مقدمه:

دیود نورانی (Light Emitting Diode – LED)، یک قطعه الکترونیکی نیمه‌رسانا است که به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود، انقلاب عظیمی در صنعت نور و الکترونیک ایجاد کرده است.

برخلاف تصور عمومی که LED را صرفاً به عنوان یک "لامپ" می‌شناسند، در اصل یک دیود است که تحت شرایط خاصی، نور تولید می‌کند. در این مقاله از میکرو مدرن به درک ساختار و اصول کاری این قطعه کوچک، و شناخت قابلیت‌های بی‌نظیر آن می پردازیم .

ساختار و اصول کارکرد دیود نورانی LED :

یک LED در هسته خود، از یک اتصال P-N تشکیل شده است؛ همانند دیودهای معمولی. این اتصال شامل دو نوع ماده نیمه‌رسانا است:

• ماده نوع P: دارای کمبود الکترون یا به اصطلاح "حفره" اضافی است.
• ماده نوع N: دارای الکترون‌های آزاد اضافی است.

هنگامی که یک ولتاژ بایاس مستقیم (forward bias) به LED اعمال می‌شود، یعنی پایانه مثبت منبع تغذیه به ماده P و پایانه منفی به ماده N متصل می‌شود، اتفاقات زیر رخ می‌دهد:

1. حرکت حامل‌های بار: الکترون‌ها از ناحیه N به سمت اتصال P-N حرکت می‌کنند و حفره‌ها از ناحیه P به سمت اتصال P-N می‌روند.
2. بازترکیب: در ناحیه اتصال معروف به ناحیه تخلیه ی (depletion region)، الکترون‌ها با حفره‌ها "بازترکیب" می‌شوند.
3. انتشار فوتون: در فرآیند بازترکیب، انرژی به صورت فوتون (ذرات نور) آزاد می‌شود. این پدیده را الکترولومینسانس می‌نامند.

رنگ نور ساطع شده توسط LED به باند گپ انرژی (energy band gap) مواد نیمه‌رسانای مورد استفاده بستگی دارد. به عنوان مثال، گالیوم آرسنید فسفید (GaAsP) نور قرمز یا نارنجی تولید می‌کند، در حالی که گالیوم نیترید (GaN) برای تولید نور آبی و فرابنفش استفاده می‌شود.

با ترکیب LEDهای قرمز، سبز و آبی (RGB) می‌توان نور سفید را تولید کرد، یا با پوشش دادن دیود های نورانی آبی با یک لایه فسفر، نور سفید با کیفیت بالا به دست آورد.

انواع LED ها :

دیودهای نورانی به دلیل تنوع زیاد در ساختار، اندازه، رنگ، و کاربرد به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند. در اینجا به برخی از رایج‌ترین انواع LEDها اشاره می‌کنیم:

LEDهای Through-Hole (DIP - Dual In-line Package):

• ویژگی‌ها: این نوع LEDها قدیمی‌ترین و شناخته‌شده‌ترین نوع هستند. دارای دو پایه سیمی هستند که از طریق سوراخ‌های روی برد مدار چاپی (PCB) عبور کرده و لحیم می‌شوند. معمولاً دارای یک کپسول پلاستیکی گرد یا کلاهک مانند هستند.
• مزایا: نصب آسان (به ویژه برای پروژه‌های آموزشی و نمونه‌سازی)، دوام مکانیکی بالا، قیمت پایین.
• کاربردها: چراغ‌های نشانگر (indicator lights) در لوازم الکترونیکی، تابلوهای نمایشگر ساده، پروژه‌های دانشجویی و سرگرمی.

LEDهای Surface Mount Device (SMD):

ویژگی‌ها: این LEDها مستقیماً روی سطح برد مدار چاپی لحیم می‌شوند و پایه‌های سیمی ندارند. بسیار کوچک و فشرده هستند و امکان تراکم بالای این‌ها در فضای کم را فراهم می‌کنند. در اشکال و اندازه‌های مختلفی مانند 3528، 5050، 2835 و... موجود هستند که ابعاد فیزیکی تراشه را نشان می‌دهد.

مزایا: اندازه کوچک، نصب آسان با دستگاه‌های خودکار (برای تولید انبوه)، راندمان نوری بالا، قابلیت تولید رنگ‌های مختلف از یک تراشه (RGB SMD LED).

کاربردها: نوارهای این LED، نمایشگرهای تلفن همراه و تلویزیون، نورپردازی خودرو، نورپردازی عمومی و تزئینی، نور پس‌زمینه (backlighting).

LEDهای COB (Chip-on-Board):

ویژگی‌ها: در این تکنولوژی، چندین تراشه LED مستقیماً روی یک بستر (معمولاً سرامیکی یا فلزی) نصب و بسته‌بندی می‌شوند تا یک منبع نوری واحد را تشکیل دهند. این امر باعث ایجاد یک نور یکنواخت و متمرکز می‌شود.

مزایا: چگالی نوری بسیار بالا، یکنواختی نور عالی، مدیریت حرارتی بهتر (به دلیل تماس مستقیم تراشه‌ها با بستر)، اندازه فیزیکی کوچک‌تر برای خروجی نور بالا.

کاربردها: نورافکن‌ها (floodlights)، چراغ‌های مسیر (track lights)، نورپردازی خرده‌فروشی، روشنایی استادیوم‌ها، پروژکتورها.

LEDهای( High-Power) توان بالا:

ویژگی‌ها: این LEDها برای تولید خروجی نور بسیار بالا طراحی شده‌اند و معمولاً نیاز به سینک حرارتی (heat sink) برای دفع گرمای تولیدی دارند. معمولاً در بسته‌بندی‌های خاصی عرضه می‌شوند که قابلیت اتصال به سینک حرارتی را فراهم می‌کند.

مزایا: روشنایی بسیار زیاد، کارایی بالا.

کاربردها: روشنایی خیابانی، چراغ‌های خودرو (چراغ جلو)، نورافکن‌های صنعتی، نورپردازی حرفه‌ای.

LEDهای RGB (Red-Green-Blue):

ویژگی‌ها: این دیود نورانی ها شامل سه تراشه LED مجزا (قرمز، سبز، آبی) در یک بسته‌بندی واحد هستند. با کنترل مستقل شدن هر یک از این سه رنگ، می‌توان میلیون‌ها رنگ مختلف را تولید کرد.

مزایا: قابلیت تولید طیف وسیعی از رنگ‌ها، انعطاف‌پذیری بالا در نورپردازی تزئینی و داینامیک.

کاربردها: نوارهای LED رنگی، نورپردازی صحنه، نمایشگرهای ویدئویی، جلوه‌های نورپردازی دکوراتیو.

LEDهای OLEDS (Organic Light Emitting Diodes):

• ویژگی‌ها: این نوع LEDها از ترکیبات آلی (ارگانیک) به عنوان مواد ساطع‌کننده نور استفاده می‌کنند. می‌توانند روی بسترهای انعطاف‌پذیر چاپ شوند و بسیار نازک هستند.
• مزایا: بسیار نازک و انعطاف‌پذیر، قابلیت تولید صفحات نمایشگر بزرگ، زاویه دید وسیع، کنتراست بالا.
• کاربردها: نمایشگرهای گوشی‌های هوشمند و تلویزیون‌های رده بالا، نورپردازی خاص و دکوراتیو، لباس‌های هوشمند.( توجه OLEDها بیشتر در نمایشگرها استفاده می‌شوند تا نورپردازی عمومی)

هر یک از این انواع LEDها دارای مزایا و معایب خاص خود هستند و برای کاربردهای متفاوتی بهینه شده‌اند. انتخاب هر نوع به عواملی مانند نیاز به روشنایی، فضای موجود، کارایی مورد نظر، مدیریت حرارتی و هزینه بستگی دارد.

کاربرد گسترده قطعه LED :

در اینجا میخواهیم در مورد کاربرد این قطعه بپردازیم :

• نمایشگرها: از نمایشگرهای کوچک در لوازم الکترونیکی گرفته تا تلویزیون‌های LED بزرگ، مانیتورها و تابلوهای تبلیغاتی شهری.
• نشانگرها و وضعیت‌نماها: در بردهای الکترونیکی، پنل‌های کنترل، و لوازم خانگی برای نمایش وضعیت روشن/خاموش یا سایر اطلاعات.
• سنسورها و اپتوکوپلرها: در سیستم‌های تشخیص نوری، سنسورهای مجاورت، و ایزوله‌کننده‌های نوری برای انتقال سیگنال بدون اتصال الکتریکی مستقیم.
• فرستنده‌های نوری: در فیبرهای نوری برای انتقال داده‌ها با سرعت بالا، مانند اینترنت فیبر نوری (FTTH).
• کاربردهای پزشکی: در فتوتراپی، پالس اکسی‌مترها، و دستگاه‌های تشخیص پزشکی.
• کشاورزی هوشمند: LEDهای با طیف نوری خاص برای رشد گیاهان در گلخانه‌ها و مزارع عمودی.
• روشنایی تخصصی: چراغ‌های UV برای ضدعفونی یا کیورینگ، و چراغ‌های مادون قرمز برای دید در شب و کنترل از راه دور.

چشم‌انداز آینده LED:

توسعه در فناوری LED همچنان با سرعت بالایی ادامه دارد. محققان در حال کار بر روی بهبود بیشتر کارایی، کاهش هزینه‌ها و توسعه این دیودهای نورانی با قابلیت‌های جدید هستند. انتظار می‌رود در آینده شاهد:

• LEDهای با کارایی بالاتر و طول عمر طولانی‌تر.
• توسعه این دیودهای نورانی هوشمند با قابلیت اتصال به اینترنت اشیا (IoT) برای کنترل دقیق‌تر و اتوماسیون بیشتر.
• کاربردهای نوآورانه در زمینه‌هایی مانند ارتباطات نوری بی‌سیم (Li-Fi) و حسگرهای نوری پیشرفته‌تر.
• تولید LEDهای با طیف نوری قابل تنظیم برای کاربردهای تخصصی مانند نورپردازی انسان‌محور (Human-Centric Lighting) که با ریتم شبانه‌روزی بدن انسان سازگار است.
• کاهش بیشتر هزینه‌ها و دسترسی آسان‌تر به این فناوری در سراسر جهان.

دیود نورانی (LED) نه تنها یک منبع نور است، بلکه یک فناوری بنیادین است که به طور مداوم در حال شکل‌دهی آینده الکترونیک، ارتباطات و روشنایی است و پتانسیل‌های بی‌شماری برای نوآوری‌های آینده دارد.