الثنائيات الباعثة للضوء: تمهيدي

تُعرف أشباه الموصلات التي يمكنها تغيير شكل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية باسم الثنائيات الباعثة للضوء ، أو مصابيح LED. غالبًا ما يتم تصنيف مصابيح LED وفقًا لأحد الأطوال الموجية الثلاثة: الأشعة فوق البنفسجية أو المرئية أو الأشعة تحت الحمراء. تحدد مادة وتكوين أشباه الموصلات لون الضوء المنبعث من الجهاز.

مصابيح LED المتوفرة تجارياً ولها قدرة خرج أحادية العنصر لا تقل عن 5 ميغاواط لها نطاق طول موجي يمتد من 275 إلى 950 نانومتر. بغض النظر عن الشركة المصنعة ، فإن مكونات كل نطاق من الأطوال الموجية تأتي من نفس عائلة مواد أشباه الموصلات. في هذا المنشور ، سنلقي نظرة عالية المستوى على صناعة LED بالإضافة إلى تقديم مخطط تفصيلي لكيفية عمل مصابيح LED. هناك العديد من الأنواع المختلفة لمصابيح LED ، وسنتحدث عنها ، جنبًا إلى جنب مع الأطوال الموجية التي ترتبط بها ، والمواد المستخدمة في بنائها ، وبعض التطبيقات للأضواء المختلفة.

المصابيح فوق البنفسجية (UV LEDs): من 240 إلى 360 نانومتر

تجد مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية أكثر تطبيقاتها شيوعًا في مجال المعالجة الصناعية ، يليها تطهير المياه ثم التطبيقات الطبية والطبية الحيوية. بأطوال موجية قصيرة تصل إلى 280 نانومتر ، كان من الممكن توليد مستويات من إنتاج الطاقة أكبر من 100 ميغاواط. في الأطوال الموجية 360 نانومتر أو أكثر ، نيتريد الغاليوم / نيتريد الغاليوم الألومنيوم (GaN / AlGaN) هي المادة الأكثر شيوعًا للاستخدام في الصمامات الثنائية الباعثة للضوء فوق البنفسجي (LED). يتم استخدام المواد التي لها حقوق ملكية فكرية خاصة بها لأطوال موجية أقصر. يتم تصنيع أطوال موجية أقصر بواسطة عدد قليل من المزودين فقط ، ولا تزال أسعار هذه المصابيح مرتفعة جدًا مقارنةً بتسعير باقي عروض منتجات LED. ومع ذلك ، فإن سوق الأطوال الموجية الأطول ، التي يبلغ طولها 360 نانومتر على الأقل ، أصبحت أكثر استقرارًا نتيجة لانخفاض الأسعار ووفرة الموردين.

المصابيح التي تتراوح من الأشعة فوق البنفسجية القريبة إلى اللون الأخضر: 395 إلى 530 نانومتر

نيتريد الإنديوم الغاليوم (InGaN) هو المادة المستخدمة لإنتاج العناصر التي تقع في نطاق الطول الموجي هذا. على الرغم من أنه من الممكن نظريًا إنتاج طول موجي في أي نقطة بين 395 و 530 نانومتر ، فإن الغالبية العظمى من كبار الموردين يركزون جهودهم على توليد مصابيح LED زرقاء (في حدود 450 إلى 475 نانومتر) لاستخدامها في إنتاج الضوء الأبيض مع الفوسفور ومصابيح LED الخضراء في نطاق 520 إلى 530 نانومتر لاستخدامها في الإضاءة الخضراء لإشارات المرور. تعتبر التكنولوجيا الكامنة وراء هذه المصابيح متطورة في معظم الدوائر. على مدار السنوات القليلة الماضية ، كان هناك تقدم ضئيل أو معدوم نحو زيادة الكفاءة البصرية.

تتراوح المصابيح من الأصفر والأخضر إلى الأحمر: 565 إلى 645 نانومتر

تُعرف مادة أشباه الموصلات المستخدمة في نطاق الطول الموجي هذا باسم فوسفيد الألومنيوم الإنديوم الغاليوم ، أو AlInGaP للاختصار. إشارة مرور الألوان الصفراء (590 نانومتر) وإشارة المرور الحمراء (625 نانومتر) هي التي تستخدم لتصنيعها في معظم الأوقات. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن الوصول إلى الطول الموجي الأخضر الجير (أو 565 نانومتر الأخضر المصفر) والبرتقالي (605 نانومتر) باستخدام هذه التقنية ؛ ومع ذلك ، فإن توفرها مقيد أكثر.

من الجدير بالملاحظة أنه لا تقنيات InGaN ولا AlInGaP قادرة الآن على إنتاج باعث أخضر نقي بطول موجي يبلغ 555 نانومتر. هناك بعض التقنيات القديمة التي لا تتمتع بالكفاءة في هذه المنطقة الخضراء تمامًا ، لكن هذه التقنيات لا تعتبر مشرقة أو فعالة. ويرجع ذلك جزئيًا إلى قلة الاهتمام وبالتالي نقص الطلب من السوق ، مما أدى إلى نقص التمويل لتطوير مواد بديلة وعمليات تصنيع لهذا النطاق من الطول الموجي.

من 660 إلى 900 نانومتر (نانومتر) ، والمعروف غالبًا باسم "الأحمر العميق إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة" (IRLEDs)

يمكن أن تتخذ بنية الأجهزة المستخدمة في هذه المنطقة عددًا كبيرًا من الأشكال المختلفة ، ولكنها جميعًا تستخدم نوعًا من مادة زرنيخيد الغاليوم الألومنيوم (AlGaAs) أو مادة زرنيخيد الغاليوم (GaAs). تعد أجهزة التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء ، وإضاءة الرؤية الليلية ، والتحكم الضوئي الصناعي ، والتطبيقات الطبية المختلفة (في 660-680 نانومتر) كلها أمثلة لتطبيقات نطاق الطول الموجي هذا.

نظرية العمل وراء المصابيح

مصابيح LED هي نوع من الصمامات الثنائية شبه الموصلة التي تنتج الضوء عند مرور تيار كهربائي عبر الجهاز في الاتجاه الأمامي. يجب تطبيق جهد كهربائي على الجهاز حتى تتحرك الإلكترونات عبر منطقة النضوب وتندمج مع فتحة على الجانب الآخر لإنشاء زوج من الثقوب الإلكترونية. عندما يحدث هذا ، يعطي الإلكترون طاقته المخزنة في شكل ضوء ، مما يؤدي في النهاية إلى انبعاث فوتون.

سيكون للضوء المنبعث طول موجي تحدده فجوة النطاق لأشباه الموصلات. نظرًا لأن الأطوال الموجية الأقصر تتوافق مع مستويات طاقة أعلى ، فإن المواد ذات فجوة الحزمة الأكبر تكون مسؤولة عن إصدار أطوال موجية أقصر. يتطلب التوصيل في المواد ذات فجوة الحزمة الأكبر استخدام جهد أعلى. المصابيح التي تنبعث من الضوء الأزرق فوق البنفسجي ذات طول موجي قصير لها جهد أمامي 3.5 فولت ، بينما المصابيح التي تنبعث من ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة لها جهد أمامي يتراوح من 1.5 إلى 2. 0 فولت.

تُستخدم مصابيح LED حاليًا في مجموعة متنوعة من القطاعات والتطبيقات عبر مجموعة متنوعة من الصناعات. تتميز هذه الأجهزة بأسعار معقولة للغاية وجذابة لكل من السوق الاستهلاكية والسوق الصناعي نتيجة لمستوى الموثوقية العالي والكفاءة العالية وانخفاض التكلفة الإجمالية للنظام عند مقارنتها بأشعة الليزر والمصابيح. تأتي مصابيح LED في مجموعة متنوعة من الألوان والتقنيات ، وقد تم تصميم كل واحدة منها لتلائم تطبيقًا معينًا ومجموعة من الاحتياجات.

عالية الطاقة أدى ضوء الأشعة فوق البنفسجية

سمات:

● يتشابه ضوء LED للأشعة فوق البنفسجية ذو القوة العالية في الحجم والشكل مع مصابيح الأشعة فوق البنفسجية التقليدية المبيدة للجراثيم ولكنها قادرة على العمل عند ناتج أعلى من الأشعة فوق البنفسجية.

يستخدم مصباح LED للأشعة فوق البنفسجية عالية القوة على نطاق واسع في أنظمة مجاري الهواء القسرية وتطبيقات تطهير المياه.

غالبًا ما توجد مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية عالية القوة في التحكم في الرائحة والتطبيقات الكيميائية الضوئية.

● متوفر في إصدارات منخفضة الأوزون وإنتاج الأوزون.

تخصيص: