ديودهاي نوراني چگونه كار مي كنند

ديودهاي نوراني كه به آنها ديودها نيز گفته مي شود و در دنياي الكترونيك به اين نام شناخته مي شوند كابرد زيادي دارند. آنها براي اهداف گوناگون در لوازم و تجهيزات مختلف بكار گرفته مي شوند. آنها براي پالسهاي ساعت ديجيتال digital clocks ، انتقال اطلاعات و سيگنالها از كنترلهاي راه دور و روشن كردن فضاي ساعت استفاده مي شوند. آنها را بصورت مجموعه اي (به تعداد زياد) مي توان در برخي تلويزيونها (jumbo TV) و چراغهاي راهنمايي رانندگي يافت. اصولاً LED ها، لامپهايي هستند كه براحتي در مدار الكترونيكي قابل نصب هستند. برخلاف لامپهاي متداول ديگر داراي رشته هاي نازك و مارپيچ نيستند. آنها در حين كار توليد گرماي زياد نمي كنند. اين ديودها بر اثر عبور الكترونها از ماده نيمه هادي نورافشاني مي

كنند، انواع كنوني آن به اندازه يك ترانزيستور استاندارد است.

در اين مقاله اصول ساده عملكرد اين ديود توضيح داده مي شود و برخي اصول مربوط به نورافشاني و فرآيند ايجاد شده در حين روشن شدن آن تشريح شده اند.
يك ديود چيست؟

ديود ساده ترين نوع يك قطعه نيمه هادي است. در بيان متداول، نيمه هادي، ماده اي است كه توانايي عبور جريانهاي گوناگون را دارد. اكثر نيمه هاديها داراي خاصيت هدايت ضعيف هستند و اين ويژگي بدليل وجود ناخالصي در آنها ايجاد شده است. فرآيند افزودن ناخالصي به ماده را doping مي نامند. در مورد LED ها، داده هاي نوعاً آلومينيم، گاليم و آرشيك است. تمام آنها داراي مقاديري ناخالصي بوده، محدوده و فضاي اتمي آنها در كنار هم قرار دارند و هيچ الكترون آزادي براي عبور جريان الكتريكي از آنها جدا نمي شود. در اينگونه مواد،

توازن و تعادل اتمي بر هم خورده و سبب جابجايي الكترونها يا حفره ها مي شوند. اين امر سبب مي شود كه خاصيت هدايت آنها افزايش پيدا كند. يك نيمه هادي با الكترونهاي اضافي (بيشتر)، داده نوع N ناميده مي شود و داراي ذرات با بار حتمي زياد است. در ماده نوع N الكترونهاي آزاد بصورت بار منفي آزادانه به طرف فضاي مثبت حركت مي كنند. يك نيمه هادي با حفره هاي زياد، نيمه هادي نوع P ناميده مي شود. در اين ماده ذرات داراي بار مثبت زيادي هستند. الكترونها در اين حالت مي توانند از يك حفره به حفره ديگر پرش كنند و سبب شود

كه فضاي منفي به طرف فضاي مثبت كشيده و جذب آن شود. در نتيجه بنظر مي رسد كه حفره ها در حال حركت هستند. يك ديود داراي بخشي از ماده N و بخشي ماده P است كه در دو انتهاي آن دو الكترود وجود دارد. اين آرايش توانايي هدايت جريان تنها در يك جهت را دارد. وقتي هيچ ولتاژي اعمال نشود الكترونها و حفره ها در ناحيه اتصال دو نيمه هادي تجمع مي كنند اين ناحيه بنام ناحيه تهي ناميده مي شود. در اين ناحيه قطعه بصورت عايق عمل مي كند و حفره ها (تا حد امكان) نگهداشته مي شوند و هيچ الكترون آزادي قادر به گذر از اين ناحيه نيست. براي كوچك كردن و عبور از اين ناحيه الكترونها و حفره ها بايد در جهت مخالف يكديگر از اين ناحيه عبور كنند و وارد مواد نوع N و P شوند. براي اين منظور پايه منفي ديو

د بايد به ولتاژ منفي و پايه مثبت به ولتاژ مثبت متصل شود. در اين حالت الكترونها يكديگر را رانده و از فضاي تهي عبور مي كنند، از طرفي ديگر حفره ها به طرف نيمه هادي N كشيده مي شوند. اگر اختلاف ولتاژ به اندازه كافي زياد باشد تا الكترونها بتوانند از ناحيه تهيه گذر كنند، حفره ها نيز از آن طرف قادر به انتقال خواهند بود. در اين حالت ناحيه تهي به حداقل رسيده و الكترونها آزادانه در ديود حركت مي كنند. اگر بخواهيد الكترونها را به جهت مخالف هدايت كنيد، كافي است جهت اتصال به باطري را برعكس كنيد. در اين حالت الكترونها جذب قطب مثبت باطري مي شوند. و سبب مي شود هيچ جرياني از ديود عبور نكند. در اين حالت ناحيه تهي بزرگ مي شود. بر هم كنشي بين الكترونها و حفره ها در LED سبب توليد نور مي شود. در بخش بعد اين مطلب را دقيقاً توضيح مي دهيم.

چگونه يك ديود مي تواند نور توليد كند؟
نور نوعي انرژي است كه از اتم ساطع مي شود. نور داراي قطعات (بسته هاي) كوچك انرژي است كه بدون وزن است. اين ذرات را فوتون مي نامند و واحدهاي پايه اي نور محسوب مي شود. فوتونها در اثر حركت الكترونها آزاد مي شوند. در يك اتم، الكترونها به دور اربيتالهاي هسته در حال چرخش هستند. الكترونهاي اربيتالهاي مختلف داراي انرژي گوناگون هستند. به بيان كلي مي توان گفت الكترونها داراي انرژي بيشتر در اربيتالهاي دورتر از هسته حركت مي كنند. براي پرش يك الكترون از اربيتال پائين تر به اربيتال بالاتر، انرژي دريافت مي شود و بصورت برعكس از انتقال به اربيتال پائين تر، انرژي آزاد مي شود. انرژي آزاد شده بصورت فوتون ساطع مي شود. انرژي بيشتر سبب آزاد شدن فوتون با انرژي بالاتر است كه مشخصه آن

فركانس بالاتر آن است. چنانكه در بخش گذشته ديديد، الكترونها آزاد از فضاي ديود عبور كرده تا بتوانند خود را به داخل حفره بياندازند. اين حالت شامل كاهش و افت ناحيه هدايت به اربيتال پائين تر مي شود، بنابراين سبب مي شود، الكترونها، انرژي را بصورت فوتونها آزاد كنند. اين امر در تمام ديودهاي نوراني رخ مي دهد اما به نسبت تركيب مواد در آن وابسته است. بعنوان مثال ديود سيليكون استاندارد به گونه اي قرار گرفته است كه الكترونها در فاصله كوتاهي دچار افت و سقوط مي شوند. در نتيجه فركانس نور ساطع شده بوسيله فوتونها با چشم انسان قابل مشاهده است. اين به معني آن است كه اين فركانس در طيف نوراني قابل رؤيت قرار دارد.