كيف يعمل الصمام الثنائي الباعث للضوء؟

كيف يعمل الصمام الثنائي الباعث للضوء؟

تعريف الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)

الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) هو جهاز شبه موصل يصدر ضوءًا عندما يتم تنشيطه كهربائيًا عبر عملية تسمى الكهروإضاءة.

كيفية عمل الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)

مثل الصمام الثنائي العادي، يعمل الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) عندما يكون متحيزًا للأمام. في هذه الحالة، يتم تحميل نمط الن- من المواد شبه الموصلة بشكل أكبر من نمط ال-بي، مما يشكل منطقة الربط بين الن- والبي. عند تحيزه للأمام، تنخفض الحاجز الكهربائي ويتم دمج الإلكترونات والفجوات في الطبقة الاستنزافية (أو الطبقة الفعالة)، ويتم إصدار الضوء أو الفوتونات في جميع الاتجاهات. الشكل النموذجي التالي يوضح إصدار الضوء بسبب دمج أزواج الإلكترون والفجوة تحت التحيز للأمام.

يتم شرح إصدار الفوتونات في الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) بنظرية نطاق الطاقة للصلبات، والتي تحدد أن إصدار الضوء يعتمد على فجوة الطاقة المباشرة أو غير المباشرة للمادة. المواد شبه الموصلة التي لها فجوة طاقة مباشرة هي التي تصدر الفوتونات. في المادة ذات الفجوة الطاقة المباشرة، يقع قاع مستوى الطاقة في منطقة التوصيل مباشرة فوق أعلى مستوى طاقة في منطقة القيمة على الرسم البياني لطاقة مقابل الزخم (متجه الموجة 'ك').

عندما يدمج الإلكترون والفجوة، يتم تسرب الطاقة E = hν المقابلة لفجوة الطاقة △ (إلكترون فولت) في صورة طاقة ضوئية أو فوتونات حيث h هو ثابت بلانك و ν هي تردد الضوء.

الفجوة الطاقة المباشرة

المواد ذات الفجوة الطاقة غير المباشرة لا تشع الضوء، حيث أن قاع منطقة التوصيل لا يتوازى مع قمة منطقة القيمة، مما يؤدي إلى تحويل معظم الطاقة إلى حرارة. أمثلة لذلك هي السيليكون (Si) والجيرمانيوم (Ge) وغيرها.

الفجوة الطاقة غير المباشرة

مثال على مادة ذات فجوة طاقة مباشرة هو الأرسينيد الغاليوم (GaAs)، وهو مركب شبه موصل يستخدم في الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED). يتم إضافة ذرات ملوثة إلى GaAs لإعطاء مجموعة واسعة من الألوان. بعض المواد المستخدمة في الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) هي:

• الألمنيوم الأرسينيد الغاليوم (AlGaAs) - الأشعة تحت الحمراء.

• الأرسينيد الفوسفيد الغاليوم (GaAsP) - الأحمر والأرجواني والأصفر.

• الفوسفيد الألمنيوم الغاليوم (AlGaP) - الأخضر.

• النيترات الغاليوم الإنديوم (InGaN) - الأزرق والأزرق الخفيف والأشعة فوق البنفسجية القريبة.

• السيلينيد الزنك (ZnSe) - الأزرق.

الهيكل الفيزيائي للصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)

يتم تصميم الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) بحيث لا يتم امتصاص الضوء المنبعث مرة أخرى في المادة. وبالتالي، يتم التأكد من أن إعادة تجمع الإلكترون والفجوة تحدث على السطح.

يشير الشكل أعلاه إلى طريقتين مختلفتين لتجميع منطقة الربط بين الن- والبي في الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED). يتم جعل الطبقة ال-بي رقيقة وتتم زراعتها على سطح الن- الأساسي. يتم توصيل الأقطاب المعدنية على جانبي منطقة الربط بين الن- والبي كعقد للاتصال الكهربائي الخارجي. يتم تغليف منطقة الربط بين الن- والبي في الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) بعلبة شفافة على شكل قبة بحيث يتم إصدار الضوء بشكل موحد في جميع الاتجاهات وبحد أدنى من الانعكاس الداخلي.

يتم تمثيل القطب الموجب (الأنود) للصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) بالساق الأكبر.

يتوفر أيضًا صمامات ثنائية باعثة للضوء (LED) بأكثر من ساقين مثل 3، 4 و 6 أسلاك لتوفير ألوان متعددة في نفس العبوة. يمكن تركيب عرض LED على اللوحة الدائرة المطبوعة (PCB).

عادة ما يحتاج الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) إلى تيار قدره بضع عشرات مليأمبير ويحتاج إلى مقاومة عالية متسلسلة بسبب فرق الجهد الأمامي الأعلى الذي يبلغ من 1.5 إلى 3.5 فولت، مقارنة بالصمامات الثنائية العادية.

صمامات الثنائي الباعثة للضوء البيضاء أو مصابيح LED البيضاء

تكتسب مصابيح LED وأضواء الشوارع شعبية كبيرة هذه الأيام بسبب كفاءتها العالية جدًا من حيث الإخراج الضوئي لكل وحدة من الطاقة المدخلة (بالميليوات) مقارنة بالمصابيح المتوهجة. ولذا، يتم تفضيل الضوء الأبيض لأغراض الإضاءة العامة. لانتاج الضوء الأبيض باستخدام الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED)، يتم استخدام طريقتين:

خلط ثلاثة ألوان أساسية RGB لإنتاج الضوء الأبيض. هذه الطريقة تتميز بكفاءة كمية عالية.

الطريقة الأخرى هي طلاء صمام ثنائي واحد بلون معين بمادة فسفورية بلون آخر لإنتاج الضوء الأبيض. هذه الطريقة شائعة تجارياً لتصنيع مصابيح LED وإضاءات LED.

تطبيقات الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED)

شاشات العرض الإلكترونية مثل OLEDs، micro-LEDs، quantum dots وغيرها.

• كمؤشر LED.

• في أجهزة التحكم عن بعد.

• الإضاءة.

• المفصلات البصرية.