چیست LED؟

LED چیست؟

تعریف LED

دیود لومینسان (LED) یک دستگاه نیم‌رسانا است که هنگامی که 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 از طریق اثر الکترولومینسانس، که زمانی رخ می‌دهد که جریان مستقیم از طریق یک بلور دوپ شده با اتصال PN عبور می‌کند، نور قابل مشاهده تولید می‌کنند.

دوپ کردن شامل افزودن عناصر از ستون‌های III و V جدول تناوبی است. هنگامی که با جریان مثبت (IF) انرژی می‌شود، اتصال PN نوری در یک طول موج تعیین شده توسط شکاف انرژی منطقه فعال (Eg) تولید می‌کند.

عملکرد دیود لومینسان (LED)

هنگامی که جریان مثبت IF از طریق اتصال PN دیود عبور می‌کند، حامل‌های کمیتی الکترون‌ها به منطقه P و حامل‌های کمیتی الکترون‌ها به منطقه N تزریق می‌شوند. تولید فوتون‌ها به دلیل ترکیب مجدد الکترون-حفره در منطقه P اتفاق می‌افتد.

انتقال‌های انرژی الکترونی از طریق شکاف انرژی، که بازترکیبات ساطعی نامیده می‌شوند، فوتون‌ها (یعنی نور) تولید می‌کنند، در حالی که انتقال‌های انرژی موازی، که بازترکیبات غیرساطعی نامیده می‌شوند، فونون‌ها (یعنی گرما) تولید می‌کنند. کارایی روشنایی LED‌های معمولی AlInGaP و InGaN برای طول موج‌های مختلف در جدول زیر نشان داده شده است.

کارایی LED توسط نور تولید شده در اتصال و از دست دادن نور از طریق جذب مجدد زمانی که نور از بلور خارج می‌شود، تحت تأثیر قرار می‌گیرد. به دلیل شاخص پراکندگی بالای بیشتر نیم‌رساناهای، بخش زیادی از نور به داخل بلور بازمی‌تابد و شدت آن قبل از خروج کاهش می‌یابد. کارایی بیان شده به صورت انرژی قابل مشاهده نهایی، کارایی خارجی نامیده می‌شود.

پدیده الکترولومینسانس در سال 1923 در اتصالات طبیعی مشاهده شد، اما در آن زمان به دلیل کارایی 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 نمایش و نمایشگرهای مختلف، بلکه در کاربردهای روشنایی داخلی و جاده‌ای نیز استفاده می‌شوند.

رنگ 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 آمبر (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 مثبت LED‌های AlInGaP به دمای اتصال PN LED بستگی دارد.

با افزایش دمای اتصال PN LED، شدت روشنایی کاهش می‌یابد، طول موج غالب به طول موج‌های بیشتر حرکت می‌کند و ولتاژ مثبت کاهش می‌یابد. تغییر شدت روشنایی LED‌های InGaN با دمای محیط کاری کم (حدود 10٪) از − 20°C تا 80°C است. اما طول موج غالب LED‌های InGaN با جریان محرک LED متغیر است؛ هرچه جریان محرک LED افزایش می‌یابد، طول موج غالب به طول موج‌های کوتاه‌تر حرکت می‌کند.

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

تیرک کردن

LED‌ها می‌توانند تا 10٪ از نور خروجی اسمی خود با کاهش جریان محرک تیرک شوند. معمولاً LED‌ها با استفاده از تکنیک‌های مد سازی عرض پالس (PWM) تیرک می‌شوند.

قابلیت اطمینان

دمای حداکثر اتصال (TJMAX) برای طول عمر LED بسیار مهم است. اگر این دما فراتر رود، معمولاً دستگاه کپسوله‌شده آسیب می‌بیند. طول عمر LED با زمان میانگین بین خرابی‌ها (MTBF) اندازه‌گیری می‌شود که با تست کردن تعداد زیادی LED در یک 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 فسفرسانتی استفاده می‌شود. فلوئورسانس در فسفر که در اپوکسی اطراف چیپ LED قرار دارد، توسط انرژی کوتاه موج از دستگاه LED InGaN فعال می‌شود.

کارایی روشنایی

کارایی روشنایی LED به عنوان جریان روشنایی منتشر شده (به lm) بر واحد انرژی الکتریکی مصرف شده (به W) تعریف می‌شود. LED‌های آبی دارای کارایی داخلی حدود 75 lm/W هستند؛ LED‌های قرمز، حدود 155 lm/W؛ و LED‌های آمبر، 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 آمبر و سبز است. این تعریف از کارایی کارایی خارجی نامیده می‌شود و مشابه تعریف کارایی معمولاً برای سایر انواع منابع نوری استفاده می‌شود.