ما هو الصمام الثنائي الباعث للضوء: عمله وتطبيقاته

في عالم التكنولوجيا الحديثة، أضاء ابتكار صغير ورائع عالمنا - الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED). مصدر ضوء أشباه الموصلات الصغير هذا، وُلِد من العبقرية الإبداعية لـ نيك هولونياك في عام 1962، أحدثت ثورة في الإضاءة وشاشات العرض. فلنبدأ في رحلة لكشف الأعمال الساحرة لمصابيح LED واستكشاف تطبيقاتها المتنوعة.

 

ما هو الصمام الثنائي الباعث للضوء؟

 

إن الصمام الثنائي الباعث للضوء، المعروف باسم LED، هو في الأساس صمام ثنائي وصلة p-n مع منشطات متخصصة، مصنوع من مواد شبه موصلة فريدة. وفي حالته المنحازة للأمام، فإنه يشع الضوء، مما يميزه على أنه صمام ثنائي باعث للضوء.

 

رمز LED

 

يشبه رمز LED رمز الصمام الثنائي القياسي مع بعض التعديلات الفريدة. السمة المميزة هي إضافة سهمين صغيرين يشيران بعيدًا عن تقاطع الصمام الثنائي، مما يشير إلى انبعاث الضوء. يشير هذا التعديل إلى قدرة LED على إصدار الضوء عندما يكون متحيزًا للأمام، وهو جانب أساسي يميزه عن الثنائيات العادية. بالإضافة إلى الرمز المعدل،

 

يتضمن رمز LED أيضًا ملصقات لطرفيه: الأنود (+) والكاثود (-). تساعد هذه الملصقات المهندسين والفنيين على تحديد اتجاه مؤشر LED بشكل صحيح عند دمجه في الدوائر.

 

 

بناء الصمام

 

طبقة الركيزة: إن أساس LED عبارة عن ركيزة، وعادة ما تكون مصنوعة من مواد مثل الياقوت أو كربيد السيليكون. توفر هذه الطبقة الدعم الميكانيكي والإدارة الحرارية، مما يضمن استقرار LED وتبديد الحرارة بكفاءة.

 

طبقة من النوع N: تترسب طبقة رقيقة من مادة أشباه الموصلات من النوع N فوق الركيزة. هذه الطبقة غنية بالإلكترونات الحرة التي تعمل كحاملات للشحنة. ويشيع استخدام مواد مثل نيتريد الغاليوم (GaN) لهذا الغرض.

 

الطبقة النشطة: توجد فوق الطبقة من النوع N الطبقة النشطة، التي تلعب دورًا حاسمًا في انبعاث ضوء LED. غالبًا ما تتكون هذه الطبقة من آبار كمومية متعددة، وهي طبقات رقيقة للغاية تسهل إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب (فجوات موجبة الشحنة تُترك عندما تتحرك الإلكترونات) - وهي عملية تولد فوتونات من الضوء.

 

طبقة من النوع P: وتتبع الطبقة النشطة طبقة من النوع P، مكونة من مواد شبه موصلة بها فائض من "الثقوب"، أو الشواغر المشحونة بشكل إيجابي حيث يمكن للإلكترونات أن تنتقل إليها. تسهل هذه الطبقة انتقال الثقوب مما يساهم في عملية إعادة التركيب.

 

طبقات الاتصال: تتم إضافة طبقات الاتصال المعدنية إلى مناطق النوع N والنوع P، لتكون بمثابة أطراف يتم من خلالها حقن التيار الكهربائي في LED. تعمل هذه الطبقات على تمكين التدفق المتحكم فيه لحاملات الشحنة، مما يمهد الطريق لانبعاث الضوء.

 

التغليف: لحماية الطبقات الحساسة من العوامل البيئية ولتعزيز استخلاص الضوء، غالبًا ما يتم تغليف LED في راتنجات إيبوكسي شفافة أو مادة شفافة.

 

كيف يعمل الصمام الثنائي الباعث للضوء؟

 

عندما يتم تطبيق الجهد الكهربي عبر أطراف LED - مع توصيل الأنود بمنطقة النوع P والكاثود متصل بمنطقة النوع N - يتم إنشاء انحياز للأمام. يتيح هذا الانحياز تدفق الإلكترونات من منطقة النوع N والثقوب من منطقة النوع P إلى الطبقة النشطة، مما يؤدي إلى إنشاء منطقة إعادة التركيب. ومع إعادة اتحاد الإلكترونات والثقوب داخل هذه المنطقة، يتم إطلاق الطاقة على شكل فوتونات، مما يؤدي إلى إنتاج الضوء المرئي. 

 

مبدأ عمل LED

إن الجوهر التشغيلي للصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) متجذر في مبادئ نظرية الكم. ووفقا لهذه النظرية، عندما ينتقل الإلكترون من حالة طاقة أعلى إلى حالة طاقة أقل، فإنه يبعث طاقة على شكل فوتون. تتوافق طاقة هذا الفوتون بدقة مع فجوة الطاقة الموجودة بين مستويي الطاقة هذين. في السيناريوهات التي يكون فيها الصمام الثنائي PN متحيزًا للأمام، مما يسمح بالاتجاه المفضل لتدفق التيار، يتم تسهيل التيار الكهربائي عبر الصمام الثنائي.

 

التدفق الحالي لأشباه الموصلات

 

يرتبط تدفق التيار داخل أشباه الموصلات بشكل معقد بحركة حاملات الشحنة، وتحديدًا الإلكترونات والثقوب. تتحرك هذه الكيانات في اتجاهات متناقضة فيما يتعلق بالتدفق الحالي. ونتيجة لذلك، تظهر ظاهرة تسمى إعادة التركيب نتيجة لتفاعلات حاملات الشحنة هذه.

 

تشير عملية إعادة التركيب هذه إلى انتقال الإلكترونات الموجودة ضمن نطاق التوصيل إلى نطاق التكافؤ. خلال هذا التحول، عندما تقفز الإلكترونات من نطاق إلى آخر، فإنها تشع طاقة كهرومغناطيسية على شكل فوتونات. ويتوافق مستوى طاقة هذه الفوتونات مع فجوة الطاقة المحظورة المتأصلة في المادة.

 

نظرة كمية

 

لأغراض توضيحية، دعونا نتعمق أكثر في عالم نظرية الكم. الطاقة التي يحملها الفوتون هي دالة لثابت بلانك (h) وتردد (f) الإشعاع الكهرومغناطيسي. رياضيا، يتم التعبير عن هذه العلاقة على النحو التالي:

 

المعادلة: E = hf

 

هنا، يمثل h ثابت بلانك، بينما يرمز c إلى سرعة الإشعاع الكهرومغناطيسي، وهو ما يعادل سرعة الضوء. يرتبط تردد الإشعاع (f) وسرعة الضوء (c) بالمعادلة f = c / lect، حيث تشير lect إلى الطول الموجي للإشعاع الكهرومغناطيسي. يؤدي استبدال هذه العلاقات في المعادلة إلى:

 

المعادلة: E = hc / lect

 

تؤكد هذه المعادلة التناسب العكسي بين الطول الموجي للإشعاع الكهرومغناطيسي وفجوة الطاقة المحظورة. تظهر هذه الظاهرة بشكل خاص في مواد مثل السيليكون وأشباه الموصلات الجرمانيوم، حيث تولد الفجوة المحظورة بين نطاقي التوصيل والتكافؤ إشعاعًا في المقام الأول على شكل موجات تحت الحمراء. والجدير بالذكر أن الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء تقع خارج نطاق الطيف المرئي، وبالتالي تظل غير مرئية للإدراك البشري.

 

تطبيقات الثنائيات الباعثة للضوء (LED)

 

1. تجد مصابيح LED فائدة كمصابيح في البيئات السكنية والصناعية.
2. يتم دمج الثنائيات الباعثة للضوء في الدراجات النارية والسيارات.
<ص>3. تُستخدم مصابيح LED في الهواتف المحمولة لعرض الرسائل.
<ص>4. يتم تسخير تقنية LED لأنظمة إشارات المرور.

 

الاستنتاج

 

وبالتالي، تعرض هذه المقالة نظرة عامة على مؤشر LED مبدأ عمل الدائرة وتطبيقها. أتمنى من خلال قراءة هذا المقال أن تكون قد اكتسبت بعض المعلومات الأساسية والعملية عن الصمام الثنائي الباعث للضوء. إذا كنت ترغب في شراء أي مصباح LED، فيمكنك إعطاء فرصة لـ إنفرالومين<ص>.<ص>