LED، تاریخچه و کاربرد
LED چیست؟
LED یک قطعه الکترونیکی Light-emitting diode به معنی دیود ساطع کننده نور، نوع خاصی از دیودها است که مشخصات الکتریکی بسیار مشابهی با یک دیود پیوند PN دارد. این بدین معنی است که یک LED، جریان را در جهت مستقیم عبور خواهد داد، اما آن را در جهت معکوس سد خواهد کرد. این منشا کوچک، کم مصرف و دارای عمر طولانی تر است.
LED از یک لایه بسیار نازک از ماده نیمه‌رسانا با ناخالصی تقریباً زیاد ساخته شده و بسته به ماده نیمه‌رسانا و مقدار ناخالصی، وقتی بایاس مستقیم شود، یک نور رنگی با طول موج طیفی مشخص ساطع می‌کند.
ساختار یک LED نسبت به یک دیود عادی بسیار متفاوت است. پیوند PN یک LED از یک رزین اپوکسی پلاستیکی (Plastic Epoxy Resin) شفاف و سخت پوشیده شده است که پوسته یا بدنه‌ای به شکل یک نیم‌کره را تشکیل می‌دهد و از لرزش و شوک LED محافظت می‌کند.
جالب است بدانید که LED در واقع نور زیادی را منتشر نمی‌کند. بدنه رزین اپوکسی LED به گونه‌ای ساخته می‌شود که فوتون‌های نور منتشر شده از آن، به سمت بالا متمرکز شده و مانند یک لنز متمرکز می‌شوند. به همین دلیل است که نور خروجی بالای LED درخشان به نظر می‌رسد.
با این حال، پوسته اپوکسی همه LEDها به شکل نیم‌کره نیست. برخی از آنها، ساختار مستطیلی یا استوانه‌ای دارند و سطح صاف بالایی آنها مسطح است و یا به صورت نواری هستند. اما می‌توان گفت که همه LEDها دو پایه دارند که در قسمت زیرین آنها تعبیه شده است.
همچنین، تقریباً در همه LEDهای مدرن، کاتد یا ترمینال منفی، با یک نقطه مسطح یا غیرمسطح مشخص می‌شود یا پایه آن کوتاه‌تر از پایه آند است.
نگاهی به تاریخچه LED
LED قدمت بسیار گسترده ای دارد و در سراسر جهان افراد بسیاری، موفق به ساخت LED های متنوع و پرکاربرد شده اند.تاریخچه روشنایی LED با کشف الکترولومینسانس آغاز می شود. مفهوم الکترولومینسانس در قلب توسعه چراغ های LED نهفته است.
در سال 1907 در آزمایشگاهی واقع در بریتانیا Henry Joseph Round برای اولین بار این پدیده را در سیلیکون کاربید مشاهده کرد و متوجه شد، زمانی که برق 10 ولت به کریستال کربوراندوم وصل می‌شود، نور زرد رنگی ساطع می گردد. هنری در آن زمان به طور کامل این موضوع را درک نکرد، اما دانسته ها و یافته های خود، در این حوزه را در سال ۱۹۰۷ در مجله ای به نام برق جهانی منتشر کرد.
در سال 1920، برنهارد گودن و رابرت ویچارد پل، از سولفید روی با مس برای تکرار این پدیده استفاده کردند.اما بار دیگر، نور ساطع شده از این ماده بسیار ضعیف بود و از آن استفاده عملی نمی‌توانستند بکنند، بنابراین تحقیقات دوباره در مورد این پدیده متوقف شد.
در سال 1927 ولادیمیرویچ لوزف از روسیه مقاله ای تحت عنوان آشکارساز کاربیدسیلیسیوم درخشان و اثر تشخیص و نوسانات با بلورها منتشر کرد.
لوزف هنگام کار با گیرنده های رادیویی به این نتیجه رسید که هنگامی که جریان مستقیم از طریق اتصال کاربیدسیلیسیوم عبور داده می شود، نقطه ای نورانی به رنگ زرد ایجاد می شود.
ولادیمیر با این کار در واقع توانسته بود یک دیود بسازد. این مشاهدات پیش تر توسط هنری جوزف راند ثبت شده بود اما لوزف اولین فردی بود که نظریه ای اساسی درباره نحوه این کار و عملکرد خود ارائه داد. در سال ۱۹۲۷ مشاهدات و جزئیات آزمایش های لوزف در ژورنال روسی منتشر شد. اصطلاح “الکترولومینسانس” توسط جورج دستریو در سال 1936 هنگامی که گزارشی در مورد پدیده نور تولید شده توسط پودر سولفید روی، هنگام عبور جریان الکتریکی از آن منتشر کرد، ابداع شد.
LED مادون قرمز، اولین دیود ساطع کننده نور با کاربرد عملی در تاریخچه LED
در سال 1961، رابرت بیارد و گری پیتمن در حالی که برای تگزاس اینسترومنتز کار می کردند، یک LED مادون قرمز اختراع کردند. اما این نور چون برای انسان نامرئی بود، کاربرد عملی نداشت. این یک اختراع تصادفی بود، زیرا بیارد و پیتمن در واقع روی یک دیود لیزر کار می کردند.
LED با نور مرئی
آزمایش استفاده از نیمه هادی گالیوم آرسنید که در دهه 1950 آغاز شده بود، متعاقباً منجر به توسعه اولین LED با کاربرد عملی شد.در سال ۱۹۶۲ فردی از جنرال الکتریک به نام نیک هولونیاک جونیور اولین دیود منتشرکننده نور را اختراع کرد. این دیود می توانست نوری با فرکانس محدوده مرئی تولید کند. لامپ هایی که از این دیود در ساختار آن ها استفاده شده بود، جزو اولین لامپ های LED در دنیا به شمار می آیند.
هولونیاک با اختراع این دیودها و ساخت اولین لامپ LED در دنیا عنوان پدر لامپ LED را از آن خود کرد.
آزمایش با نوع نیمه هادی که می تواند LED های کارآمدتری تولید کند در طول دهه 1960 ادامه یافت. در سال های اولیه این دهه، LED ها با استفاده از فسفید آرسنید گالیم بر روی بستر آرسنید گالیم ساخته شدند. استفاده از فسفید گالیم به عنوان بستر کارایی چراغ ها را افزایش داد و LED های قرمز روشن تر به وجود آمدند. بلافاصله پس از آن، LED های نارنجی رنگ شروع به تولید کردند.
تاریخچه روشنایی LED در تولید انبوه در مونسانتو آغاز می شود
فردی به نام جورج کرافورد از شرکت مونسانتو در سال ۱۹۷۲ توانست از دو تراشه گالیم فسفید قرمز و سبز LEDهایی بسازد که نورهای زرد رنگ از خود تولید می کردند. همین امر سبب شد تا شرکت مونسانتو اولین شرکتی باشد که لامپ های LED را در مقیاس های بزرگ و جهت مصارف انبوه تولید کند.
همین فرد توانست LED بسازد که ده برابر بیشتر از LED هولونیاک از خود نور تولید کند.
LED های قرمز، زرد، سبز و نارنجی
دیود تابش نور بالا برای استفاده از فیبر نوری در سال 1976 توسط توماس پیرسال (Thomas P. Pearsall) جهت ارتباطات از راه دور توسعه داده شد.کار تحقیق و توسعه مداوم و فشرده در زمینه فناوری LED منجر به توسعه نسل اول LED های قرمز، زرد و سبز فوق العاده روشن در سال های اولیه دهه 1980 شد. علاوه بر این، دانشمندان به کمک ترکیب فسفید آلومینیوم گالیم ایندیم (AlGalnP) و استفاده از آن به عنوان نیمه رسانا در سال ۱۹۹۰ توانستند LED های نورانی با رنگ های قرمز، نارنجی، زرد و سبز تولید کنند.
LED های آبی و سفید
فردی به نام شوجی ناکامورا در سال ۱۹۷۹ توانست LED هایی با رنگ آبی اختراع کند. شوجی در ساخت این LED ها از گالیم نیترید استفاده کرد. این لامپ ها نورهایی به رنگ آبی بسیار روشن داشتند که بعدها با پوشاندن تراشه نور آبی با فسفرهای فلورسنت، دانشمندان توانستند LED با نور سفید اختراع کنند.
این طرح در سال ۱۹۷۹ اجرا شد، اما تولید آن با وسایل موجود بسیار پر هزینه بود. به همین دلیل در سال ۱۹۹۳ این محصول به تولید انبوه رسید. تیمی که باعث اختراع این تکنولوژی شده بود، در سال ۲۰۱۴ موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک شد.
در ابتدا دیودهای ساطع کننده نور بسیار گران بودند و هر قطعه حدود 200 دلار آمریکا بود. به همین دلیل، آنها تنها در تجهیزات آزمایشگاهی بسیار حرفه ای مورد استفاده قرار گرفتند. Fairchild Semiconductors در دهه 1970 موفق شد با استفاده از فرآیند مسطح در تولید تراشه های نیمه هادی برای دیودهای ساطع کننده نور، هزینه LED تکی را به 5 سنت کاهش دهد. Fairchild با استفاده از روش‌های نوآورانه بسته‌بندی و فرآیند مسطح تولید تراشه، LED را به یک محصول تجاری با کاربردهای متنوع تبدیل کرد.
کاربرد LED
LED با نور مرئی به عنوان جایگزینی برای چراغ های رشته ای و نئون ها شده و امروزه کاربرد گسترده تری دارند و به عضو جدایی ناپذیردر زندگی بشر تبدیل شده اند.از انواع کاربرد LED ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- به عنوان لامپ در منازل و صنایع
- دیودهای ساطع کننده نور در وسایل نقلیه ای مانند اتومبیل، دوچرخه و غیره
- تابلوهای نمایش LED مانند تابلوهای محل اقامت، تابلوهای تبلیغاتی، تابلوهای راه و غیره
- در تابلوهای راهنما
- به عنوان عناصری در نمایشگرهای هفت بخش
- در نمایشگرهای بزرگ RGB
- در سمافورها (Semaphore) و سایر سیگنال های بصری
- در ماشین حساب ها، ساعت ها و چراغ قوه ها
LED های مادون قرمز در واحدهایی برای کنترل از راه دور در تلویزیون ها، دی وی دی ها و سایر مکان هایی که نیاز به کنترل بی سیم دارند، بیشتر کاربرد دارد.
به طور خلاصه اختراع LED انقلابی در مصرف کمتر انرژی نسبت به لامپ های رشته ای ایجاد کرد، لامپ های LED امروزی شش تا هفت برابر کارآمدتر از لامپ های رشته ای سنتی هستند. چراغ های LED نسبت به همتایان رشته ای خود 80 درصد انرژی کمتری مصرف می کنند. آنها همچنین 25 برابر بیشتر عمر می کنند. چراغ های LED برای نصب در مقیاس بزرگ مقرون به صرفه هستند.
در همین حال، تحقیقات در مورد فناوری LED ادامه دارد. در حال حاضر LED هایی وجود دارند که نور بنفش خالص و حتی ماوراء بنفش “سیاه” را ساطع می کنند. افزایش بهره وری انرژی چراغ های LED صاحبان مشاغل را بر آن داشته است تا از این چراغ ها در مقیاس وسیع در دفاتر، عملیات صنعتی و توسعه های تجاری خود برای صرفه جویی بیشتر در هزینه ها استفاده کنند.
مرسی خیلی جالب بود.
عالی دمتون گرم