چه چیزی LED است

چه چیزی LED است؟

تعریف LED

LED (دیود نورپرداز) دستگاهی نیمه‌رسانا است که وقتی جریان الکتریکی از آن می‌گذرد، نور تولید می‌کند.تکنولوژی‌های قدیمی LED از فسفر آرسنید گالیوم (GaAsP)، فسفر گالیوم (GaP) و آرسنید آلومینیوم گالیوم (AlGaAs) استفاده می‌کردند.LEDها با استفاده از اثر الکترولومینسانس، زمانی که جریان مستقیم از طریق بلوری دوپ شده با اتصال PN می‌گذرد، نور مرئی تولید می‌کنند.

دوپ شدن شامل افزودن عناصر ستون‌های III و V از جدول تناوبی است. وقتی با جریان پیشرو (IF) انرژی می‌شود، اتصال PN نوری در طول موجی تولید می‌کند که توسط فاصله انرژی منطقه فعال (Eg) تعیین می‌شود.

کارکرد دیود نورپرداز (LED)

وقتی جریان پیشرو IF از طریق اتصال PN دیود عبور می‌کند، حامل‌های کوانتیتی اقلیت به منطقه p و حامل‌های کوانتیتی اقلیت متناظر به منطقه n تزریق می‌شوند. انتشار فوتون به دلیل ترکیب مجدد الکترون-حفره در منطقه p رخ می‌دهد.

انتقال‌های انرژی الکترونی از طریق فاصله انرژی، که ترکیبات تابشی نامیده می‌شوند، فوتون‌ها (یعنی نور) تولید می‌کنند، در حالی که انتقال‌های انرژی جانبی، که ترکیبات غیرتابشی نامیده می‌شوند، فونون‌ها (یعنی گرما) تولید می‌کنند. کارایی روشنایی LEDهای معمولی AlInGaP و InGaN برای طول موجهای قله‌ای مختلف در جدول زیر نشان داده شده است.

کارایی LED تحت تأثیر نور تولید شده در اتصال و از دست دادن‌های ناشی از جذب مجدد هنگام خروج نور از بلور قرار دارد. به دلیل شاخص انکسار بالای بیشتر نیمه‌رساناهای، بخش زیادی از نور به داخل بلور بازتاب می‌شود و شدت آن قبل از خروج کاهش می‌یابد. کارایی که به صورت انرژی مرئی قابل اندازه‌گیری نهایی بیان می‌شود، کارایی خارجی نامیده می‌شود.

پدیده الکترولومینسانس در سال 1923 در اتصالات طبیعی مشاهده شد، اما در آن زمان به دلیل کارایی روشنایی پایین در تبدیل انرژی الکتریکی به نور عملی نبود. اما امروزه کارایی به طور قابل توجهی افزایش یافته و LEDها نه تنها در سیگنال‌ها، نشانگرهای، نشانی‌ها و نمایشگرهای استفاده می‌شوند، بلکه در کاربردهای روشنایی داخلی و جاده‌ای نیز استفاده می‌شوند.

رنگ یک LED

رنگ یک دستگاه LED به صورت طول موج غالب منتشر شده λd (در nm) بیان می‌شود. LEDهای AlInGaP رنگ‌های قرمز (626 تا 630 nm)، قرمز-نارنجی (615 تا 621 nm)، نارنجی (605 nm) و برنز (590 تا 592 nm) تولید می‌کنند. LEDهای InGaN رنگ‌های سبز (525 nm)، آبی-سبز (498 تا 505 nm) و آبی (470 nm) تولید می‌کنند. رنگ و ولتاژ پیشرو LEDهای AlInGaP به دمای اتصال PN LED بستگی دارد.

با افزایش دمای اتصال PN LED، شدت روشنایی کاهش می‌یابد، طول موج غالب به سمت طول‌موج‌های طولانی‌تر حرکت می‌کند و ولتاژ پیشرو کاهش می‌یابد. تغییر در شدت روشنایی LEDهای InGaN با دمای محیط کار کم (حدود 10٪) از − 20°C تا 80°C است. اما طول موج غالب LEDهای InGaN با جریان گرفتن LED متفاوت است؛ با افزایش جریان گرفتن LED، طول موج غالب به سمت طول‌موج‌های کوتاه‌تر حرکت می‌کند.

اگر قصد دارید LEDهای رنگی را برای یک پروژه الکترونیکی استفاده کنید، بهترین کیت‌های شروع Arduino شامل مجموعه‌ای از LEDهای رنگی هستند.

تیرک کردن

LEDها می‌توانند با کاهش جریان گرفتن به 10٪ از خروجی نوری اسمی خود تیرک شوند. عموماً LEDها با استفاده از تکنیک‌های مدولاسیون عرض پالس (PWM) تیرک می‌شوند.

قابلیت اطمینان

دمای ماکسیمم اتصال (TJMAX) برای طول عمر LED حیاتی است. فراتر رفتن از این دما معمولاً دستگاه را آسیب می‌رساند. طول عمر LED با زمان میانگین بین خرابی‌ها (MTBF) اندازه‌گیری می‌شود که با تست کردن تعداد زیادی LED در جریان و دمای استاندارد تا زمانی که نصف آنها خراب شوند محاسبه می‌شود.

LEDهای سفید

LEDهای سفید اکنون با استفاده از دو روش تولید می‌شوند: در روش اول، چیپ‌های LED قرمز، سبز و آبی در یک بسته ترکیب می‌شوند تا نور سفید تولید کنند؛ در روش دوم از فسفرسازی استفاده می‌شود. فلوئورسنس در فسفر که در اپوکسی احاطه شده با چیپ LED قرار دارد، با استفاده از انرژی کوتاه موج از دستگاه LED InGaN فعال می‌شود.

کارایی روشنایی

کارایی روشنایی LED به عنوان جریان روشنایی تابش شده (در lm) بر واحد انرژی الکتریکی مصرف شده (در W) تعریف می‌شود. LEDهای آبی دارای کارایی داخلی در حدود 75 lm/W هستند؛ LEDهای قرمز، تقریباً 155 lm/W؛ و LEDهای برنز، 500 lm/W. با در نظر گرفتن از دست دادن‌های ناشی از جذب مجدد داخلی، کارایی روشنایی در حدود 20 تا 25 lm/W برای LEDهای برنز و سبز است. این تعریف کارایی به عنوان کارایی خارجی شناخته می‌شود و مشابه تعریف کارایی معمولاً برای سایر انواع منابع نوری استفاده می‌شود.