ساختار LED و نحوه ی تولید نور

LED مخفف light emitting diode به معنی دیود نور افشان است. LED نوعی خاصی از دیود است که با عبور جریان الکتریکی از آن نور تولید می شود. در این مقاله به بررسی ساختار LED و نحوه ی تولید نور در آن ها می پردازیم.

دیود از خانواده ی نیمه هادی ها است و کاربردهای گوناگونی دارد. یکی از موارد استفاده ی آن، کنترل جهت جریان الکتریکی است. این کنترل جریان از طریق پیوند P-N اتفاق می افتد. ساختار دیود شامل دو ناحیه ی نیمه رسانا است. به یک بخش آن ناخالصی هایی اضافه می شود که آن بخش را حاوی حامل های بار منفی می کند و به آن نیمه هادی نوع N می گوییم. در نیمه دیگر ناخالصی هایی اضافه شده که حاوی حامل های بار مثبت هستند. این حامل های بار مثبت را به صورت حفره هایی در نظر می کیریم که می توانند با الکترون ها پر شوند. به این بخش، نیمه هادی نوع P می گوییم.

مرز بین این دو ناحیه پیوند P-N (P-N junction) نامیده می شود که تمام پدیده های مورد نیاز در آن رخ می دهد. ساختار دیود موجب می شود که جریان الکتریکی از یک ناحیه به ناحیه دیگر حرکت کند ولی در جهت عکس آن جریان الکتریکی نداشته باشیم. بنابراین می توان جهت جریان الکتریکی را طبق نیاز خود در مدار کنترل کرد.

اما تولید نور در LED چگونه رخ می دهد؟

وقتی که جریان الکتریکی از ناحیه P-N عبور می کند، الکترون ها از ناحیه N حفره ها در ناحیه P را پر می کنند. طی این فرآیند الکترون ها تغییر وضعیت می دهند و در این تغییر وضعیت یک فوتون ساتع می شود. به طور دقیق تر الکترون هایی که در اطراف هسته ی اتم در حرکت هستند، در مدارهای مختلف اتمی دارای مقادیر متفاوتی از انرژی اند طوری که الکترون های نزدیک هسته انرژی کمتر و الکترون های دورتر انرژی بیشتری دارند. بنابراین الکترون ها برای تغییر مدار خود یا باید انرژی از دست دهند و یا انرژی جذب کنند.

برای تولید نور در LED ها نیاز داریم که الکترون ها از مدارهای بالاتر انرژی خود را به صورت تولید فوتون از دست بدهند و به مدارهای پایین تر بروند. وقتی که الکترون ها از ناحیه N حفره ها در ناحیه P را پر می کنند انرژی خود را به صورت تولید فوتون از دست می دهند. هرچه انرژی آزاد شده بیشتر باشد فرکانس فوتون تولید شده بیشتر است و بنابراین تغییر رنگ رخ می دهد. اگر فرکانس در ناحیه طیف قابل مشاهده انسان باشد نور LED را می بینیم. در غیر این صورت، مثلا در ناحیه مادون قرمز نور دیده نمی شود ولی هم چنان می تواند مفید باشد، از جمله کاربردی که در کنترل تلویزیون ها دارد و می توانیم با استفاده از آن کانال ها را عوض کنیم.

در LED ها نوری که تولید می شود بستگی به مواد استفاده شده و جریان عبوری از آن دارد. در یک دیود استاندارد اتم ها طوری قرار گرفته اند که کاهش انرژی الکترون ها کم است و درنتیجه فرکانس فوتون تابشی در ناحیه مرئی قرار نمی گیرد. بنابریان LED ها را از مواد نیمه رسانایی می سازند که نور تولید شده از آن ها قابل دیدن باشد. آن ها حتی می توانند طوری طراحی شوند که فرکانس تولیدی قابل کنترل باشد و درنتیجه LED های چند رنگ داشته باشیم.