می فرستند و نور آنها به شما نشان می دهد که چه موقع وسائل تان روشن است. همچنین انواعی از دیودها تصاویر را روی تلویزیون های پلاسما نشان می دهند.

اساساً دیودهای نوری، لامپ های کم نوری هستند که به آسانی در مدارهای الکترونیکی قرار می گیرند، اما بر خلاف لامپ های معمولی، رشته فلزی ندارند و گرما تولید نمی کنند. آنها فقط با حرکت الکترون ها در یک ماده نیمه رسانا، نور می دهند.

یکی از دلایلی که تلویزیون ها، باریک تر یا نازک تر شده اند، همین LEDها هستند. در این مقاله شما می توانید با تکنولوژی و اصول الکتریسیته و نور در فرآیند LEDها آشنا شوید.

دیود چیست؟

یک دیود، ساده ترین وسیله الکترونیکی نیمه رسانا است. نیمه رساناها اغلب از موادی ساخته می شوند که توانایی کمی در هدایت جریان الکتریکی دارند. یکی از معروف ترین این نیمه رساناها، آلومینیوم آرسنید گالیوم (AlGaAs) نام دارد. در یک آرسنید گالیوم خالص، الکترون اتم ها قادر به خروج و حرکت نیستند، ولی با افزودن الکترون اضافی یا کم کردن الکترون (ایجاد حفره) در آنها، می توانند حرکت کنند و تولید رسانایی نمایند.

یک نیمه هادی یا نیمه رسانا با الکترون اضافی، ماده نوع N نامیده می شود. در نیمه هادی نوع N، الکترون ها می توانند از محیطی با بار منفی به محیطی با بار مثبت حرکت کنند. یک نیمه هادی با حفره، ماده نوع P نامیده می شود. در این نیمه هادی ها، الکترون ها می توانند از یک حفره به حفره دیگر پرش کنند یا از محیطی با بار منفی به محیطی با بار مثبت حرکت کنند. در این حال به نظر می رسد که حفره ها از محیطی با بار مثبت به محیطی با بار منفی حرکت می کنند.

ناحیه تخلیه (Depletion Zone)

یک دیود از دو نیمه هادی (نوع P و نوع N) متصل به هم و دو صفحه الکترود در طرفین آن، تشکیل می شود. اگر ولتاژی به الکترودها متصل نباشد، الکترون های محیط N، حفره های محیط P را در ناحیه اتصال پُر خواهند کرد. در نتیجه یک ناحیه تخلیه (سد یا عایق) به وجود خواهد آمد. از آنجا که در ناحیه تخلیه هیچ الکترون یا حفره اضافی وجود ندارد، الکترون ها هم نمی توانند در این محیط حرکت کنند و در نتیجه از این ناحیه جریانی نمی تواند عبور کند.

برای جلوگیری از تشکیل ناحیه تخلیه، باید الکترون ها مدام از ناحیه N به P حرکت داده شوند. برای اینکار باید قطب منفی باتری را به الکترود ناحیه N و قطب مثبت باتری را به الکترود ناحیه P وصل کنیم. اگر اختلاف ولتاژ دو سر دیود به اندازه کافی زیاد باشد، تعداد الکترون های ناحیه تخلیه از حد اشباع می گذرد و الکترون ها مجبور می شوند به آن سوی ناحیه تخلیه حرکت کنند. با آغاز حرکت الکترون ها، ناحیه تخلیه ناپدید می شود و جریان مداوم الکتریکی از دیود عبور می کند.

اگر شما جهت جریان الکتریسیته را برعکس کنید، یعنی قطب مثبت باتری را به ناحیه N و قطب منفی را به ناحیه P وصل کنید، ناحیه تخلیه دوباره به وجود می آید و جریان نمی تواند از دیود عبور کند.

یک دیود چگونه نور تولید می کند؟

نور شکلی از انرژی است که از اجزاء بسیار ریزی به نام فوتون (Photon) تشکیل می شود. فوتون ها انرژی دارند، اما جرم ندارند و در نتیجه ی حرکت الکترون ها آزاد می شوند. در یک اتم، الکترون ها در مدارهایی دور هسته می چرخند. الکترون های مدارهای مختلف، مقدار انرژی متفاوتی دارند. کلاً الکترون هایی که انرژی بیشتری دارند، در مدارهای دورتر از هسته حرکت می کنند.

یک الکترون برای پرش از یک مدار پایین به بالا نیاز به گرفتن انرژی دارد، اما بر عکس وقتی الکترونی از مدار بالا به پایین می افتد، مقداری انرژی به شکل موج الکترومغناطیس یا فوتون آزاد می کند.

در تصویر فلش زیر، با برقراری جریان در داخل دیود، الکترون های آزاد ( – ) به مدار اتم های فاقد الکترون آزاد ( + ) سقوط می کنند و در نتیجه این سقوط مقداری انرژی به شکل فوتون نور مرئی یا نامرئی آزاد می شود.

فعل و انفعالات الکترون ها و حفره ها در دیودها هم اثر جانبی جالب دارد. حرکت الکترون ها از ناحیه N به سوی حفره های ناحیه P، باعث گرفتار شدن آنها در دام اتم های فاقد الکترون آزاد می شود. این الکترون ها چون از لایه ی آزاد به یک لایه اتم سقوط می کنند، مقداری انرژی از دست می دهند. این انرژی به صورت نور مادون قرمز (که چشم انسان قادر به دیدن آن نیست) ساطع می شود. این نوع دیودهای نامرئی در ابزارهایی مثل کنترل از راه دور کاربرد دارند.

دیودهای با نور مرئی که VLED نامیده می شوند، بیشتر در ابزاری مثل ساعت های دیجیتالی مورد استفاده قرار می گیرند.

در تصویر فوق:

Emitted Light Beams = پرتو نوری
Diode = نیمه هادی
Transparent Plastic Case = محافظ پلاستیکی
Terminal Pins = الکترود

LEDها امروزه کاربرد وسیعی دارند. قیمت پایین نیمه هادی ها، عدم اتلاف انرژی به صورت گرما و قابلیت نصب در مدارات کوچک الکترونیکی، باعث پُر رنگ شدن این وسیله در فناوری های جدید شده است.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «چگونه دیود LED کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت HowStuffWorks ترجمه شده توسط بهنام زاده به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.