تحقیق مقاله دیود های نوری

دیودهای نوری

قطعات دو پایانه طراحی شده برای پاسخ به جذب فوتون ، دیودهای نوری نامیده می‌شوند. از این قطعات پیوندی برای بهبودی سرعت پاسخ و حساسیت آشکارسازهای نوری یا تابش‌های پرانرژی استفاده می‌شود. بیشترین کاربرد آنها در مخابرات نوری و باتری‌های خورشیدی است.

دید کلی

قطعات دو پایانه طراحی شده برای پاسخ به جذب فوتون ، دیودهای نوری نامیده می‌شوند. برخی از دیودهای نوری سرعت پاسخ و حساسیت بسیار بالایی دارند. از آنجایی که ‌الکترونیک نوین علاوه بر سیگنالهای الکتریکی اغلب دارای سیگنالهای نوری نیز می‌باشد، دیودهای نوری نقش مهمی ‌را به عنوان قطعات الکترونیک ایفا می‌کنند. غالبا از قطعات پیوندی برای بهبودی سرعت پاسخ و حساسیت آشکارسازهای نوری یا تابشهای پر انرژی استفاده می‌شود.

ولتاژ و جریان در یک پیوند نور تابیده

رانش حاملین بار اقلیت در دو سر یک پیوند تولید جریان می‌کنند، بویژه حاملین بار تولید شده در ناحیه تهی w توسط میدان پیوند جدا شده ‌الکترونها در ناحیه n و حفره‌ها در ناحیه p جمع می‌شوند. همچنین حاملین بار اقلیت که به صورت گرمایی در فاصله یک طول نفوذ از طرفین پیوند تولید می‌شوند، به ناحیه تهی نفوذ کرده و توسط میدان الکتریکی به طرف دیگر جاروب می‌شوند. اگر پیوند بطور یکنواخت توسط فوتون‌های با انرژی hv>Eg تحت تابش قرار گیرد، یک نرخ تولید اضافی در این جریان مشارکت می‌کند و ولتاژ مستقیم در هر دو سر یک پیوند نور تابیده به نام پدیده فوتوولتائیک ایجاد می‌شود.

باتریهای خورشیدی

امروزه برای تأمین توان الکتریکی مورد نیاز بسیاری از ماهواره‌های فضایی از آرایه‌های باتری خورشیدی از نوع پیوندی p-n استفاده می‌شود. باتریهای خورشیدی می‌توانند توان مورد نیاز تجهیزات داخل یک ماهواره را در مدت زمان طولانی فراهم سازند. آرایه‌های پیوندی را می‌توان در سطح ماهواره توزیع و یا اینکه در باله‌های باتری خورشیدی متصل به بدنه ‌اصلی ماهواره جا داد. برای بهره گیری از بیشترین مقدار انرژی نوری موجود ، لازم است که باتری خورشیدی دارای پیوندی با سطح مقطع بزرگ و در نزدیکی سطح قطعه باشد. پیوند سطحی توسط نفوذ یا کاشت یون تشکیل شده و برای جلوگیری از انعکاس و نیز کاهش بازترکیب ، سطح آن با مواد مناسب پوشیده می‌شود.

آشکارسازهای نوری

یک چنین قطعه‌ای برای اندازه گیری سطوح روشنایی یا تبدیل سیگنالهای نوری متغیر با زمان به سیگنالهای الکتریکی وسیله‌ای مناسب است. در بیشتر آشکارسازهای نوری سرعت پاسخ آشکارساز بسیار مهم است. مرحله نفوذ حاملین بار امری زمان‌بر است و باید در صورت امکان حذف شود. پس مطلوب است که پهنای ناحیه تهی به ‌اندازه کافی بزرگ باشد تا اکثر فوتون‌ها به‌جای نواحی خنثی n و p در درون ناحیه تهی جذب شوند. وقتی که یک EHP در ناحیه تهی بوجود آید، میدان الکتریکی ، الکترون را به طرف n و حفره را به طرف p می‌کشد. چون این رانش حاملین بار در زمان کوتاهی رخ می‌دهد، پاسخ دیود نوری می‌تواند بسیار سریع باشد. هنگامی ‌که حاملین بار عمدتا در ناحیه تهی w ایجاد شوند، به آشکارساز یک دیود نوری لایه تهی گفته می‌شود. اگر w پهن باشد، اکثر فوتونهای تابشی در ناحیه تهی جذب خواهند شد. w پهن منجر به کاهش ظرفیت پیوند شده و در نتیجه ثابت زمانی مدار آشکارساز را کاهش می‌دهد.
 

نحوه کنترل پهنای ناحیه تهی

روش مناسب برای کنترل پهنای ناحیه تهی ساختن یک آشکارساز نوری p-i-n است. ناحیه i مادامی که مقاومت ویژه زیاد است، لزومی ‌ندارد که حقیقتا ذاتی باشد. می‌توان آن را به روش رونشستی روی بستر نوع n رشد داد و ناحیه p را توسط نفوذ ایجاد کرد. هنگامی‌ که ‌این قطعه در گرایش معکوس قرار می‌گیرد، ولتاژ وارده تقریبا بطور کامل در دو سر ناحیه i ظاهر می‌شود. برای آشکارسازی سیگنالهای نوری ضعیف اغلب مناسب است که دیود نوری در ناحیه شکست بهمنی مشخصه‌اش عمل کند.

نویز و پهنای باند آشکارسازهای نوری

در سیستمهای مخابرات نوری حساسیت آشکارسازهای نوری و زمان پاسخ آنها بسیار مهم است. متاسفانه ‌این دو ویژگی عموما با هم بهینه نمی‌شوند. مثلا در یک آشکارساز نوری بهره به نسبت طول عمر حاملین بار به زمان گذار وابسته ‌است. از سوی دیگر پاسخ فرکانسی نسبت عکس با طول عمر حاملین بار دارد. معمولا حاصلضرب بهره در پهنای باند را به عنوان ضریب شایستگی برای آشکارسازها ملاک قرار می‌دهند. طراحی برای افزایش بهره سبب کاهش پهنای باند می‌شود و برعکس ویژگی مهم دیگر آشکارسازها نسبت سیگنال به نویز است که مقدار اطلاعات مفید در مقایسه با نویز در زمینه آشکارساز را نشان می‌دهد. منبع اصلی نویز در نور رساناها نوسانات اتفاقی در جریان تاریک است. جریان نویز در تاریکی متناسب ، دما و رسانایی ماده ‌افزایش می‌یابد. افزایش مقاومت تاریک همچنین بهره نور رسانا را افزایش داده و بالطبع باعث کاهش پهنای باند می‌شود.

کاربرد دیود نوری

کاربرد باتریهای خورشیدی محدود به فضای دور نیست. حتی با تضعیف شدت تابش خورشید توسط جو می‌توان توسط این باتریها توان مفیدی را برای کاربردهای زمینی بدست آورد. یک باتری خوش ساخت از سیلیسیوم می‌تواند دارای بازده خوب در تبدیل انرژی الکتریکی باشد.

مطالبی در مورد لامپ های ال ای دی

به طور اتفاقی، اختراع جدیدی پدید آمد که می تواند دیودهای نوری را دگرگون کند!

منبع روشنایی آینده ما قطعا لامپ های کنونی نخواهند بود. شاید دیوارهای خانه مان یا میز ناهارخوری یا حتی چنگال ها منبع روشنایی آینده ما باشد!

یک کشف کاملا تصادفی! دنیای دیودهای نوری را وارد مرحله تازه ای خواهد کرد (دیودهای نوری یا دیودهای نورانی، چراغ هایی هستند که امروزه در فلاش ها، نورپردازی های تزئینی و... به کار می روند). این کشف، دیودهای نوری ارزان تر و با عمر بیشتری نسبت به چراغ های معمولی عرضه می کند که علاوه بر خاصیت دیودهای نوری متداول، خاصیت های شگفت انگیز دیگری هم دارد که نسل چراغ های متداول خانگی امروزی را بر خواهد چید.

مایکل بورز، دانشجوی دانشگاه و اندربیلت در حال آزمایش روی نقطه های کوانتومی بود که به پدیده عجیبی برخورد کرد. نقطه های کوانتومی، بلورهایی با طول چند نانومتراند (یعنی چیزی در حدود یک هزارم قطر یک موی انسان). این نقطه ها 100 تا 1000 الکترون دارند که به آسانی ترکیب می شوند و انرژی از خود گسیل می کنند. هرچه ابعاد آن ها کوچک تر باشد آسان تر تحریک می شوند. هر کدام از این نقطه های کوانتومی که بورز جمع آوری کرده بود 33 یا 34 جفت اتم داشت. این نقطه ها دارای خاصیت های جالبی هستند. مثلا اگر شما به آن ها نوری بتابانید یا آن ها را تحت تأثیر جریان الکتریسیته قرار دهید، نور مخصوص به خودشان را ساطع می کنند که معمولا نورهای رنگی روشن است. اما هنگامی که بورز به آن ها اشعه لیزر تابانید، یک واقعه غیرعادی رخ داد. من شگفت زده شدم. چون نور سفید خیره کننده ای تمام میز کارم را فرا گرفت. نقطه های کوانتومی می بایست نور آبی گسیل دهند، ولی به جای آن، شاهد تابش نور سفید زیبایی بودیم. او و همکارش این نقطه های کوانتومی را با مواد دیگری مخلوط کردند و نور تازه ای ایجاد کردند که هر چند زیبایی چندانی نداشت، ولی مشابه نور لامپ های خانگی بود. این وسیله جدید، نوری بین سفید و زرد ساطع می کند که روشنایی آن دو برابر و عمرش 50 برابر لامپ های 60 وات معمولی است.

مقایسه دیود نوری و لامپ

تا قبل از دهه اخیر، دیودهای نوری فقط می توانستند نورهای سبز و قرمز و زرد تولید کنند که کاربرد آن ها را محدود می کرد. بعد از آن دیودهای نوری با نور آبی هم ساخته شد.یک دیود نوری دو برابر روشنایی یک لامپ 60 وات درخشندگی دارد و 50 هزار ساعت عمر مفید. طبق محاسبات وزارت انرژی ایالات متحده، دیودهای نوری می توانند تا سال 2050 مصرف انرژی آمریکا را 29 درصد کاهش دهند.

چون دیودهای نوری گرمای زیادی تولید نمی کنند، بازده انرژی آن ها هم بالاتر است و دیرتر هم می شکنند. محققان بر این باورند که دیودهای نوری حتی جایگزین لامپ های گازی و مهتابی ها هم خواهند شد. اگر این اختراع تازه، چهره صنعتی و تجاری پیدا کند، می تواند گستره نورهای یک رنگین کمان از جمله نور لامپ های معمولی و سفید را تولید کند. با این اوصاف، اختراع ادیسون یعنی لامپ خانگی کنونی باید به زودی از صحنه زندگی بشر خداحافظی کند.

(Light Emitting Diod) LED

(دیود منتشر کننده نور)

علیرغم تصور عمومی LED نه تنها در نمایشگرها ، تابلوها و دستگاههای تخصصی بکار میرود بلکه امروزه استفاده بسیار وسیعی در صنعت روشنائی دارد.

بسته به نوع اتصال مجموعه LEDهای بکار رفته ،ولتاژ ورودی از 5 ولت تا 220 ولت قابل تغییر می باشد.

در حال حاضر کلیه رنگ های موجود در طبیعت (16 میلیون رنگ) ، مستقیم ویا غیرمستقیم (DMX ( بدون نیاز به هیچگونه لنز ویا فیلتر رنگی که در پروژکتورهای معمولی جهت تغییر رنگ بکار میرود ، به تنهائی بوسیله LED قابل تولید می باشد.

نگاهی به جدول زیر نشان میدهد که LED ها حدود 70 – 80 % انرژی را به گرما تبدیل می کنند ولی با این وجود ، کم مصرف ترین منبع نوری حاضر دنیا می باشد.

نوع منبع نور نور مرئی پرتوهای نامرئی گرما

لامپ های ادیسونی %3-5 %30-40 IR %67-55

لامپ های هالوژن %6-8 % 40-50 IR %55-40

لامپ های فلورسنت % 15-25 % 15-20 UV %70-55

LED (2007) % 20-30 %0 %70-80

لامپ های بخار سدیم %40- 60 %20-30 %20-30

طول عمر LED با کیفیت حدود 100000 ساعت می باشد که چندین برابر لامپ های معمولی می باشد.

عوامل موثر بر عمر LED عبارتند از :

 تبادل گرمائی ، نوسانات برق و ایزولاسیون با درنظر گرفتن عوامل فوق و مقایسه شدت نور لامپ های مختلف ،به جرات می توان LED را مقرون به صرفه ترین محصول نوری حال حاضر دنیا دانست .

لامپ های ادیسونی 5- 10 Lm/Watt

لامپ های هالوژن 8-15 lm/Watt

لامپ های فلورسنت 60-80 Lm/W att

LED-P4 2007 90-120 (Lm /Watt (10,2007

لامپ های بخار سدیم 160 - 200 (Lm/Watt (Yellow Street Lamps

در حال حاضر با توجه به عمر طولانی ، عدم تولید حرارت وکم مصرف بودن LED ، این محصول استفاده وسیعی در نورپردازی هتل ها ، سالن های اجتماعات ، راهروها و خصوصا در برق اضطراری هتل ها دارد.
بزرگترین پروژه روشنائی LED اجراء شده در دنیا مربوط به سالن فرودگاه تبریز با وسعت 6000 m2 می باشد که با تکنولوژی (P4 ( 100Lm / Watt ومشارکت شرکت PSL ترکیه و شرکت های الکتروکامپ

و مشاورآذربایجانبا کاهش 90% انرژی مصرفی و شدت نور 100 Lux، در اواخر سال 2007 میلادی به بهره برداری رسید.

تنها مسئله باقیمانده تفاوت قیمت محصولات LED بالامپ های معمولی می باشدکه آن هم با در نظر گرفتن طول عمر (تعویض لامپ) ، مصرف انرژی ناچیز و تولید نکردن حرارت که بصورت غیرمستقیم باعث کاهش مصرف دستگاههای برودتی نیز میگردد.

محصولات نورپردازی : ستاره شب - MicroStar - نورمخفی LED تکرنگ و سه رنگ

LED ها روز به روز روند رو به افزایش دارند برای مثال:

فیلیپس اولین نوع لامپ‌های خیابانی LED را با طول عمر بالا عرضه می‌کند.

به گزارش موج،شرکت فیلیپس اولین لامپ‌های خیابانی راکه با اشعه دیود (LED) کار می‌کند وطول عمر آنها چهار برابرلامپ‌های خیابانی کنونی است،عرضه می‌کند.

این شرکت بزرگ هلندی اعلام کرد،لامپ‌های LEDاین شرکت اگر به مدت 11تا 12ساعت در روز کار کنند تا 12سال نیازی به تعویض نخواهند داشت و می‌توانند برای50 هزار ساعت، نور تولید کنند.

لامپ‌های LED دارای ساختمان بسیار محکمی‌از مواد هستند ،این لامپ ها کوچکتر اما متنوع تر از لامپ هایی هستند که با گاز پر می‌شوند و آسیب‌پذیری آنها نیز کمتر است.

لامپ‌های خیابانی LED در مرکز هلند نصب شدند و شرکت فیلیپس به عنوان بزرگترین سازنده لامپ‌ها و چراغ‌های روشنایی در جهان،اولین سازنده این نوع لامپ ها به شمار می‌رود.

گفتنی است روشنایی لامپ‌های زرد و سفید LED در فصل‌های گوناگون با توجه به وضعیت روشنایی هوا،قابل تنظیم است .در حال حاضر این نوع لامپ‌ها در قطعات الکترونیکی ،اتومبیل ها ودو چرخه ها مورد استفاده قرار می‌گیرند واکنون با توسعه‌های تکنیکی، در هر وضعیت روشنایی نرمالی استفاده می‌شوند.

لامپ‌های خیابانی کنونی که با گاز پر می‌شوند به طور متوسط 12 هزار ساعت کار می‌کنند وتعویض آنها علاوه بر دسترسی سخت خصوصاً در مکان‌هایی مثل تونل ویا مختل شدن ترافیک‌، هزینه زیادی را در بر دارد.

لامپ‌های LEDخیابانی با طراحی مشابه دارای هزینه ای دو برابر لامپ‌های کنونی هستند اما این موضوع باتوجه به عمر طولانی آنها جبران می‌شود.

شرکت فیلیپس از سه سازنده برتر لوازم بیمارستانی است همچنین از برترین شرکت‌های جهان در ساخت نیمه رساناها و قطعات الکترونیکی به شمار می‌رود

در شکل زیر نمونه هایی از LED را مشاهده میکنید