ال ای دی به زبان ساده

در ساختار بسیاری از وسایلی که ما روزانه با آ نها سروکار داریم ازجمله تلویزیون‌های نمایش، چراغ‌های راهنمایی، صفحه‌ی ساعت، اشیاء تزئینی و... قطع های بسیار عجیب و حیرت‌انگیز در عین سادگی ساختارش وجود دارد؛ قطعه ای از خانواده ی دیودها که در زمره ی قطعات اپتوالکتریک جای گرفته و دیود نورافشان یا ال ای دی (Light Emitting diode) نام دارد. یکی از پیشتازان صنعت LED که در نمایشگاه های بین المللی اخیر با محصولات و خلاقیت های خارق‌العاده ی خود غوغا به پا کرده است شرکت فیلیپس، مبتکر اولین صفحات OLED در دنیا با ضخامت کمتر از 5 میلیمتر است. تکنولوژی، همواره شادابی و حس پرشور لمس دنیای آینده را به ارمغان می آورد اما این لذت می تواند با درک چگونگی عملکرد و آشنایی با ساختار فیزیکی آن دوچندان شود؛ به علاوه شناخت دقیق و موشکافانه ی جزئیات فناوری به کار رفته در تجهیزات اپتوالکترونیک امروزی میتواند زمینه ساز شکوفایی خلاقیت و کسب درآمد فعالان این عرصه باشد.
در کتاب حاضر، به تشریح مبانی کار دیودهای نورافشان (LED) و تجهیزات نوری ساخته شده با آن و همچنین آموزش کامل ساخت تابلوهای روان و برنامه نویسی تابلوها و همچنین ارائه ی مدارات عملی و کاربردی در حوزه ی اپتوالکترونیک خواهیم پرداخت. نیمه رساناها بخش بزرگی از خانواده ی قطعات درالکترونیک را تشکیل می دهند و انواع گوناگونی دارند. بحث درباره نیمه رساناها و قطعات مربوطه بسیار گسترده است لذا سعی می شود چکیده ای درحد ضرورت بیان شود. نیم رسانا یا نیمه رسانا عنصر یا ماد های است که در حالت عادی عایق باشد ولی با افزودن مقداری ناخالصی قابلیت هدایت الکتریکی پیدا می کند. (منظور از ناخالصی عنصر یا عناصر دیگری غیر از عنصر اصلی یا پایه است؛ بر فرض مثال، اگر عنصر پایه سلیسیوم باشد ناخالصی میتواند آلومینیوم یا فسفر باشد).‏ نیمه رساناها در لایه ظرفیت خود چهار الکترون دارند. میزان مقاومت الکتریکی نیمه رساناها، بین رساناها و نارساناها می باشد. از نیمه رساناها برای ساخت قطعاتی مانند دیود، ترانزیستور، تریستور، آی سی و... استفاده می شود. ظهور نیمه رساناها در علم الکترونیک انقلاب عظیمی را در این علم ایجاد کرده که اختراع رایانه یکی از دستاوردهای این انقلاب است.

انواع نیمه رساناها
نیمه‌رساناها به دو نوع قسمت بندی میشوند:

نیمه رسانای بنیادی
نیمه‌ رسانای غیربنیادی

در نیم هرسانای بنیادی تعداد حفره و الکترون برابر است، در صورتی که در نیمه رسانای غیربنیادی چنین نیست. نیمه رسانای غیربنیادی با آلاییدن نیمه رسانای چهار ظرفیتی با یک عنصر سه یا پنج ظرفیتی پدید می آید. نیمه رساناهای غیر بنیادی به دو دسته تقسیم می شوند:

نوع P یا Possitive یا دارنده الکترون آزاد (دهنده) که در آن تعداد حفره ها بیشتر است.
نوع N یا Negative یا گیرنده الکترون آزاد (پذیرنده) که در آن تعداد الکترون‌ها بیشتر است.

عناصر نیمه‌رسانا

از عناصر نیمه رسانا میتوان به سلیسیوم و ژرمانیوم که پایه ی بسیاری از قطعات الکترونیک هستند اشاره کرد. سلیسیوم در حالت عادی نیمه رسانا است و در جدول تناوبی در گروه چهار اصلی و زیر کربن قرار دارد و چهار ظرفیتی می باشد یعنی چهار الکترون در آخرین باند خود دارد. حال اگر یکی از عناصر گروه مجاور را به سلیسیوم بیافزاییم، سلیسیوم قابلیت رسانایی بالاتری پیدا می کند. اگر عنصر اضافه شده از گروه سوم اصلی باشد مثلاً آلومینیوم، آنگاه ماده ی بدست آمده نیمه رسانای نوع P می شود و اگر عنصر اضافه شده از گروه پنج اصلی باشد مثلاً آرسنیک، آنگاه ماده ی بدست آمده نیمه رسانای نوع N میشود. ژرمانیوم از این جهات مانند سیلیسیوم است ولی تفاوت‌هایی هم با آن دارد.

طریقه ساخت دیود از نیمه رساناها
از پیوند نیمه رسانای نوع N با نوع P عنصری به نام دیود بدست می آید که خاصیت یکسوسازی آن بیشترین کاربرد را در الکترونیک دارد (در دیود هیچ تفاوتی بین اینکه نوع P را با نوع N پیوند دهیم یا نوع N را با نوع P پیوند دهیم وجود ندارد و در هر صورت عنصر بدست آمده دیود خواهد بود).

‏دیود، کاربرد و انواع آن
مقدمه
دیود (دوقطبی الکتریکی، یکسوساز) قطعه ی الکترونیکی دو سری است که جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می دهد (در این حالت مقاومت دیود ایده آل صفر است) و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بسیار بالایی (در حد بی‌نهایت) نشان می دهد. این خاصیت دیود باعث شده بود تا در سال های اولیه ساخت این وسیله الکترونیکی، به آن دریچه هم اطلاق شود. در حال حاضر رای جترین نوع دیود از بلور مواد نیمه رسانا ساخته می شود. لوله های خلأ که اولین دیودها بودند امروزه فقط در تکنولوژی‌هایی که در ولتاژ بالا کار میکنند استفاده می شوند. مهم‌ترین کاربرد دیود عبور دادن جریان در یک جهت و ممانعت در برابر عبور جریان در جهت مخالف (reverse direction) است. در نتیجه میتوان به دیود مثل یک شیر الکتریکی یک طرفه نگاه کرد. این ویژگی دیود برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم استفاده می شود. از لحاظ الکتریکی یک دیود هنگامی جریان را از خود عبور میدهد که با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و- به کاتد) آنرا آماده کار کنیم. مقدار ولتاژی که باعث میشود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی نماید ولتاژ آستانه یا (forward voltage drop) نامیده میشود که چیزی حدود 0٫۶ تا 0٫7 ولت می باشد (برای دیودهای سیلیکون).‏ اما هنگامی که ولتاژ معکوس به دیود متصل می شود (+ به کاتد و- به آند) جریانی از دیود عبور نمی کند، مگر جریان بسیار کمی که به جریان نشتی معروف است که در حدود چند μA یا حتی کمتر می باشد. این مقدار جریان معمولاً در اغلب مدارهای الکترونیکی قابل صرف نظر کردن بوده و تأثیری در رفتار سایر المان‌های مدار ندارد. هرچه جنس کریستال به کار رفته در ساخت دیود از نظر ساختار منظم‌تر باشد، دیود مرغوب‌تر و جریان نشتی کمتر خواهد بود. مقدار جریان نشتی در دیودهای با تکنولوژی جدید عملاً به صفر میل می کند. اما نکته مهم آنکه تمام دیودها یک آستانه برای حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژ معکوس بیش از آن شود دیوید می سوزد (کریستال ذوب می شود) و جریان را در جهت معکوس هم عبور می دهد. به این ولتاژ (آستانه شکست دیود) گفته می شود.

انواع دیود
ساختار کلی دیودها مشابه یکدیگر است اما بدلیل کاربردهای گوناگون و وسیع آنها یا پیشرفت تکنولوژی تفاوت‌هایی در آنها دیده می شود که شرح داده خواهد شد؛ دیودها را میتوان به طور اولیه به صورت زیر دسته بندی کرده و نام برد: