ال ای دی (LED) چیست؟
ال ای دی مخفف عبارت انگلیسی Light Emitting Diode است که به فارسی به معنای دیود نورگسیل می‌باشد. این قطعه الکترونیکی کوچک یک منبع نور نیمه رسانا است که با عبور جریان الکتریکی از آن، از خود نور تابش می‌کند.
به طور کلی دو نوع نیمه رسانا وجود دارند. نیمه رسانا نوع مثبت (P) که در آن تعداد حفره‌ها بیشتر است و نیمه رسانا نوع منفی (N) که در آن تعداد الکترون‌ها بیشتر است.
حال اگر دو نوع منفی و مثبت نیمه رساناها کنار هم قرار گیرند می‌توانیم دیود داشته باشیم. به این صورت که جریان برق فقط از یک جهت می‌تواند از دیود عبور کند و این عبور به همراه انتشار انرژی به صورت فوتون با طول موج‌های منحصر به‌فرد (تابع ولتاژ و جنس ماده نیمه‌رسانا) می‌باشد.
مواد سازنده چیپ LED برای تولید نور مرئی
برای تولید نور مرئی در محدوده 400 تا 700 نانومتر که چشم انسان قادر به دیدن آن است، از مواد نیمه‌رسانای خاصی در ساخت چیپ ال ای دی استفاده می‌شود. انتخاب این مواد به طور مستقیم بر روی رنگ و شدت نوری که ال ای دی تولید می‌کند، تأثیرگذار است.
نسل اولیه LED (معروف به کلاهی یا اوال) برای مصارفی از قبیل چراغ روشن/خاموش یا چراغ مادون قرمز انواع کنترل‌ها به کار می‌رود
اجزای تشکیل‌دهنده و نحوه عملکرد یک دیود نورانی (LED)
چیپ نیمه‌رسانا (Semiconductor Chip):
قلب تپنده‌ی هر ال‌ای‌دی، چیپ نیمه‌رسانا است. این قطعه‌ی کوچک از موادی مانند گالیوم نیترید یا آلومینیوم گالیوم ایندیم فسفید ساخته شده است. وقتی جریان الکتریکی از این چیپ عبور می‌کند، الکترون‌ها و حفره‌ها با هم ترکیب شده و فوتون (ذره نور) آزاد می‌کنند. نوع ماده‌ی نیمه‌رسانا به کار رفته در چیپ، رنگ نوری که تولید می‌شود را تعیین می‌کند.
لایه‌های تماس (Contact Layers):
این لایه‌ها از فلزات رسانا مانند طلا یا نقره ساخته شده‌اند و وظیفه اتصال الکتریکی چیپ به مدار خارجی را بر عهده دارند. به عبارت دیگر، جریان الکتریکی از طریق این لایه‌ها به چیپ نیمه‌رسانا می‌رسد.
بسته‌بندی (Package):
بسته‌بندی، چیپ نیمه‌رسانا و لایه‌های تماس را در بر می‌گیرد و از آن‌ها محافظت می‌کند. همچنین، بسته‌بندی به هدایت نور تولید شده توسط چیپ به بیرون کمک می‌کند. بسته‌بندی‌ها انواع مختلفی دارند و معمولاً از مواد شفاف ساخته می‌شوند.
لنز (Lens):
برخی از ال‌ای‌دی‌ها به یک لنز مجهز هستند. این لنز جهت و شدت نور خروجی را کنترل می‌کند. لنزها می‌توانند محدب، مقعر یا ترکیبی از هر دو باشند و برای کاربردهای مختلف طراحی می‌شوند.
نخ طلا (Wire Bond):
نخ طلا یا باند سیم، یک اتصال بسیار نازک از جنس طلا است که چیپ نیمه‌رسانا را به پایه‌های خارجی ال‌ای‌دی متصل می‌کند. این اتصال، جریان الکتریکی را از پایه‌ها به چیپ و بالعکس منتقل می‌کند. نخ طلا به دلیل هدایت الکتریکی بالا، مقاومت کم و قابلیت انعطاف‌پذیری، برای این منظور بسیار مناسب است.
پایه‌ها (Leads):
پایه‌های ال‌ای‌دی معمولاً از جنس فلزی مانند مس یا آلومینیوم ساخته شده‌اند و برای اتصال ال‌ای‌دی به مدار خارجی استفاده می‌شوند. یکی از پایه‌ها آند (مثبت) و دیگری کاتد (منفی) نامیده می‌شود.
حفره صیقلی (Reflective Cavity):
این حفره کوچک و صیقلی در زیر چیپ ایجاد می‌شود تا نور تولید شده را به سمت بالا هدایت کند و از اتلاف آن جلوگیری کند. حفره صیقلی مانند یک آینه عمل می‌کند و باعث افزایش شدت نور خروجی می‌شود.
وقتی جریان الکتریکی به ال‌ای‌دی اعمال می‌شود، از طریق پایه‌ها و نخ طلا به چیپ نیمه‌رسانا می‌رسد. در چیپ، الکترون‌ها و حفره‌ها با هم ترکیب شده و فوتون‌هایی با انرژی مشخص تولید می‌کنند. این فوتون‌ها از چیپ خارج شده و از طریق بسته‌بندی و لنز (در صورت وجود) و با کمک حفره صیقلی به بیرون هدایت می‌شوند.
نوع ماده‌ی نیمه‌رسانا به کار رفته در چیپ، شدت جریان عبوری از ال‌ای‌دی، و نوع لنز به کار رفته، همگی بر روی رنگ، شدت و جهت نور خروجی تأثیرگذار هستند.
بطور خلاصه ال ای دی ها از اجزای مختلفی تشکیل شده‌اند که هر کدام نقش مهمی در عملکرد آن دارند. چیپ نیمه‌رسانا نور تولید می‌کند، لایه‌های تماس و نخ طلا اتصال الکتریکی را برقرار می‌کنند، بسته‌بندی از چیپ محافظت می‌کند، لنز جهت نور را کنترل می‌کند، پایه‌ها برای اتصال ال‌ای‌دی به مدار استفاده می‌شوند و حفره صیقلی به افزایش شدت نور کمک می‌کند.
کاربردهای گسترده ال ای دی ها در زندگی روزمره
ال ای دی ها (LED) یا دیودهای نوری، انقلاب بزرگی در صنعت روشنایی و الکترونیک ایجاد کرده‌اند. این قطعات کوچک اما قدرتمند، به دلیل مزایایی همچون طول عمر بالا، مصرف انرژی کم، روشن شدن سریع، تنوع رنگ و اندازه، در طیف گسترده‌ای از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه به برخی از مهم‌ترین کاربردهای ال ای دی‌ها می‌پردازیم:
روشنایی عمومی و خانگی:
ال ای دی ها به دلیل مصرف انرژی پایین، طول عمر بالا و تنوع در رنگ و شکل، جایگزین مناسبی برای لامپ‌های قدیمی شده‌اند. در منازل، ادارات، فروشگاه‌ها و فضاهای عمومی از لامپ‌های ال ای دی برای روشنایی کلی و موضعی استفاده می‌شود. از ریسه‌های ال ای دی برای تزئینات و ایجاد جلوه‌های نوری زیبا بهره می‌برند. همچنین، چراغ‌های سقفی، دیواری و آویز ال ای دی، تنوع زیادی در طراحی و کاربرد دارند.
الکترونیک مصرفی:
ال ای دی ها در طیف گسترده‌ای از دستگاه‌های الکترونیکی مصرفی کاربرد دارند. از جمله می‌توان به نمایشگرهای تلویزیون، مانیتور، تلفن همراه و تبلت اشاره کرد. در این دستگاه‌ها، ال ای دی‌ها پیکسل‌های نمایشگر را تشکیل می‌دهند و تصاویر با کیفیت بالا را ایجاد می‌کنند. همچنین، در چراغ قوه‌ها، کیبوردها و سایر دستگاه‌های الکترونیکی کوچک نیز از ال ای دی استفاده می‌شود.
صنایع خودرو:
صنعت خودرو یکی از بزرگترین مصرف‌کنندگان ال ای دی است. از چراغ‌های جلو و عقب خودرو گرفته تا چراغ‌های داخلی، چراغ‌های راهنما و چراغ‌های ترمز، همگی از ال ای دی ساخته می‌شوند. ال ای دی‌ها به دلیل روشنایی بالا، مصرف انرژی کم و طول عمر زیاد، انتخاب مناسبی برای صنعت خودرو هستند.
صنایع پزشکی:
در حوزه پزشکی، ال ای دی‌ها کاربردهای متنوعی دارند. از جمله می‌توان به لامپ‌های جراحی، دستگاه‌های اندوسکوپی و میکروسکوپ اشاره کرد. نور سفید و خالص ال ای دی‌ها برای جراحی بسیار مناسب است. همچنین، از نور درمانی با استفاده از ال ای دی برای درمان برخی بیماری‌ها استفاده می‌شود.
تابلوهای تبلیغاتی و نمایشگرهای بزرگ:
ال ای دی‌ها در ساخت تابلوهای تبلیغاتی، نمایشگرهای بزرگ و ویدئو وال‌ها کاربرد گسترده‌ای دارند. این تابلوها با استفاده از میلیون‌ها ال ای دی کوچک تشکیل می‌شوند و می‌توانند تصاویر متحرک و ویدئوهای با کیفیت بالا را نمایش دهند.
صنایع روشنایی صنعتی:
در صنایع مختلف مانند کارخانه‌ها، انبارها و سوله‌ها، از چراغ‌های ال ای دی با توان بالا برای روشنایی استفاده می‌شود. این چراغ‌ها به دلیل مقاومت بالا در برابر شرایط سخت محیطی و مصرف انرژی کم، انتخاب مناسبی برای این صنایع هستند.
نورپردازی دکوراتیو:
ال ای دی‌ها در ایجاد جلوه‌های نوری زیبا و متنوع در فضاهای مختلف کاربرد دارند. از جمله می‌توان به نورپردازی ساختمان‌ها، پل‌ها، باغ‌ها و آبنماها اشاره کرد.
وسایل نقلیه عمومی:
در اتوبوس‌ها، متروها و قطارها از ال ای دی برای روشنایی داخلی، نمایش اطلاعات مسافران و چراغ‌های بیرونی استفاده می‌شود.
صنایع کشاورزی:
در کشاورزی از نور مصنوعی ال ای دی برای رشد گیاهان در گلخانه‌ها استفاده می‌شود. نور ال ای دی می‌تواند طیف نوری مورد نیاز گیاهان را تامین کرده و باعث رشد بهتر و سریع‌تر آن‌ها شود.
تجهیزات الکترونیکی صنعتی:
در تجهیزات الکترونیکی صنعتی مانند دستگاه‌های کنترل صنعتی، دستگاه‌های اندازه‌گیری و تجهیزات ارتباطی از ال ای دی برای نشان دادن وضعیت دستگاه‌ها و هشدارها استفاده می‌شود.