الصمام الثنائي الباعث للضوء هو صمام ثنائي خاص. مثل الثنائيات العادية، تتكون الثنائيات الباعثة للضوء من رقائق أشباه الموصلات. يتم زرع هذه المواد شبه الموصلة مسبقًا أو تطعيمها لإنتاج هياكل p و n.
مثل الثنائيات الأخرى، يمكن للتيار في الصمام الثنائي الباعث للضوء أن يتدفق بسهولة من القطب p (الأنود) إلى القطب n (الكاثود)، ولكن ليس في الاتجاه المعاكس. ناقلتان مختلفتان: تتدفق الثقوب والإلكترونات من الأقطاب الكهربائية إلى الهياكل p و n تحت جهد كهربائي مختلف. عندما تلتقي الثقوب والإلكترونات وتتحد مرة أخرى، تنخفض الإلكترونات إلى مستوى طاقة أقل وتطلق طاقة على شكل فوتونات (الفوتونات هي ما نسميه غالبًا الضوء).
يتم تحديد الطول الموجي (اللون) للضوء الذي ينبعث منه من خلال طاقة فجوة النطاق للمواد شبه الموصلة التي تشكل الهياكل p و n.
نظرًا لأن السيليكون والجرمانيوم عبارة عن مواد ذات فجوة نطاقية غير مباشرة، فإن إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب في هذه المواد في درجة حرارة الغرفة يعد تحولًا غير إشعاعي. مثل هذه التحولات لا تطلق الفوتونات، ولكنها تحول الطاقة إلى طاقة حرارية. لذلك، لا يمكن لثنائيات السيليكون والجرمانيوم أن ينبعث منها الضوء (سوف ينبعث منها الضوء عند درجات حرارة محددة منخفضة جدًا، والتي يجب اكتشافها بزاوية خاصة، كما أن سطوع الضوء ليس واضحًا).
المواد المستخدمة في الثنائيات الباعثة للضوء كلها مواد ذات فجوة نطاقية مباشرة، وبالتالي يتم إطلاق الطاقة على شكل فوتونات. تتوافق طاقات النطاق المحظورة هذه مع الطاقة الضوئية الموجودة في النطاقات القريبة من الأشعة تحت الحمراء أو المرئية أو القريبة من الأشعة فوق البنفسجية.
يحاكي هذا النموذج مصباح LED الذي ينبعث الضوء في الجزء تحت الأحمر من الطيف الكهرومغناطيسي.
في المراحل الأولى من التطوير، يمكن للثنائيات الباعثة للضوء التي تستخدم زرنيخيد الغاليوم (GaAs) أن تبعث فقط الأشعة تحت الحمراء أو الضوء الأحمر. مع تقدم علم المواد، يمكن للثنائيات الباعثة للضوء المطورة حديثًا أن تبعث موجات ضوئية ذات ترددات أعلى وأعلى. اليوم، يمكن صنع الثنائيات الباعثة للضوء بألوان مختلفة.
تُصنع الثنائيات عادةً على ركيزة من النوع N، مع ترسيب طبقة من أشباه الموصلات من النوع P على سطحها ومتصلة معًا بواسطة أقطاب كهربائية. تعتبر الركائز من النوع P أقل شيوعًا، ولكنها تُستخدم أيضًا. العديد من الثنائيات التجارية الباعثة للضوء، وخاصة GaN/InGaN، تستخدم أيضًا ركائز الياقوت.
تحتوي معظم المواد المستخدمة في تصنيع مصابيح LED على معاملات انكسار عالية جدًا. وهذا يعني أن معظم موجات الضوء تنعكس مرة أخرى على المادة الموجودة على الواجهة مع الهواء. ولذلك، يعد استخراج الموجات الضوئية موضوعًا مهمًا لمصابيح LED، وتركز الكثير من الأبحاث والتطوير على هذا الموضوع.
الفرق الرئيسي بين مصابيح LED (الثنائيات الباعثة للضوء) والثنائيات العادية هو موادها وبنيتها، مما يؤدي إلى اختلافات كبيرة في كفاءتها في تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية. فيما يلي بعض النقاط الأساسية لشرح سبب قدرة مصابيح LED على إصدار الضوء بينما لا تستطيع الثنائيات العادية:
مواد مختلفة:تستخدم مصابيح LED مواد أشباه الموصلات III-V مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، وفوسفيد الغاليوم (GaP)، ونيتريد الغاليوم (GaN)، وما إلى ذلك. تحتوي هذه المواد على فجوة نطاق مباشرة، مما يسمح للإلكترونات بالقفز مباشرة وإطلاق الفوتونات (الضوء). تستخدم الثنائيات العادية عادة السيليكون أو الجرمانيوم، والتي لها فجوة نطاق غير مباشرة، وتحدث قفزة الإلكترون بشكل رئيسي في شكل إطلاق طاقة حرارية، بدلا من الضوء.
هيكل مختلف:تم تصميم هيكل مصابيح LED لتحسين توليد الضوء وانبعاثه. عادةً ما تضيف مصابيح LED مواد إشباع وهياكل طبقات محددة عند تقاطع pn لتعزيز توليد وإطلاق الفوتونات. تم تصميم الثنائيات العادية لتحسين وظيفة تصحيح التيار ولا تركز على توليد الضوء.
فجوة الطاقة:تحتوي مادة LED على طاقة ذات فجوة نطاق كبيرة، مما يعني أن الطاقة المنطلقة من الإلكترونات أثناء التحول عالية بما يكفي لتظهر على شكل ضوء. إن طاقة فجوة الحزمة المادية للثنائيات العادية صغيرة، ويتم إطلاق الإلكترونات بشكل أساسي على شكل حرارة عند انتقالها.
آلية التلألؤ:عندما يكون تقاطع pn الخاص بمصباح LED تحت الانحياز الأمامي، تنتقل الإلكترونات من المنطقة n إلى المنطقة p، وتتحد مع الثقوب، وتطلق الطاقة على شكل فوتونات لتوليد الضوء. في الثنائيات العادية، يتم إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب بشكل أساسي في شكل إعادة تركيب غير إشعاعي، أي يتم إطلاق الطاقة في شكل حرارة.
تسمح هذه الاختلافات لمصابيح LED بإصدار الضوء أثناء العمل، بينما لا تستطيع الثنائيات العادية ذلك.
هذه المقالة منقولة من الإنترنت وحقوق الطبع والنشر مملوكة للمؤلف الأصلي
وقت النشر: 01 أغسطس 2024