أولاً، من حيث بنية الدايود الباعث للضوء ومبدأ الانبعاث، كان الناس يعرفون منذ خمسين عاماً المعرفة الأساسية حول كيفية إنتاج المواد شبه الموادة للضوء، وتم إنتاج أول دايود تجاري في عام 1960. الحروف الأولى LED هي اختصار للمصطلح الإنجليزي Light Emitting Diode (الدايود الباعث للضوء)، وتتمثل بنيته الأساسية في مادة شبه موادة متوهجة كهربائياً، تُوضع على حامل سلكي، ثم تُغلف بالإيبوكسي راتنج لحماية الهيكل الداخلي والخيط، مما يمنح الـ LED مقاومة جيدة للزلازل. تظهر بنية الـ LED كالتالي: الجزء المركزي من الدايود الباعث للضوء يتكون من رقاقة شبه موادة من النوع P ورقاقة من النوع N، مع وجود طبقة انتقالية بين شبه الموادتين من النوع P و N تسمى الوصلة P-N. في بعض المواد شبه الموصلة، عند الوصلة P-N، يؤدي إعادة تركيب حاملات الأقلية مع حوامل الأغلبية إلى تحرير الطاقة الزائدة على شكل ضوء، مما يحول الطاقة الكهربائية مباشرة إلى ضوء. عند تطبيق الجهد العكسي على الوصلة P-N، يصعب حقن حاملات الأقلية، وبالتالي لا يحدث انبعاث للضوء. يُطلق على هذا المبدأ الانبعاعي اسم الوصلات الباعثة للضوء بالحقن، والمعروفة باسم LED. عند العمل (أي عند تطبيق جهد إيجابي على الأطراف)، ينتقل التيار من أنود الـ LED إلى كاثوده، وتصدر البلورات شبه الموصدة ألواناً مختلفة للضوء تتراوح من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء، وتعتمد شدة الضوء على التيار.
ثانياً، خصائص مصدر الضوء LED
1. الجهد: يعمل الـ LED بجهد منخفض يتراوح بين 6-24 فولت، يختلف حسب المنتج، مما يجعله إمداد طاقة أكثر أماناً مقارنة بالإمداد عالي الجهد، خاصة عند استخدامه في الأماكن العامة.
2. الأداء: يقل استهلاك الطاقة بنسبة 80% مقارنةً بمصابيح الهالوجين (الكهربائية) ذات نفس كفاءة الإضاءة.
قابلية التطبيق: صغير الحجم، حيث تبلغ وحدة الـ LED الفردية 3-5 مم مربعاً، مما يتيح تصميم أجهزة بأشكال متنوعة ومناسبة للبيئات المتغيرة
الثبات: 100,000 ساعة، حيث يتلاشى الضوء بنسبة 50% من القيمة الأولية
5 زمن الاستجابة: زمن استجابة ميلي ثانية للمصابيح المتوهجة، وزمن استجابة نانو ثانية لمصابيح LED
التلوث البيئي: لا يحتوي على معادن الزئبق الضارة
7 اللون: يمكن تغيير اللون بسهولة عن طريق تغيير التيار في ثنائيات الأشعة المضيئة (LED) باستخدام طريقة التعديل الكيميائي، من خلال ضبط هيكل النطاقات وفجوة النطاق للمادة ، لتحقيق ألوان الحمرا والأصفر والأخضر والأزرق. عند تيار منخفض، يكون اللون أحمر، ومع زيادة التيار، يتحول إلى برتقالي، أصفر، وأخيرًا أخضر. 8 السعر: أسعار LED أغلى من المصابيح المتوهجة، ويمكن أن يوازي سعر عدة مصابيح LED سعر مصباح متوهج واحد، وغالبًا يتراوح سعر كل ثنائي مضيء من 300 إلى 500.
ثالثًا، ثلاثة أنواع من مصابيح LED أحادية اللون وسجل تطورها
ظهر مصدر ضوء LED المبكر اعتمادًا على مبدأ إشعاع الوصلة P-N للأنصاف موصلات في أوائل الستينيات. كانت المادة المستخدمة GaAsP، بألوان حمراء قاتمة (λp = 650nm)، مع تيار تشغيل 20 مللي أمبير، كان التدفق الضوئي أقل من بضعة آلاف من اللومنات، وكفاءة الإضاءة حوالي 0.1 لومن/واط. في أواخر السبعينيات، مع إدخال عناصر الغاليوم (In) والنيتروجين (N)، أصبحت مصابيح LED تنتج ألوانًا خضراء (λp = 555nm)، صفراء (λp = 590nm)، وبرتقالية (λp = 610nm)، وزادت كفاءة الإضاءة إلى 1 لومن/واط. حتى بداية الثمانينيات، تم تطوير مصابيح LED من GaAlAs، مما جعل كفاءة الإضاءة الحمراء تبلغ 10 لومن/واط. في أوائل التسعينيات، تم تطوير بنجاح مواد جديدة هي GaAlInP للضوء الأصفر والأحمر، وGaInN للأخضر-الأزرق، مما حسّن كفاءة الإضاءة بشكل كبير. في عام 2000، بلغت كفاءة إضاءة مصابيح LED المصنوعة من المادة الأولى في النطاق الأحمر والبرتقالي (λp = 615nm) 100 لومن/واط، بينما بلغت كفاءة إضاءة مصابيح LED المصنوعة من المادة الثانية في النطاق الأخضر (λp = 530nm) 50 لومن/واط.
رابعًا، تطبيقات مصابيح LED أحادية اللون
استُخدمت مصابيح LED الأولية كمصادر إضاءة مؤشرة للأجهزة، ثم تم استخدام ألوان متعددة من مصابيح LED على نطاق واسع في إشارات المرور والعروض الكبيرة، مما حقق فوائد اقتصادية واجتماعية جيدة. على سبيل المثال، إشارة مرور حمراء بحجم 12 بوصة كانت تستخدم في الولايات المتحدة مصباحًا متوهجًا بطول عمر طويل وكفاءة منخفضة بقوة 140 وات كمصدر للضوء، ينتج 2000 لومن من الضوء الأبيض. مع فلتر أحمر، تنخفض الكفاءة بنسبة 90%، لتنتج فقط 200 لومن من الضوء الأحمر. في التصميم الجديد للمصباح، تستخدم شركة Lumileds 18 مصدرًا ضوئيًا من LED الحمراء، بما في ذلك فقد الدائرة، لاستهلاك إجمالي يبلغ 14 وات لإنتاج نفس الكفاءة الضوئية.
تُعدّ أضواء السيارات أيضاً من المجالات المهمة لتطبيقات مصادر الإضاءة الصلبة (LED). ففي عام 1987، بدأ تركيب أضواء فرامل السيارات في الصين، وذلك بفضل الاستجابة السريعة لـ LED (بنطاق النانومتر)، مما مكن سائقين المركبات المتبعة من إدراك ظروف القيادة المبكراً، والحد من حوادث التصادم الخلفي.
علاوة على ذلك، تم تطبيق أضاءة LED في مجالات العرض الخارجي بألوان الأحمر والأخضر والأزرق الكاملة، وكذلك في مفاتيح سلسلة المفاتيح المصممة كمصابيح يدوية مصغرة وغيرها.
خامساً، تطوير الصمام الثنائي الباعث للضوء الأبيض < ' ' > < >
يحتاج الأشخاص إلى مصدر ضوء أبيض لأغراض الإضاءة العامة. نجاح تطوير الصمام الثنائي الباعث للضوء الأبيض في عام 1998. يتم تصنيع هذا الصمام من رقائقات نيتريد الغاليوم (GaN) مع اليتريوم ألمنيوم غارنيت (YAG) المجمعة معاً. تشع رقيقة GaN ضوءاً أزرق (λp = 465 نانومتر، Wd = 30 نانومتر)، ويتم حبيبه عند درجات حرارة عالية مع مفاخر Ce3 + YAG يُثيرها الضوء الأزرق لإصدار الضوء الأصفر وذروة انبعاث الضوء عند 550 نانومتر. يُركب قاع الصمام الثنائي الباعث للضوء الأزرق في تجويف عاكس بشكل وعاء، وتغطيه طبقة رقيقة من الراتنج ممزوجة مع YAG، بسمك حوالي 200-500 نانومتر. يمتص جزء من الضوء الأزرق المنبعث من قاع الصمام بواسطة الفوسفور، ويتبعثر بعض فوسفورات الضوء الأزرق لإصدار الضوء الأصفر الممزوج، مما يمكن أن ينتج عنه ضوء أبيض. الآن، بالنسبة للصمام الثنائي الباعث للضوء الأبيض InGaN / YAG، من خلال تغيير التركيب الكيميائي لفوسفور YAG وضبط سمك طبقة الفوسفور، يمكن الحصول على حرارة لون بيضاء ملونة تتراوح بين 3500 و10000 كلفن. تجازر منتج بفوسفور أصفر YAG لشريحة زرقاء، أفضل كفاءة إشعاعية ضوئية له حوالي 25 لومين/واط، يستورد YAG من شركة Nichia اليابانية، بسعر 2000 يوان/كغ؛ واليابانية الثانية Sumitomo Electric طور صماماً ثنائياً باعثاً للضوء الأبيض بزخزنتيوت (ZnSe) كمادة، لكن بكفاءة إشعاعية ضوئية أقل. لا يمكن لبعض أنواع مصادر الضوء الأبيض LED أن تفصل عن أربعة فوسفورات: الألوان الثلاثة الأرضية (الأحمر، الأخضر، الأصفر) ومسحوق الأزرق الوردي وبنية الجارنيت. يمكن من الجدول أن نتفاءل بمستقبل الضوء الأبيض بثلاث أطوال موجية أكثر من الضوء ذي الأطوال الموجية الثلاثة. استخدام رقائق UV غير العضوية مع فوسفورات الألوان الثلاثة RGB لتغليف LED الأبيض، وفرص تجازر آلة الصمام الثنائي الباعث للضوء الأبيض بثلاث أطوال موجية. لكن هنا، حجم جسيمات الفوسفور ثلاثي الألوان صغير نسبياً، وتتطلب استقراراً عالياً، ولا تزال التطبيقات المحددة قيد الاستكشاف. < ' ' > < >
نظرة عامة على الصناعة < ' ' > < >
صناعة LED عالية السطوع من نيشيا، كانت من بين أوائل الشركات التي استخدمت العملية التقنية المطورة لمختلف الأطوال الموجية، وكذلك جهاز أشعة ليزر أزرق-بنفسج شبه الموصل (Laser Diode; LD)، الشركة الرائدة في الصناعة تملك براءة اختراع LED الأزرق. لدى نيشيا العديد من براءات الاختراع الأساسية لإنتاج LED الأزرق وهيكلية الأقطاب الكهربائية، والتمسكت بتطوير سياسة الإنتاج الخاصة بها فقط مع الترخيص الخارجي، بهدف احتكار السوق، مما أدى إلى ارتفاع أسعار LED الأزرق. لكن الصناعة الأخرى التي لديها القدرة الإنتاجية عارضت بشدة، جزء من صناعة LED اليابانية التي تظن أن استراتيجية نيشيا كيميائية <، ستجعل اليابان في منافسة LED الأزرق والأبيض تدريجياً أوروبا والولايات المتحدة ودول أخرى من صناعة LED الذين سيقبضون على المبادأة سيتسببون في أضرار جسيمة لصناعة LED ككل في اليابان. العديد من المشغلين سيحاولون بذل كل ما في وسعهم لقيام أبحاث ' وتطوير وإنتاج LED الأزرق. باستثناء نيشيا كيميائية وسوميتومو الكهربائية وتويودا قوسه، لومو، توشيبا وشارب، كري الأمريكية، مصنع الإضاءة العالمي ' الثلاثة الأوائل منفردة، فيليبس، أوسرام، وHP، سيمنز، أبحاث، بواسطة إمكور > جميعها استهدفت منتجات أبحاث < وتطوير وإنتاج لعبت دوراً إيجابياً في تعزيز دفع الصناعة، سوق المنتجات من جهة LED الأبيض. < ' ' > < >
