فکرة عمل الدیود باعث للضوء

مع مرور الزمن ومواکبة للتطور الحاصل فی جمیع المیادین وبضمنها تکنولوجیا الانارة فقد اکتشفت طریقة جدیدة للانارة قلیلة الکلفة وبنور ساطع وهاج وصدیقة للبیئة واقتصادیة فی استهلاک الطاقة الکهربائیة الا وهی دیودات ال ای دی ..
یختصر اسم الدایود الباعث للضوء بـ LED وهی اول حرف من کلمات Light Emitting Diodes والتی توضح فکرة هذه الأداء وهی اصدار الضوء، ولهذه الاداة LED تطبیقات عدیدة فی مجال الالکترونیات وتدخل فی ترکیب العدید من الاجهزة الحدیثة حیث تضیء الـ LED لتعلم المستخدم ان الجهاز یعمل مثل اللمبة الحمراء التی تضیء عندما یکون جهاز التلفزیزن فی حالة الاستعداد أو فی اجهزة الرادیو عند استقبال محطة علیه وتدخل فی الساعات الرقمیة والرموت کنترول والتلفزیونات الکبیرة التی تستخدم کشاشات عرض کبیرة وفی اضاءة اشارات المرور، وقد تم انتاجها بالوان مختلفة لتفی باغراض متنوعة .
فکرة عمل الدیود باعث للضوء
باختصار الـ LED عبارة عن لمبة ضوء الکترونیة ای لا تحتوی على فتیلة ولا تسخن کما فی المصابیح الکهربیة. فهی تصدر الضوء من خلال حرکة الالکترونات فی داخل مواد من اشباه الموصلات semiconductor التی تتکون منها الترانسستورات.
سنحاول فی هذا الشرح القاء المزید من الضوء عن هذه الاداة موضحین الفکرة الفیزیائیة لعملها.

ما هو الدیود
الدیود هو اصغرأداة مصنعة من مواد اشباه الموصلات، حیث ان اشباه الموصلات هی مواد شبه موصلة للکهرباء وهی مصنعة من مواد ضعیفة التوصیل للتیار الکهربی ومطعمة بنسبة من الشوائب من مادة اخرى وتسمی عملیة التطعیم Doping.
فی حالة الـ LED فإن المادة الموصلة هی الومنیوم جالیوم ارسانید (AlGaAs) التی تکون فی الحالة النقیة تماماً فإن کل الذرات تکون مرتبطة مما ینتج عنه عدم توفر الکترونات حرة لنقل التیار الکهربی، ولکن عند تطعیم هذه المادة بنسبة محددة فإن الحالة السابقة من عدم توصیل التیار الکهربی تتغیر حیث باضافة الکترونات او سحب الکترونات لترک فجوات یمکن للالکترون من الحرکة فإن المادة تصبح شبه موصلة للتیار الکهربی.
اشباه الموصلات بالکترونات اضافیة من التطعیم تسمى مواد من النوع N وهو الحرف الأول من کلمة Negative أی سالبة الشحنة لان حاملات الشحنة هی الالکترونات التی تتحرک من المناطق السالبة الشحنة إلى المناطق الموجبة الشحنة.
اما اشباه الموصلات التی تحتوی على نقص فی الکترون أو اکثر أی ما یعرف بالفجوة تسمى مواد من النوع P وهو الحرف الأول من کلمة Positive ای موجبة الشحنة حیث ینتقل الالکترون من فجوة الى اخرى مما یعتبر من ناحیة اخرى ان الفجوة هی التی تنتقل والتی تمثل الشحنة الموجبة التی تنتقل من المنطق الموجبة إلى المناطق السالبة.
الدیود هو عبالرة عن اتصال مادتین شبه موصلتین احدهما من النوع N والأخرى من النوع P مع وجود الکترود على الطرفین الخارجیین لتوصیل الدیود بفرق الجهد الکهربی فی دائرة کهربیة. فعندما لا یوجد فرق جهد کهربی مطبق على طرفی الالکترود فإن الالکترونات فی المادة N تنتقل إلى الفجوات فی المادة P من خلال الوصلة بین المادتین مکونة منطقة استنزاف Depletion Zone. فی منطقة الاستنزاف تتحول الى منطقة عازلة لان کل الفجوات احتوت على الکترونات مما اصبحت حرکة الالکترونات معدومة لعدم توفر الفجوات.
فکرة عمل الدیود باعث للضوء
عند الوصلة بین المادتین فإن اللکترونات فی المادة N تنتقل إلى الفجوات فی المادة P. مما تترک المنطقة الوسطى منطقة الاستنزاف عازلة.
للتخلص من المنطقة العازلة التی تکونت عند الوصلة فإنه یجب دفع الالکترونات على الحرکة من المادة N إلى المادة P خلال منطقة الاستنزاف ولعمل هذا نحتاج الى بذل شغل على هذه الالکترونات لاجبارها على الحرکة خلال المنطقة العازلة من خلال استخدام بطاریة کهربیة لانتاج فرق جدهد کهربی ینتج عنه مجال کهربی یؤثر بقوة على الالکترونات. فنقوم بتوصیل الالکترود الموصول على المادة N بالقطب السالب للبطاریة ویوصل الالکترود على المادة P بالطرف الموجب للبطاریة فتتنافر الالکترونات فی المادة N مع طرف البطاریة السالب وتندفع تجاه منطقة الاستنزاف وتتحرک الفجوات فی المادة P تحت تأثیر قوة التنافر مع القطب الموجب للبطاریة تجاه منطقة الاستنزاف وبزیادة فرق جهد البطاریة تستطیع الالکترونات من عبور منطقة الاستنزاف وتتحد مع الفجوات وتلغی منطقة الاستنزاف وتصبح وصلة الدیود موصلة للتیار الکهربی.
نقوم بتوصیل الالکترود الموصول على المادة N بالقطب السالب للبطاریة ویوصل الالکترود على المادة P بالطرف الموجب للبطاریة مما یؤدی إلى تلاشى منطقة الاستنزاف.
فی حالة توصیل البطاریة بالاتجاه المعاکس للمرة السابقة تصبح وصلة الدیود عازلة للتیار الکهربی، فبتوصیل الالکترود على الطرف N مع القطب الموجب للبطاریة وتوصیل الکترود المادة P بالطرف السالب للبطاریة کما فی الشکل ادناه فإن منطقة الاستنزاف تتزداد وذلک لانجذاب الالکترونات ناحیة الطرف الموجب للبطاریة والفجوات تجاه الطرف السالب للبطاریة وینعدم مرور التیار نتیجة لحرکة الالکترونات والفجوات فی اتجاهین متعاکسینن یزید من منطقة الاستنزاف.
فکرة عمل الدیود باعث للضوء
بتوصیل الالکترود على الطرف N مع القطب الموجب للبطاریة وتوصیل الکترود المادة P بالطرف السالب للبطاریة یؤدی ذلک إلى ازدیاد منطقة الاستنزاف العازلة.

کیف ینتج الدیود الضوء
الضوء هو عبارة عن طاقة تنتج او تنبعث من الذرة فی صورة اشباه جسیمات تسمى الفوتونات Photons لها کمیة حرکة وکتلتها صفر. وسمیت اشباه جسیمات لان الضوء له طبیعة مزدوجة فیمکن ان یکون موجة ویمکن ان یکون جسیم تنطلق الفوتونات من الذرات نتیجة لحرکة الالکرترونات، ففی الذرة تتحرک الالکترونات فی مدارات دائریة حول النواة یعتمد نصف قطر المدار على کمیة الطاقة التی یمتلکها الالکترون فکلما کانت الطاقة کبیرة کان نصف قطر المدار ای الالکترون ابعد عن النواة.
عندما ینتقل الکترون من مدار منخفض إلى مدار اعلى فإنه یمتص طاقة خارجیة لیتم الانتقال اما فی حالة عودة اللکترون من المدار الاکبر إلى المدار الادنى فإنه تتحرر طاقة یحملها فوتون تساوی فرق الطاقة بین المدارین. وبالتالی فإن طاقة الفوتون تتحدد بفارق الطاقة بین المداریین الذین انتقل بینهما الالکترون وهذا یدل على ان طاقة الفوتون یمکن ان تکون متغیرة المدارات التی حدثت بینها الانتقالات، تغیر طاقة الفوتون تعنی تغیر فی الطول الموجی للفوتون فیمکن ان یکون فوتون على شکل ضوء مرئی او ضوء غیر مرئی.
فی حالة وصلة الدیود فإن الالکترونات الحرة تحرک عبر وصلة الدیود فی اتجاه الفجوة وهذا یعنی ان الالکترون عندما یتحد مع الفجوة کما لو انه انتقل من مدار عالی الطاقة إلى مدار منخفض الطاقة وتنطلق الطاقة على شکل فوتون. ولکن لا نرى الفوتون المنبعث إلا اذا کان ذو طول موجی فی الطیف المرئی وهذا لا یتحقق فی کل وصلات الدیود ففی الدیود المصنعة من مادة السلیکون یکون الفوتون المنطلق فی منطقة تحت الحمراء من الطیف الکهرومغناطیسی ولا یرى بالعین المجردة ولکن له تطبیقات هامة فی الرموت کنترول حیث تنتقل التعلیمات من الرموت کنترول إلى التلفزیون على شکل نبضات من الفوتونات تحت الحمراء یفهمها مجس الاستقبال فی التلفزیون.
فکرة عمل الدیود باعث للضوء
فکرة عمل الدیود باعث للضوء فکرة عمل الدیود باعث للضوء
وللحصول على وصلة دیود تعطی ضوء مرئی فإنه یستخدم مواد ذات فارق طاقة اکبر بین مدار الالکترون فی المادة N والفجوة فی المادة P التی تمثل المدار ذو الطاقة الأدنى. حیث ان التحکم فی هذا الفارق یحدد لون الضوء المنبعث من الدیود عند اتحاد الالکترون مع الفجوة خلال وصلة الدیود.
فی حین ان کل انواع الدیودات تعطی ضوء الا ان هذا الضوء المنبعث له کفاءة معینة تحدد شدة الضوء المنبعث. حیث ان جزء من هذا الضوء یعاد امتصاصه داخل وصلة الدیود. ولکن الدیودات الباعثة لضوء LED تصمم بحیث یتم توجیه الضوء الى الخارج من خلال احتواء وصلة الدیود داخل مادة بلاستیکیة على شکل مصباح شبه کروی کما فی الشکل ادناه لترکیز الفوتونات المنطلقة فی اتجاه محدد.
فکرة عمل الدیود باعث للضوء

خصائص الـ LED
تمتلک الـ LED خصائص تمیزها عن المصابیح الکهربیة التقلیدیة فهی فی البدایة لا تحتوی على فتیلة یمکن ان تحترق فتعیش LED مدة زمنیة اطول بکثیر کما انها صغیرة الحجم تمکننا من استخدامها فی تطبیقات الکترونیة عدیدة، هذا بالاضافة إلى کفاءتها العالیة بالمقارنة بالمصابیح التقلیدیة. ولا تنبعث منها ای طاقة حراریة التی تعتبر طاقة مفقودة .
المصدر : تحقیق راسخون 2014