اساساً LED ها لامپهای کم نوری هستند که به آسانی در مدار های الکترونیکی قرار می گیرند اما برخلاف لامپهای معمول آنها فیلامانی که بسوزد ندارند و به ویژه اینکه گرم نمی شوند آنها فقط با حرکت الکترونها در یک ماده نیمه هادی نور می دهند .

دیود چیست؟

یک دیود ساده ترین نوع از ادوات نیمه هادی است کلاً یک نیمه هادی مادهای است که تغییر در قابلیت جریان دهی دارند. اغلب نیمه هادی ها از یک رسانای ضعیف که ناخالصی به آن افزوده شده به وجود می آید.(فرایند افزودن ناخالصی دو پینگ نامیده می شود.)

در مورد LED ها ماده رسانا نوعاً آلومینیوم گالیوم آرسناید است (AlGaAs) در آلومینیوم گالیوم آرسناید خالص تمام اتمها به طور کامل با همسایه هایش محدود شده است و هیچ الکترون آزادی برای هدایت جریان الکتریکی وجود ندارد. در ماده دوپینگ شده اتمهای الحاقی تعادل را به هم می زنند خواه افزایش الکترون یا سوراخها (جایی که الکترون می تواند برود ) هر یک از این ملحقات می تواند ماده را بیشتر رسانا کند یک نیمه هادی با الکترون اضافی نوع N نامیده می شود چرا که ذرات بار شونده منفی دارد در نوع N الکترون های آزاد از ناحیه شارژ منفی به ناحیه شارژ مثبت حرکت می کنند

یک نیمه هادی با سوراخهای بیشتر ماده نوع P نامیده می شود چرا که ذرات بار شونده مثبت بیشتری دارد الکترونها می توانند از سوراخی به سوراخ دیگر حرکت کنند حرکت از ناحیه شارژ منفی به ناحیه شارژ مثبت در نتیجه سوراخها به نظر می آید که از ناحیه شارژ مثبت به ناحیه شارژ منفی حرکت می کنند.

یک نیمه هادی با سوراخهای بیشتر ماده نوع P نامیده می شود چرا که ذرات بار شونده مثبت بیشتری دارد الکترونها می توانند از سوراخی به سوراخ دیگر حرکت کنند حرکت از ناحیه شارژ منفی به ناحیه شارژ مثبت در نتیجه سوراخها به نظر می آید که از ناحیه شارژ مثبت به ناحیه شارژ منفی حرکت می کنند. یک دیود شامل یک بخش N متصل به بخش P است با الکترونهایی در هر طرف . این چینش الکترونها را فقط در یک جهت حرکت می دهد . وقتی هیچ ولتاژی اعمال نشود الکترونهای ماده نوع N سوراخهای ماده نوع P را در راستای اتصال بین لایه ها پر می کند و ناحیه تخلیه را ایجاد می کند. در ناحیه تخلیه ماده نیمه هادی به عایق خوبی تبدیل می شود وهمه سوراخها پر می شوند و هیچ الکترون یا سوراخی برای ایجاد جریان وجود ندارد.

ناحيه تخليه

برای خلاصی از ناحیه تخلیه شما مجبورید تا الکترون را از ماده نوع N به ماده نوع P حرکت دهید و سورا خها برعکس . برای انجام این عمل شما باید طرف N دیود را به طرف منفی باطری و P را به طرف مثبت وصل کنید الکترون آزاد نوع N توسط الکترود منفی دفع و به الکترود مثبت کشیده می شوند سوراخهای ماده P معکوس این حرکت را انجام می دهند وقتی اختلاف ولتاژ بین دو الکترود به قدر کافی زیاد است الکترونهای ناحیه تخلیه از سوراخهایشان جدا می شوند و دوباره شروع به حرکت آزادانه می کنند ناحیه تخلیه از بین می رود و جریان از دیود می گذرد.

باياس مستقيم

اگر شما سعی کنید جریان را از مسیر دیگر عبور دهید با اتصال مثبت باتری به N و منفی به P جریان به دلیل ایجاد ناحیه تخلیه عبور نمی کند .

چطور یک دیود نور تولید می کند؟

نور شکلی از انرژی است، نور از اجزا بسیار ریزی به نام فتون تشکیل می شود، فتون ها انرژی و لختی دارند اما جرم ندارند در واقع فتونها در نتیجه حرکت الکترونها آزاد می شوند در یک اتم الکترونها در اربیتالهایی دور هسته می چرخند الکترونهای اربیتال های مختلف مقدار انرژی متفاوتی دارند، کلاً الکترونها با انرژی بیشتر در اربیتالهای دور تر از هسته حرکت می کنند.برای یک الکترون برای پرش از یک اربیتال پایین به بالا چیزی که باید بگیرد انرژی است برعکس الکترون وقتی از اربیتال بالا به پایین می افتد انرژی آزاد می کند این انرژی به شکل فتون آزاد می شود، یک افت انرژی بیشتر فتون بیشتری آزاد می کند که با فرکانس بیشتر مشخص می شود .همان طور که در بخش قبل دیدیم الکترونهایی که از دیود عبور می کنند می توانند در سوراخهای لایه P بیفتند .این یک افت از باند رسانایی به اربیتال پایین تر است بنابر این الکترونها انرژی به شکل فتون آزاد می کنند این در هر دیودی رخ می دهداما فقط وقتی شما فتونها را می بینید که دیود از ماده خاصتی ساخته شده باشد برای مثال اتمها در یک دیود سیلیکون استاندارد به نحوی چیده شده اند که افت الکترون فاصله کمی دارد بنابر این فرکانس فتونها به قدری کم است که با چشم انسان دیده نمی شود این در بخش مادون قرمز طیف نور است كه لزوماً چیز بدی نیست البته LED های مادون قرمز برای کنترل های از راه دور مناسب اند .

دیود های منتشر کننده نور مریی (VLEDs) مانند آنهایی که شماره های یک ساعت دیجیتال را روشن می کنند از ماده هایی با این خصوصیت ساخته شده اند که فاصله بین اربیتال رسانایی آنها و اربیتال پایین تر بیشتر است .اندازه این فاصله فرکانس فتون را نشان می دهد به عبارت دیگر این فاصله رنگ نور را مشخص می کند.

در حالی که همه دیود ها نور آزاد می کنند اغلب آنها این کار را به طور موثری انجام نمی دهند یک دیود معمولی ماده نیمه رسانا خودش مقدارزیادی انرژی نوری جذب می کند.LED ها به نحوی ساخته می شوند که نور را در جهت خاصتی متمرکز می کند.همانطور که در نمودار می بینید اغلب نور تولید شده در کناره دیود از طریق قسمت گرد بیرون می آید.

LED ها مزایای زیادی برلامپهای معمولی دارند . یکی از آنها این است که آنها فیلامان ندارند که بسوزد بنابر این عمر طولانی دارند. به علاوه حباب پلاستیکی شان دوامشان را بیشتر می کند. و همچنین خیلی راحت در مدارهای الکترونیکی قرار می گیرند .

اما مزیت اصلی آنها کیفیت آنها است در مقایسه با لامپهای معمولی فرآیند تولید نور باعث تولید مقدار زیادی گرما نمی شود (فیلامانی برای گرم شدن ندارد برای تولید نور باید فیلامان گرم شود).

دیود تونل

یکی ازقطعات نیمه رسانا که مشخصه اش یک مقاومت منفی را نشان می دهد دیود تونل است . این قطعه یک دیود است که غلظت ناخالصی درآن بسیار زیاد وپیوند آن بسیارنازک است. شکست در دیود تونل در مقاذیر بایاس معکوس خیلی پایین اتفاق می افتد و در نتیجه ناحیه ی مقاومت معکوس زیاد وجود ندارد.شیب منفی در بایاس مستقیم کم معمولا بین0.1 تا 0.3 ولت ایجاد می شود.(از این جا به بعد چند خط حرف بیخود...)_این مشخصه جالب و عجیب ومفیدو..به دلیل نفوذ در سد پتانسیل در پیوند با الکترونهایی که انرژی کافی برای عبور از این سد ندارند به وجود می آید. این اثر معروف به اثر تونل در فیزیک کلاسیک غیر قابل توجیه است ولی با مکانیک کوانتومی قابل توضیح است . دیود های تونل را می توان باظرفیت خیلی کمی تولید کرد و نوسان ساز هایی که با آن کار می کنند در فرکانسهای چند مگا هرتزی قابل ساخت هستند برای به دست آوردن بیشترین مقدار خروجی (یا همان به قول دانشجویان متعال برق ماکزیمم سویینگ متقارن) باید نقطه کار در وسط ناحیه مقاومت منفی قرار داده شود واضح است که دامنه خروجی کمتر از یک ولت می باشد.