دیود های نورانی که به آنها دیودها نیز گفته می شود و در دنیای الکترونیک به این نام شناخته می شوند کابرد زیادی دارند. آنها برای اهداف گوناگون در لوازم و تجهیزات مختلف بکار گرفته می شوند. آنها برای پالسهای ساعت دیجیتال digital clocks ، انتقال اطلاعات و سیگنالها از کنترلهای راه دور و روشن کردن فضای ساعت استفاده می شوند. آنها را بصورت مجموعه ای (به تعداد زیاد) می توان در برخی تلویزیونها (jumbo TV) و چراغهای راهنمایی رانندگی یافت. اصولاً LED ها، لامپهایی هستند که براحتی در مدار الکترونیکی قابل نصب هستند. برخلاف لامپ های متداول دیگر دارای رشته های نازک و مارپیچ نیستند. آنها در حین کار تولید گرمای زیاد نمی کنند. این دیودها بر اثر عبور الکترونها از ماده نیمه هادی نورافشانی می کنند، انواع کنونی آن به اندازه یک ترانزیستور استاندارد است.
در این مقاله اصول ساده عملکرد این دیود توضیح داده می شود و برخی اصول مربوط به نورافشانی و فرآیند ایجاد شده در حین روشن شدن آن تشریح شده اند.
یک دیود چیست؟
دیود ساده ترین نوع یک قطعه نیمه هادی است. در بیان متداول، نیمه هادی، ماده ای است که توانایی عبور جریانهای گوناگون را دارد. اکثر نیمه هادیها دارای خاصیت هدایت ضعیف هستند و این ویژگی بدلیل وجود ناخالصی در آنها ایجاد شده است. فرآیند افزودن ناخالصی به ماده را doping می نامند. در مورد LED ها، داده های نوعاً آلومینیم، گالیم و آرشیک است. تمام آنها دارای مقادیری ناخالصی بوده، محدوده و فضای اتمی آنها در کنار هم قرار دارند و هیچ الکترون آزادی برای عبور جریان الکتریکی از آنها جدا نمی شود. در اینگونه مواد، توازن و تعادل اتمی بر هم خورده و سبب جابجایی الکترونها یا حفره ها می شوند. این امر سبب می شود که خاصیت هدایت آنها افزایش پیدا کند. یک نیمه هادی با الکترونهای اضافی (بیشتر)، داده نوع N نامیده می شود و دارای ذرات با بار حتمی زیاد است. در ماده نوع N الکترونهای آزاد بصورت بار منفی آزادانه به طرف فضای مثبت حرکت می کنند. یک نیمه هادی با حفره های زیاد، نیمه هادی نوع P نامیده می شود. در این ماده ذرات دارای بار مثبت زیادی هستند. الکترونها در این حالت می توانند از یک حفره به حفره دیگر پرش کنند و سبب شود که فضای منفی به طرف فضای مثبت کشیده و جذب آن شود. در نتیجه بنظر می رسد که حفره ها در حال حرکت هستند. یک دیود دارای بخشی از ماده N و بخشی ماده P است که در دو انتهای آن دو الکترود وجود دارد. این آرایش توانایی هدایت جریان تنها در یک جهت را دارد. وقتی هیچ ولتاژی اعمال نشود الکترونها و حفره ها در ناحیه اتصال دو نیمه هادی تجمع می کنند این ناحیه بنام ناحیه تهی نامیده می شود. در این ناحیه قطعه بصورت عایق عمل می کند و حفره ها (تا حد امکان) نگهداشته می شوند و هیچ الکترون آزادی قادر به گذر از این ناحیه نیست. برای کوچک کردن و عبور از این ناحیه الکترونها و حفره ها باید در جهت مخالف یکدیگر از این ناحیه عبور کنند و وارد مواد نوع N و P شوند. برای این منظور پایه منفی دیود باید به ولتاژ منفی و پایه مثبت به ولتاژ مثبت متصل شود. در این حالت الکترونها یکدیگر را رانده و از فضای تهی عبور می کنند، از طرفی دیگر حفره ها به طرف نیمه هادی N کشیده می شوند. اگر اختلاف ولتاژ به اندازه کافی زیاد باشد تا الکترونها بتوانند از ناحیه تهیه گذر کنند، حفره ها نیز از آن طرف قادر به انتقال خواهند بود. در این حالت ناحیه تهی به حداقل رسیده و الکترونها آزادانه در دیود حرکت می کنند. اگر بخواهید الکترونها را به جهت مخالف هدایت کنید، کافی است جهت اتصال به باطری را برعکس کنید. در این حالت الکترونها جذب قطب مثبت باطری می شوند. و سبب می شود هیچ جریانی از دیود عبور نکند. در این حالت ناحیه تهی بزرگ می شود. بر هم کنشی بین الکترونها و حفره ها در LED سبب تولید نور می شود. در بخش بعد این مطلب را دقیقاً توضیح می دهیم.
چگونه یک دیود می تواند نور تولید کند؟
نور نوعی انرژی است که از اتم ساطع می شود. نور دارای قطعات (بسته های) کوچک انرژی است که بدون وزن است. این ذرات را فوتون می نامند و واحدهای پایه ای نور محسوب می شود. فوتونها در اثر حرکت الکترونها آزاد می شوند. در یک اتم، الکترونها به دور اربیتالهای هسته در حال چرخش هستند. الکترونهای اربیتالهای مختلف دارای انرژی گوناگون هستند. به بیان کلی می توان گفت الکترونها دارای انرژی بیشتر در اربیتالهای دورتر از هسته حرکت می کنند. برای پرش یک الکترون از اربیتال پائین تر به اربیتال بالاتر، انرژی دریافت می شود و بصورت برعکس از انتقال به اربیتال پائین تر، انرژی آزاد می شود. انرژی آزاد شده بصورت فوتون ساطع می شود. انرژی بیشتر سبب آزاد شدن فوتون با انرژی بالاتر است که مشخصه آن فرکانس بالاتر آن است. چنانکه در بخش گذشته دیدید، الکترونها آزاد از فضای دیود عبور کرده تا بتوانند خود را به داخل حفره بیاندازند. این حالت شامل کاهش و افت ناحیه هدایت به اربیتال پائین تر می شود، بنابراین سبب می شود، الکترونها، انرژی را بصورت فوتونها آزاد کنند. این امر در تمام دیودهای نورانی رخ می دهد اما به نسبت ترکیب مواد در آن وابسته است. بعنوان مثال دیود سیلیکون استاندارد به گونه ای قرار گرفته است که الکترونها در فاصله کوتاهی دچار افت و سقوط می شوند. در نتیجه فرکانس نور ساطع شده بوسیله فوتونها با چشم انسان قابل مشاهده است. این به معنی آن است که این فرکانس در طیف نورانی قابل رؤیت قرار دارد. البته در برخی دیودها این نور قابل رؤیت نیست که کاربردهایی نظیر کنترلهای راه دور دارند. دیودهای با نور قابل رؤیت (VLED) بصورت پالسهای ساعت روشن می شوند، خصوصیت نوری و شدت آن به جنس مواد دیود نیز وابسته است. علاوه بر آن اندازه فاصله هوایی در فرکانس فوتون تأثیرگذار است و در حقیقت رنگ نور را تعیین می کند. زمانی که دیودها نور ساطع می کنند، اکثراً در حالت حداکثر راندمان نیستند، در دیودهای معمولی، در انتهای دیود گرما و حرارت ایجاد می شود. این دیودها به گونه ای طراحی می شوند که بتوانند فوتونهای زیادی را ساطع کنند. علاوه بر آن از یک حباب پلاستیکی برای هدایت نور در جهت مورد نظر استفاده شده است. چنانکه دیده می شود مقادیری از نور بدلیل شکل کروی حباب، به اطراف پراکنده می شود. دیودها در مقایسه با لامپهای رشته ای از مزایای گوناگونی برخوردار هستند. آنها بدون داشتن رشته فلزی مارپیچ، از طول عمر بیشتر برخوردارند. علاوه بر آن پوشش پلاستیکی لامپ قابلیت تنوع را ایجاد می کند. آنها برای استفاده در الکترونیک پیشرفته امروزی کاملاً مناسب هستند.