لماذا تنبعث مصابيح LED الضوء?

تعد الثنائيات واحدة من أكثر الأجهزة شيوعًا في أجهزة أشباه الموصلات. معظم أشباه الموصلات مصنوعة من مواد شبه موصلة مخدرة (الذرات والمواد الأخرى). عادة ما تكون المادة الموصلة لمصابيح LED هي زرنيخيد الألومنيوم الغاليوم. في زرنيخيد الألومنيوم الغاليوم النقي, ترتبط جميع الذرات بجيرانها بشكل مثالي, عدم ترك أي إلكترونات حرة لتوصيل التيار.

في الثنائيات الباعثة للضوء, مثل تلك المستخدمة في الساعات الرقمية, ويحدد حجم الفجوة تردد الفوتونات, بعبارة أخرى, لون الضوء. في حين أن جميع الثنائيات تنبعث منها الضوء, معظمها ليست فعالة للغاية. في الثنائيات العادية, تمتص مادة أشباه الموصلات نفسها الكثير من الطاقة الضوئية وتنتهي. يتم تغطية مصابيح LED بمصباح بلاستيكي لتركيز الضوء في اتجاه معين.

شكل من أشكال الضوء يمكن إطلاقه بواسطة الذرات. وهي تتألف من العديد من الحزم الصغيرة الشبيهة بالجسيمات التي لها طاقة وزخم ولكن ليس لها كتلة. وتسمى هذه الجسيمات الفوتونات, وهي الوحدات الأساسية للضوء. يتم إطلاق الفوتونات بسبب تحرك الإلكترونات. في الذرات, تتحرك الإلكترونات في مدارات حول الذرة. الإلكترونات الموجودة في مدارات مختلفة لها طاقات مختلفة. بشكل عام, تتحرك الإلكترونات ذات الطاقة الأكبر في مدارات أبعد عن النواة. عندما ينتقل الإلكترون من مدار أقل إلى مدار أعلى, يزداد مستوى الطاقة, وعلى العكس من ذلك, عندما يهبط من وظيفة مدارية أعلى إلى وظيفة مدارية أقل, يطلق الإلكترون الطاقة. يتم إطلاق الطاقة على شكل فوتونات. قطرات الطاقة الأعلى تطلق فوتونات ذات طاقة أعلى, والتي تتميز بترددها العالي.

يسقط إلكترون حر من طبقة النوع P عبر الصمام الثنائي إلى فتحة إلكترون فارغة. يتضمن ذلك السقوط من نطاق التوصيل إلى وظيفة مدارية أقل, لذلك يطلق الإلكترون طاقة على شكل فوتون. يحدث هذا في أي صمام ثنائي, ترى فقط الفوتونات عندما يتكون الصمام الثنائي من مادة معينة. في صمام ثنائي السيليكون القياسي, على سبيل المثال, يتم ترتيب الذرات بطريقة بحيث عندما يسقط الإلكترون على مسافة قصيرة نسبيا, يتم ترتيب الذرات بطريقة لا تستطيع العين البشرية رؤيتها بسبب انخفاض تردد الإلكترون.

تتمتع مصابيح LED بالعديد من المزايا مقارنة بالمصابيح المتوهجة التقليدية. الأول هو أن مصابيح LED لا تحتوي على فتيل يمكن حرقه, لذلك فهي تستمر لفترة أطول. بالإضافة, المصباح البلاستيكي الصغير لمصباح LED يجعل مصباح LED أكثر متانة. ويمكن أيضًا تركيبه بسهولة أكبر في الدوائر الإلكترونية الحالية. تتضمن عملية انبعاث الضوء في المصابيح المتوهجة التقليدية توليد الكثير من الحرارة.

هذا هو مضيعة كاملة للطاقة. إلا إذا كنت تستخدم الضوء كمدفأة, معظم التيار الفعال لا يذهب مباشرة إلى الضوء المرئي. مصابيح LED تنبعث منها حرارة قليلة جدًا, نسبيا, كلما زادت كمية الكهرباء التي تذهب مباشرة إلى الضوء, كلما قلت الحاجة إلى الطاقة.

لمصابيح LED للضوء المرئي, مثل تلك المستخدمة في الساعات الرقمية, ويحدد حجم الفجوة تردد الفوتونات, أو بمعنى آخر, لون الضوء. في حين أن جميع الثنائيات تنبعث منها الضوء, معظمها ليست فعالة للغاية. في الثنائيات العادية, تمتص مادة أشباه الموصلات نفسها الكثير من الطاقة الضوئية وتنتهي. يتم تغطية مصابيح LED بمصباح بلاستيكي يركز الضوء في اتجاه معين.

تتمتع مصابيح LED بالعديد من المزايا مقارنة بالمصابيح المتوهجة التقليدية. الأول هو أن مصابيح LED لا تحتوي على فتيل يمكن حرقه, لذلك فهي تستمر لفترة أطول. بالإضافة, المصباح البلاستيكي الصغير لمصابيح LED يجعلها أكثر متانة. ويمكن أيضًا تركيبها بسهولة أكبر في الدوائر الإلكترونية الحالية. تتضمن عملية انبعاث الضوء للمصابيح المتوهجة التقليدية توليد الكثير من الحرارة. هذا هو مضيعة كاملة للطاقة. إلا إذا كنت تستخدم الضوء كمدفأة, معظم التيار الفعال لا يذهب مباشرة إلى الضوء المرئي. مصابيح LED تنبعث منها حرارة قليلة جدًا, والحديث نسبيا, كلما زادت كمية الكهرباء المستخدمة مباشرة للضوء, كلما قلت الحاجة إلى الطاقة.

حتى الآن, كانت مصابيح LED باهظة الثمن بالنسبة لمعظم تطبيقات الإضاءة لأنها مصنوعة من مواد شبه موصلة متقدمة. لقد انخفض سعر أجهزة أشباه الموصلات بشكل كبير في الماضي 10 اعوام, ومع ذلك, مما يجعل مصابيح LED خيار إضاءة أكثر فعالية من حيث التكلفة لمجموعة واسعة من التطبيقات. في المستقبل القريب, سوف تلعب مصابيح LED دورًا أكبر في التكنولوجيا العالمية.

صمام ثنائي باعث للضوء (قاد) هو صمام ثنائي PN متحيز للأمام مصنوع من مواد شبه موصلة. آلية انبعاث الضوء الخاصة بها هي أنه عندما يتم حقن تيار أمامي عند طرفي تقاطع PN, ناقلات غير متوازنة حقنها (أزواج ثقب الإلكترون) إعادة تجميع وإصدار الضوء أثناء عملية الانتشار. تتوافق عملية الانبعاث هذه بشكل أساسي مع عملية الانبعاث التلقائي للضوء. اعتمادا على موقع إخراج الضوء, يمكن تقسيم مصابيح LED إلى نوع انبعاث السطح ونوع انبعاث الحافة. الصمام الثنائي الأكثر استخدامًا هو الصمام الثنائي الباعث للضوء ذو الحافة المزدوجة غير المتجانسة InGaAsP/InP.

يمكن أيضًا تفسير مبدأ انبعاث الضوء لمصابيح LED من خلال بنية النطاق الخاصة بوصلة PN. المواد المستخدمة في صنع الثنائيات الباعثة للضوء لأشباه الموصلات مخدرة بشدة. في حالة التوازن الحراري, هناك العديد من الإلكترونات ذات الحركة العالية في المنطقة N, وهناك المزيد من الثقوب ذات الحركة المنخفضة في المنطقة P. بسبب محدودية طبقة حاجز الوصلة PN, لا يمكن للاثنين أن يجتمعا بشكل طبيعي في ظل الظروف العادية. When a forward voltage is applied to the PN junction, the electrons in the conduction band of the groove region can escape the barrier of the PN junction and enter the P region. لذلك, when the electrons in the high energy state meet the holes in the vicinity of the PN junction slightly to the side of the P region, luminescence recombination occurs. The light emitted by this luminescence recombination belongs to spontaneous radiation, and the wavelength of the radiated light is determined by the bandgap width Eg of the material.

Light-emitting diodes have significant advantages such as high reliability, long continuous working time at room temperature, and good optical power-current linearity. علاوة على ذلك, since this technology has been developed to a relatively mature level, its price is very cheap. لذلك, in the design of some simple optical fiber sensors, if قاد is competent, choosing it as the light source can greatly reduce the cost of the entire sensor. لكن, the luminescence mechanism of LED determines that it has many shortcomings, such as low output power, large emission angle, spectral line width, and low response speed. لذلك, in the design of some sensors that require high power, fast modulation rate, and good monochromaticity, other higher performance light sources have to be selected at the cost of increasing costs.

Due to the different bandgap widths of different materials, light-emitting diodes made of different materials can emit light of different wavelengths. بالإضافة, some materials have different components and doping, على سبيل المثال, some have very complex band structures, and corresponding indirect transition radiation, الخ., so there are various light-emitting diodes.