چرا LED ها نور ساطع می کنند؟?

دیودها یکی از رایج ترین وسایل در دستگاه های نیمه هادی هستند. اکثر نیمه هادی ها از مواد نیمه هادی دوپینگ ساخته شده اند (اتم ها و سایر مواد). ماده رسانای ال ای دی ها معمولا آرسنید آلومینیوم گالیم است. در آرسنید آلومینیوم گالیم خالص, همه اتم ها کاملاً به همسایگان خود پیوند دارند, هیچ الکترون آزاد برای اتصال جریان باقی نمی ماند.

در دیودهای ساطع نور, مانند آنهایی که در ساعتهای دیجیتال استفاده می شود, اندازه شکاف فرکانس فوتون ها را تعیین می کند, به عبارت دیگر, رنگ نور. در حالی که همه دیودها نور ساطع می کنند, اکثر آنها خیلی کارآمد نیستند. در دیودهای معمولی, خود ماده نیمه هادی مقدار زیادی انرژی نور را جذب می کند و به پایان می رسد. LED ها با یک لامپ پلاستیکی پوشانده شده اند تا نور را در جهت خاصی متمرکز کنند.

نوعی نور که می تواند توسط اتم ها آزاد شود. از بسیاری از بسته های ذره مانند تشکیل شده است که دارای انرژی و تکانه هستند اما جرم ندارند. به این ذرات فوتون می گویند, که اساسی ترین واحدهای نور هستند. فوتون ها آزاد می شوند زیرا الکترون ها در اطراف حرکت می کنند. در اتم ها, الکترون ها در مدارهای اطراف اتم حرکت می کنند. الکترون ها در مدارهای مختلف دارای انرژی های متفاوتی هستند. به طور کلی, الکترون هایی با انرژی بیشتر در مدارهای دورتر از هسته حرکت می کنند. هنگامی که یک الکترون از یک اوربیتال پایین تر به یک اوربیتال بالاتر می پرد, سطح انرژی افزایش می یابد, و برعکس, هنگامی که از یک تابع مداری بالاتر به یک تابع مداری پایین تر سقوط می کند, الکترون انرژی آزاد می کند. انرژی به شکل فوتون آزاد می شود. افت انرژی بیشتر فوتون های انرژی بالاتری را آزاد می کند, که با فرکانس بالا مشخص می شوند.

یک الکترون آزاد از لایه نوع P از طریق دیود به یک سوراخ الکترونی خالی می افتد. این شامل سقوط از باند هدایت به یک تابع مداری پایین تر است, بنابراین الکترون انرژی را به شکل فوتون آزاد می کند. این در هر دیودی اتفاق می افتد, وقتی دیود از ماده خاصی ساخته شده باشد فوتون ها را می بینید. در یک دیود سیلیکونی استاندارد, به عنوان مثال, اتم ها به گونه ای قرار گرفته اند که وقتی الکترون در فاصله نسبتاً کوتاهی سقوط می کند, اتم ها به گونه ای چیده شده اند که چشم انسان نمی تواند آن را ببیند زیرا فرکانس الکترون بسیار پایین است.

ال ای دی ها مزایای زیادی نسبت به لامپ های رشته ای سنتی دارند. اولین مورد این است که LED ها هیچ رشته ای برای سوختن ندارند, بنابراین آنها دوام بیشتری دارند. علاوه بر این, لامپ پلاستیکی کوچک LED باعث دوام بیشتر LED می شود. همچنین می توان آن را به راحتی در مدارهای الکترونیکی فعلی قرار داد. فرآیند تابش نور در لامپ های رشته ای سنتی شامل تولید گرمای زیادی است.

این اتلاف کامل انرژی است. مگر اینکه از نور به عنوان بخاری استفاده کنید, بیشتر جریان مؤثر مستقیماً به نور مرئی نمی رود. ال ای دی ها گرمای بسیار کمی از خود ساطع می کنند, بنابراین به طور نسبی, الکتریسیته بیشتری که مستقیماً به نور می رود, انرژی کمتری مورد نیاز است.

برای LED های نور مرئی, مانند آنهایی که در ساعتهای دیجیتال استفاده می شود, اندازه شکاف فرکانس فوتون ها را تعیین می کند, یا به عبارت دیگر, رنگ نور. در حالی که همه دیودها نور ساطع می کنند, اکثر آنها خیلی کارآمد نیستند. در دیودهای معمولی, خود ماده نیمه هادی بیشتر انرژی نور را جذب می کند و به پایان می رسد. LED ها توسط یک لامپ پلاستیکی پوشانده شده اند که نور را در جهت خاصی متمرکز می کند.

ال ای دی ها مزایای زیادی نسبت به لامپ های رشته ای سنتی دارند. اولین مورد این است که LED ها هیچ رشته ای برای سوختن ندارند, بنابراین آنها دوام بیشتری دارند. علاوه بر این, لامپ پلاستیکی کوچک LED ها آنها را بادوام تر می کند. آنها همچنین می توانند به راحتی در مدارهای الکترونیکی فعلی نصب شوند. The light-emitting process of traditional incandescent lamps involves the generation of a lot of heat. این اتلاف کامل انرژی است. مگر اینکه از نور به عنوان بخاری استفاده کنید, بیشتر جریان مؤثر مستقیماً به نور مرئی نمی رود. ال ای دی ها گرمای بسیار کمی از خود ساطع می کنند, and relatively speaking, the more electricity that is used directly for light, انرژی کمتری مورد نیاز است.

Until now, LEDs have been too expensive for most lighting applications because they are made of advanced semiconductor materials. The price of semiconductor devices has dropped significantly in the past 10 سال, با این حال, making LEDs a more cost-effective lighting option for a wider range of applications. In the near future, LEDs will play a larger role in world technology.

A light-emitting diode (LED) is a forward-biased PN junction diode made of semiconductor materials. Its light-emitting mechanism is that when a forward current is injected at both ends of the PN junction, the injected unbalanced carriers (electron-hole pairs) در طول فرآیند انتشار نور را دوباره ترکیب کرده و ساطع می کنند. این فرآیند انتشار عمدتاً با فرآیند انتشار خود به خود نور مطابقت دارد. بسته به محل خروجی نور, LED ها را می توان به نوع انتشار سطحی و نوع انتشار لبه تقسیم کرد. متداول ترین LED مورد استفاده، دیود ساطع نور دو لبه ناهمگونی InGaAsP/InP است..

اصل ساطع نور LED ها را می توان با ساختار نواری اتصال PN نیز توضیح داد. مواد مورد استفاده برای ساخت دیودهای ساطع کننده نور نیمه هادی به شدت دوپ شده اند. در حالت تعادل حرارتی, تعداد زیادی الکترون با تحرک بالا در ناحیه N وجود دارد, و سوراخ های بیشتری با تحرک کم در ناحیه P وجود دارد. با توجه به محدودیت لایه مانع اتصال PN, این دو به طور طبیعی در شرایط عادی نمی توانند دوباره ترکیب شوند. هنگامی که یک ولتاژ رو به جلو به اتصال PN اعمال می شود, الکترون‌های نوار رسانایی ناحیه شیار می‌توانند از مانع اتصال PN فرار کرده و وارد ناحیه P شوند.. بنابراین, هنگامی که الکترون ها در حالت انرژی بالا با حفره های مجاور اتصال PN کمی به سمت ناحیه P برخورد می کنند., نوترکیبی لومینسانس رخ می دهد. نور ساطع شده از این نوترکیبی لومینسانس متعلق به تابش خود به خودی است, و طول موج نور تابیده شده توسط پهنای باند گپ به عنوان مثال ماده تعیین می شود.

دیودهای ساطع کننده نور دارای مزایای قابل توجهی مانند قابلیت اطمینان بالا هستند, زمان طولانی کار مداوم در دمای اتاق, و خطی بودن جریان نوری خوب. علاوه بر این, از آنجایی که این فناوری تا سطح نسبتاً بالغی توسعه یافته است, قیمت آن بسیار ارزان است. بنابراین, در طراحی چند سنسور فیبر نوری ساده, اگر LED صالح است, انتخاب آن به عنوان منبع نور می تواند هزینه کل سنسور را تا حد زیادی کاهش دهد. اما, مکانیسم لومینسانس LED مشخص می کند که دارای کاستی های زیادی است, مانند توان خروجی کم, زاویه انتشار بزرگ, عرض خط طیفی, و سرعت پاسخگویی پایین. بنابراین, در طراحی برخی از سنسورهایی که نیاز به توان بالایی دارند, نرخ مدولاسیون سریع, و تک رنگی خوب, سایر منابع نوری با کارایی بالاتر باید به قیمت افزایش هزینه انتخاب شوند.

به دلیل عرض باند متفاوت مواد مختلف, دیودهای ساطع نور ساخته شده از مواد مختلف می توانند نورهایی با طول موج های مختلف ساطع کنند. علاوه بر این, برخی از مواد دارای اجزای مختلف و دوپینگ هستند, به عنوان مثال, برخی از آنها ساختار نواری بسیار پیچیده ای دارند, و تابش انتقال غیر مستقیم مربوطه, غیره., so there are various light-emitting diodes.