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, لكن, 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. عندما يتم تطبيق الجهد الأمامي على تقاطع PN, يمكن للإلكترونات الموجودة في نطاق التوصيل في منطقة الأخدود الهروب من حاجز الوصلة PN والدخول إلى المنطقة P. لذلك, عندما تلتقي الإلكترونات في حالة الطاقة العالية بالثقوب الموجودة بالقرب من تقاطع PN قليلاً إلى جانب المنطقة P, يحدث إعادة التركيب التلألؤ. ينتمي الضوء المنبعث من إعادة التركيب التلألؤ إلى الإشعاع التلقائي, ويتم تحديد الطول الموجي للضوء المشع بواسطة عرض فجوة النطاق على سبيل المثال للمادة.

تتمتع الثنائيات الباعثة للضوء بمزايا كبيرة مثل الموثوقية العالية, وقت العمل المستمر الطويل في درجة حرارة الغرفة, وخطية جيدة لتيار الطاقة الضوئية. علاوة على ذلك, منذ أن تم تطوير هذه التكنولوجيا إلى مستوى ناضج نسبيا, سعره رخيص جدًا. لذلك, في تصميم بعض حساسات الألياف الضوئية البسيطة, لو قاد مختص, واختياره كمصدر للضوء يمكن أن يقلل بشكل كبير من تكلفة المستشعر بأكمله. لكن, تحدد آلية التلألؤ في LED أن بها العديد من أوجه القصور, مثل انخفاض انتاج الطاقة, زاوية انبعاث كبيرة, عرض الخط الطيفي, وسرعة الاستجابة منخفضة. لذلك, في تصميم بعض الحساسات التي تتطلب طاقة عالية, معدل التعديل السريع, وأحادية اللون جيدة, يجب اختيار مصادر إضاءة أخرى ذات أداء أعلى على حساب زيادة التكاليف.

بسبب اختلاف عرض فجوة الحزمة للمواد المختلفة, يمكن للثنائيات الباعثة للضوء المصنوعة من مواد مختلفة أن تبعث ضوءًا بأطوال موجية مختلفة. بالإضافة, بعض المواد لها مكونات مختلفة والمنشطات, على سبيل المثال, بعضها لديه هياكل نطاقية معقدة للغاية, والإشعاع الانتقالي غير المباشر المقابل, إلخ., لذلك هناك العديد من الثنائيات الباعثة للضوء.