الديود باعث للضوء

الديود هو اصغر أداة مصنعة من مواد أشباه الموصلات، حيث أن أشباه الموصلات هي مواد شبه موصلة للكهرباء وهي مصنعة من مواد ضعيفة التوصيل للتيار الكهربي ومطعمة بنسبة من الشوائب من مادة أخرى وتسمي عملية التطعيم Doping.

يختصر اسم الديود الباعث للضوء بـ LED وهي أول حرف من كلمات Light Emitting Diodes والتي توضح فكرة هذه الأداء وهي إصدار الضوء، ولهذه الأداة LED تطبيقات عديدة في مجال الإلكترونيات وتدخل في تركيب العديد من الأجهزة الحديثة حيث تضيء الـ LED لتعلم المستخدم أن الجهاز يعمل مثل اللمبة الحمراء التي تضيء عندما يكون جهاز التلفزيون في حالة الاستعداد أو في أجهزة الراديو عند استقبال محطة عليه وتدخل في الساعات الرقمية والريموت كنترول والتلفزيونات الكبيرة التي تستخدم كشاشات عرض كبيرة وفي إضاءة إشارات المرور.

باختصار الـ LED عبارة عن لمبة ضوء إلكترونية اي لا تحتوي على فتيلة ولا تسخن كما في المصابيح الكهربية. فهي تصدر الضوء من خلال حركة الإلكترونات في داخل مواد من أشباه الموصلات semiconductor التي تتكون منها الترانسستورات.

في حالة الـ LED فإن المادة الموصلة هي ألومونيوم جاليوم ارسانيد (AlGaAs) التي تكون في الحالة النقية تماماً فإن كل الذرات تكون مرتبطة مما ينتج عنه عدم توفر إلكترونات حرة لنقل التيار الكهربي، ولكن عند تطعيم هذه المادة بنسبة محددة فإن الحالة السابقة من عدم توصيل التيار الكهربي تتغير حيث بإضافة إلكترونات أو سحب إلكترونات لترك فجوات يمكن للإلكترون من الحركة فإن المادة تصبح شبه موصلة للتيار الكهربي.

أشباه الموصلات بإلكترونات إضافية من التطعيم تسمى مواد من النوع N وهو الحرف الأول من كلمة Negative أي سالبة الشحنة لان حاملات الشحنة هي الإلكترونات التي تتحرك من المناطق السالبة الشحنة إلى المناطق الموجبة الشحنة.

أما أشباه الموصلات التي تحتوي على نقص في إلكترون أو أكثر أي ما يعرف بالفجوة تسمى مواد من النوع P وهو الحرف الأول من كلمة Positive أي موجبة الشحنة حيث ينتقل الإلكترون من فجوة إلى أخرى مما يعتبر من ناحية أخرى أن الفجوة هي التي تنتقل والتي تمثل الشحنة الموجبة التي تنتقل من المنطق الموجبة إلى المناطق السالبة.

الديود هو عبارة عن اتصال مادتين شبه موصلتين احدهما من النوع N والأخرى من النوع P مع وجود الكترود على الطرفين الخارجيين لتوصيل الديود بفرق الجهد الكهربي في دائرة كهربية. فعندما لا يوجد فرق جهد كهربي مطبق على طرفي الالكترود فإن الإلكترونات في المادة N تنتقل إلى الفجوات في المادة P من خلال الوصلة بين المادتين مكونة منطقة استنزاف Depletion Zone. في منطقة الاستنزاف تتحول إلى منطقة عازلة لان كل الفجوات احتوت على إلكترونات مما أصبحت حركة الإلكترونات معدومة لعدم توفر الفجوات.

عند الوصلة بين المادتين فإن اللكترونات في المادة N تنتقل إلى الفجوات في المادة P. مما تترك المنطقة الوسطى منطقة الاستنزاف عازلة.

للتخلص من المنطقة العازلة التي تكونت عند الوصلة فإنه يجب دفع الإلكترونات على الحركة من المادة N إلى المادة P خلال منطقة الستنزاف ولعمل هذا نحتاج الى بذل شغل على هذه الإلكترونات لإجبارها على الحركة خلال المنطقة العازلة من خلال استخدام بطارية كهربية لإنتاج فرق جهد كهربي ينتج عنه مجال كهربي يؤثر بقوة على الإلكترونات. فنقوم بتوصيل الالكترود الموصول على المادة N بالقطب السالب للبطارية ويوصل الالكترود على المادة P بالطرف الموجب للبطارية فتتنافر الإلكترونات في المادة N مع طرف البطارية السالب وتندفع تجاه منطقة الاستنزاف وتتحرك الفجوات في المادة P تحت تأثير قوة التنافر مع القطب الموجب للبطارية تجاه منطقة الاستنزاف وبزيادة فرق جهد البطارية تستطيع الإلكترونات من عبور منطقة الاستنزاف وتتحد مع الفجوات وتلغي منطقة الاستنزاف وتصبح وصلة الديود موصلة للتيار الكهربي.

نقوم بتوصيل الالكترود الموصول على المادة N بالقطب السالب للبطارية ويوصل الالكترود على المادة P بالطرف الموجب للبطارية مما يؤدي إلى تلاشى منطقة الاستنزاف.

في حالة توصيل البطارية بالاتجاه المعاكس للمرة السابقة تصبح وصلة الديود عازلة للتيار الكهربي، فبتوصيل الالكترود على الطرف N مع القطب الموجب للبطارية وتوصيل الكترود المادة P بالطرف السالب للبطارية كما في الشكل ادناه فإن منطقة الاستنزاف تتزداد وذلك لانجذاب الإلكترونات ناحية الطرف الموجب للبطارية والفجوات تجاه الطرف السالب للبطارية وينعدم مرور التيار نتيجة لحركة الإلكترونات والفجوات في اتجاهين متعاكسينن يزيد من منطقة الاستنزاف.

بتوصيل الالكترود على الطرف N مع القطب الموجب للبطارية وتوصيل الكترود المادة P بالطرف السالب للبطارية يؤدي ذلك إلى ازدياد منطقة الاستنزاف العازلة.

الضوء هو عبارة عن طاقة تنتج أو تنبعث من الذرة في صورة أشباه جسيمات تسمى الفوتونات Photons لها كمية حركة وكتلتها صفر. وسميت أشباه جسيمات لان الضوء له طبيعة مزدوجة فيمكن أن يكون موجة ويمكن أن يكون جسيم .

تنطلق الفوتونات من الذرات نتيجة لحركة الكرترونات، ففي الذرة تتحرك الإلكترونات في مدارات دائرية حول النواة يعتمد نصف قطر المدار على كمية الطاقة التي يحمتلها الإلكترون فكلما كانت الطاقة كبيرة كان نصف قطر المدار أي الالكترن ابعد عن النواة.

عندما ينتقل إلكترون من مدار منخفض إلى مدار أعلى فإنه يمتص طاقة خارجية ليتم الانتقال أما في حالة عودة الإلكترون من المدار الأكبر إلى المدار الأدنى فإنه تتحرر طاقة يحملها فوتون تساوي فرق الطاقة بين المدارين. وبالتالي فإن طاقة الفوتون تتحدد بفارق الطاقة بين المداريين الذين انتقل بينهما الإلكترون وهذا يدل على ان طاقة الفوتون يمكن ان تكون متغيرة المدارات التي حدثت بينها الانتقالات، تغير طاقة الفوتون تعني تغير في الطول الموجي للفوتون فيمكن ان يكون فوتون على شكل ضوء مرئي أو ضوء غير مرئي.

في حالة وصلة الديود فإن الإلكترونات الحرة تحرك عبر وصلة الديود في اتجاه الفجوة وهذا يعني أن الإلكترون عندما يتحد مع الفجوة كما لو انه انتقل من مدار عالي الطاقة إلى مدار منخفض الطاقة وتنطلق الطاقة على شكل فوتون. ولكن لا نرى الفوتون المنبعث إلا إذا كان ذو طول موجي في الطيف المرئي وهذا لا يتحقق في كل وصلات الديود ففي الديود المصنعة من مادة السليكون يكون الفوتون المنطلق في منطقة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي ولا يرى بالعين المجردة ولكن له تطبيقات هامة في الرموت كنترول حيث تنتقل التعليمات من الرموت كنترول إلى التلفزيون على شكل نبضات من الفوتونات تحت الحمراء يفهمها مجس الاستقبال في التلفزيون.

وللحصول على وصلة ديود تعطي ضوء مرئي فإنه يستخدم مواد ذات فارق طاقة اكبر بين مدار الإلكترون في المادة N والفجوة في المادة P التي تمثل المدار ذو الطاقة الأدنى. حيث أن التحكم في هذا الفارق يحدد لون الضوء المنبعث من الديود عند اتحاد الإلكترون مع الفجوة خلال وصلة الديود.

في حين ان كل أنواع الديودات تعطي ضوء إلا أن هذا الضوء المنبعث له كفاءة معينة تحدد شدة الضوء المنبعث. حيث ان جزء من هذا الضوء يعاد امتصاصه داخل وصلة الديود. ولكن الديودات الباعثة لضوء LED تصمم بحيث يتم توجيه الضوء الى الخارج من خلال احتواء وصلة الديود داخل مادة بلاستيكية على شكل مصباح شبه كروي كما في الشكل أدناه لتركيز الفوتونات المنطلقة في اتجاه محدد.

تمتلك الـ LED خصائص تميزها عن المصابيح الكهربية التقليدية فهي في البداية لا تحتوي على فتيلة يمكن أن تحترق فتعيش LED مدة زمنية أطول بكثير كما أنها صغيرة الحجم تمكننا من استخدامها في تطبيقات إلكترونية عديدة، هذا بالإضافة إلى كفاءتها العالية بالمقارنة بالمصابيح التقليدية. ولا تنبعث منها أي طاقة حرارية التي تعتبر طاقة مفقودة