ال‌ای‌دی‌ها چطور کار می کنند؟

دیود نورافشان یا آنچه با نام LED شناخته میشود قهرمانان ستایش نشده دنیای الکترونیک هستند. LED ها ده ها کار متفاوت را انجام می دهند و در تمامی وسایل یافت می شوند. مثلا در ساعت های دیجیتالی اعداد را درست می کنند، در کنترل ها اطلاعات را جابه جا می کنند، صفحه ساعت را روشن می کنند و به شما می گویند وسیله هایتان چه زمانی روشن شده اند. انبوهی از آنها در کنار هم صفحه نمایش های بزرگ و یا چراغ های راهنمایی را شکل می دهند.

می توان آنها را به حباب های کوچک نوری تعبیر کرد که به سادگی در مدارهای الکترونیکی گنجانده می شوند. اما برخلاف لامپ های رشته ای معمولی دارای رشته فیلامان سوزان نیستند و هرگز داغ نمی شوند. آنها تنها در اثر حرکت الکترون ها در یک ماده نیمه رسانا نور تولید می کنند و طول عمرشان اندازه یک ترانزیستور استاندارد است، چیزی حدود هزار ساعت بیشتر از لامپ های رشته ای. این ال ای دی ها در تکنولوژی جدید تلویزیون به کار رفته اند که نسبت به تلویزیون های LCD باریک تر هستند.

در ادامه بیشتر با تکنولوژی آنها آشنا می شویم.

دیود چیست؟

دیود ساده ترین وسیله نیمه رساناست. نیمه رساناها موادی هستند که توانایی های متفاوتی برای هدایت جریان الکتریکی دارند. اغلب نیمه رساناها از رساناهایی تشکیل شده اند که دارای مقدار زیادی ناخالصی (اتم های یک ماده دیگر) هستند که با آنها افزوده شده. به پروسه اضافه شدن دوپینگ گفته می شود.

در ال ای دی ها ماده رسانا معمولا از آلیاژ آلومینوم-گالیوم-آرسناید (AlGaAs) تشکیل شده است. در آلیاژ خالص آلومینوم-گالیوم-آرسناید، تمامی اتم ها به طور کامل به همسایه هایشان زنجیر شده اند و هیچ فضایی برای الکترون های آزاد جهت هدایت جریان الکتریکی باقی نگذاشته اند. در ماده دوپینگ شده، اتم های اضافی این تعادل را با اضافه کردن الکترون های آزاد اضافی و یا با ایجاد حفره ها به هم میزنند. هر کدام از این تغییرات باعث می شود که ماده رسانایی بیشتری به دست آورد.

یک نیمه رسانا با الکترون های اضافی ماده نوع N نامگذاری می شود زیرا دارای ذرات اضافی با بار الکتریکی منفی است. در ماده نوع N الکترون های آزاد از حوزه با بار منفی با حوزه با بار مثبت حرکت می کند.

یک نیمه رسانا با حفره های اضافی ماده نوع P نامگذاری می شود زیرا دارای ذرات اضافی با بار الکتریکی مثبت است. الکترون ها می توانند از یک حفره به دیگری بپرند و از حوزه با بار منفی به حوزه با بار مثبت بروند. در نتیجه، این طور به نظر میرسد که حفره از حوزه با باز مثبت به حوزه با بار منفی جابه جا شده اند.

هر دیود از قسمتی با ماده نوع N و قسمتی با ماده نوع P تشکیل شده که به هم پیوسته اند و در انتهای هر سمت یک الکترود وجود دارد. این ترتیب قرار گرفتن مواد باعث می شود جریان الکتریکی فقط در یک جهت حرکت کند. وقتی هیچ ولتاژی به دیود اعمال نمی شود، الکترون های ماده نوع N در نزدیکی محل اتصال حفره های موجود در ماده نوع P را پر می کنند و یک ناحیه تخلیه بوجود می آورند. در ناحیه تخلیه ماده نیمه رسانا به حالت عایق اولیه اش باز میگردد و همه حفره هایش پر می شوند و هیچ الکترون آزادی نمی ماند و جریان الکتریکی برقرار نمی گردد.

برای رهایی از ناحیه تخلیه، باید الکترون ها از ناحیه N به ناحیه P بروند و حفره ها نیز در مسیر برعکس حرکت کنند، به این منظور باید سمت نوع N به قطب منفی و سمت نوع P به قطب مثبت وصل شوند. الکترون های آزاد سمت نوع N توسط الکترود منفی دفع و توسط الکترود مثبت جذب می شوند. حفره های ماده نوع P در مسیر برعکس حرکت می کنند. وقتی اختلاف ولتاژ بین دو طرف به اندازه کافی زیاد شود الکترون های داخل ناحیه تخلیه نیز از داخل حفره های خارج شده و آزادانه حرکت می کنند. ناحیه تخلیه ناپدید می شود و بار الکتریکی در دیود حرکت می کند.

چنانچه سمت نوع P را به قطب منفی و نوع N را به قطب مثبت وصل کنید، جریان در جهت برعکس جاری نخواهد شد. الکترون های منفی در سمت ماده نوع N جذب الکترود مثبت می شوند و حفره های ماده نوع P جذب الکترود مثبت می گردند و در نتیجه هیچ جریانی در محل اتصال برقرار نمی شود و ناحیه تخلیه بزرگ تر از پیش می گردد.

دیود چطور نور تولید می کند؟

نور شکلی از انرژی است که می تواند توسط اتم آزاد شود. نور از بسته های بسیار ریزی تشکیل شده است که انرژی و تکانه دارند اما جرم ندارند. این ذره های که فوتون نامیده می شوند واحدهای پایه تشکیل دهنده نور هستند.

فوتون ها در نتیجه حرکت الکترون ها آزاد می شوند. در یک اتم، الکترون ها در اوربیتال هایی در اطراف هسته حرکت می کنند. الکترون ها در اوربیتال های مختلف مقدار انرژی های متفاوتی دارند. الکترون های که در اوربیتال های دورتر از هسته حرکت می کنند انرژی بیشتری دارند.

برای آنکه الکترون بتواند از یک لایه به لایه دیگری که انرژی بالاتری دارد برود باید از جایی انرژی اش تامین شود. اما اگر از یک اوربیتال بالایی به یک اوربیتال پایین تر برود انرژی آزاد می کند. این انرژی به شکل فوتون آزاد می شود. هر چه تغییر انرژی بین لایه های اوربیتال بیشتر باشد، فوتون آزاد شده دارای انرژی بیشتری خواهد بود که با فرکانس بالاتر توصیف می شود.

همانطور که پیشتر دیدیم الکترون های آزادی که در دیود حرکت می کنند می توانند به داخل حفره ها بیفتند. این به معنی رفتن به یک اوربیتال پایینتر و در نتیجه آزاد کردن انرژی به شکل فوتون می باشد. این اتفاق در همه دیودها رخ می دهد اما فوتون ها فقط در برخی مواد و آلیاژهای خاص قابل دیدن هستند. به عنوان مثال اتم های دیود سیلیکونی استاندارد نوعی مرتب شده اند که الکترون در فاصله های کوتاهی حرکت می کند و درنتیجه فرکانس فوتون ها آنقدر کم است که با چشم قابل دیدن هستند. فرکانس آنها در قسمت مادون قرمز طیف نوری هستند و برای کنترل از راه دور ها بهترین گزینه اند.

دیودهای نور افشان قابل دیدن (VLED) مانند آنهایی که در ساعت های دیجیتال وجود دارند از موادی ساخته می شوند که فاصله بین نوار رسانایی و اوربیتال های پایینی بزرگ تر است و از آن جایی که این فاصله با فرکانس فوتون نسبت مستقیم دارد در نتیجه فرکانس فوتون بیشتر می شود. به عبارت دیگر این فاصله رنگ نور تابیده شده از ال ای دی را تعیین می کند. بسته به ماده ای که در ساخت آنها به کار می رود رنگ ال ای دی ها از مادون قرمز تا ماورای بنفش تغییر می کند.

مزایای ال ای دی

در حالیکه همه دیودها نور ساطع می کنند اما بیشتر آنها این کار را به طور موثر انجام نمی دهند. در یک دیود معمولی ماده نیمه رسانا خودش مقدار زیادی از انرژی نور را جذب می کند. ال ای دی ها طوری ساخته میشوند که تعداد زیادی فوتون را آزاد کنند. به علاوه این که حباب های پلاستیکی که آنها را در بر میگیرند نور را در یک جهت خاص متمرکز می کنند. همانطور که در شکل می بینید بیشتر نور از دیواره ها به سمت قسمت بالایی و گرد دیود هدایت می شوند.

ال ای دی ها مزایای بیشتری نیست به لامپ های رشته ای دارند. یکی از مهم ترین برتری ها این است که در آنها رشته فیلامان سوزان وجود ندارد و در نتیجه طول عمر بیشتری دارند. به علاوه این که سایز کوچکشان آنها را بادوام تر کرده است و باعث شده به راحتی در مدارهای الکترونیکی گنجانده شوند.

اما مهمترین ویژگی آنها راندمان آنهاست. در لامپ های رشته ای متداول پروسه تولید نور همراه با ایجاد گرمای زیادی است که اتلاف کامل انرژی را به همراه دارد. مگر این که شما از این لامپ ها به عنوان وسیله گرمایشی استفاده کنید!! در مقایسه با لامپ های رشته ای، ال ای دی ها گرمای خیلی کمی تولید می کنند و بیشتر توانی که دریافت می کنند صرف تولید نور می شود و تاثیر به سزایی در کاهش مصرف برق دارد. برای نمونه Sewell's Evolux LED به ازای هر وات ۷۶/۹ لومن تولید می کند در حالی که لامپ رشته ای ۱۷ لومن و ال ای دی ها ۵۰،۰۰۰ ساعت بیشتر عمر می کنند.

تا پیش از سال ۲۰۰۰ قیمت لامپ های ال ای دی بسیار گران بود زیرا تولید آنها نیاز به مواد نیمه رسانای پیشرفته داشت. با کاهش قیمت نیمه رساناها تولید ال ای دی ها مقرون به صرفه شد و به تولید انبوه رسید. هرچند در ابتدا قیمت آنها از لامپ های رشته ای بیشتر به نظر می رسد اما طول عمر بیشتر و مصرف کمتر آنها در نهایت کارایی و صرفه اقتصادی آنها را نمایان می کند.

البته نوردهی ال ای دی ها کامل نیست و نقاط ضعفی هم دارد. علاوه بر قیمت، به گرمای زیاد نیز حساس هستند. اگر مدار آنها زیاد از حد گرم شود جریان بیشتری از اتصال بین دو حوزه دیود عبور خواهد کرد و باعث می شود که ال ای دی ذوب شود!

تلویزیون های ال ای دی و آینده‌ی لامپ های ال ای دی

از سال ۲۰۰۰ با عرضه تلویزیون های LCD که جایگزین شگفت انگیزی برای تلویزیون های CRT بودند، تغییراتی در بازار تلویزیون ها بوجود آمد. اما با وجود این که تلویزیون های ال سی دی به مراتب نازک تر و سبک تر از تلویزیون های سی آر تی هستند اما همچنان از تیوب فلوروسانت کاتدی برای پرتاب نور سفید بر روی صفحه نمایش استفاده می کنند که وزن و ضخامتی به تلویزیون ها می دهد. در تلویزیون های LED هر دو این مشکلات حل شده است.

آیا تاکنون تلویزیون بسیار بزرگ با صفحه صاف و ضخامت یک اینچ دیده اید؟ اگر پاسخ شما مثبت است پس بدانید که شما یک دستگاه ال ای دی را مشاهده کرده اید. بسیاری از تلویزیون های LED TV ها در واقع هنوز LCD TV هستند زیرا صفحه نمایش از کریستال مایع درست شده است اما به جای تیوب فلوروسانت از نور درخشان ال ای دی برای روشن کردن صفحه پشت استفاده می کنند. و پیکسل ها را برای ایجاد تصویر نور می دهند. به دلیل سایز کوچک تر و مصرف انرژی کمتر ال ای دی ها این تلویزیون ها که LED-backlit LECT TV نامیده می شوند بسیار باریک تر از ال سی دی های معمولی هستند. همچنین از نظر مصرف انرژی نیز به صرفه ترند. همچنان گستره و وضوح رنگشان بهتر است.

تلویزیون های RGB LED-backlit رنگ بهتری دارند. برخی از نمونه های آنها از تکنولوژی local dimming استفاده می کنند که به ال ای دی ها در قسمت های مختلف صفخه نمایش این امکان را می دهد که به طور مستقل کم نور و پرنور شوند و تصویر پویاتری فراهم کنند. و به دلیل این که ال ای دی ها می توانند به سرعت خاموش و روشن شوند در نتیجه می توانند سطوح مختلفی از سیاه و روشن را فراهم کنند.

تلویزیون هایی نیز با دیودهای نورافشان اورگانیک OLED به بازار عرضه خواهند شد که مواد اورگانیک به کار رفته در ماده نیمه رسانا باعث انعطاف پذیری بیشتر در آنها می شوند و این امکان را به دانشمندان می دهد تا صفحه نمایش های تاشو بسازند! آیا می توانید تصور کنید که تلویزیون خودتان را لوله کرده و مانند پوستر با خودتان به هر جا که خواستید حمل کنید؟