ساختار نیمه هادی ها

بسیاری از نیمه هادی ها از سیلیکون ناخالص ساخته می شوند. در محل اتصال دو ماده سازنده N و P جهت ایجاد هدایت، بایستی ماده P مثبت تر از ماده N باشد. هدایت زمانی شروع می شود که اختلاف پتانسیل حدودا 0.7 بین دو ماده ایجاد شود. دیود ساطع کننده نور ( LED ) هم از ترکیب دو ماده N و P ساخته می شود اما سیلیکون سد انرژی کافی برای این کار را ندارد . نخستین LED های ساخته شده از گالیم آرسناید بودند که نور نامرئی با طول موج 905 نانو متر تولید کردند. علت این امر اختلاف سطح انرژی باند  هدایت با باند کمترین انرژی در گالیم آرسناید می باشد.

هنگامی که ولتاژ به دو سر  LED اعمال می شود الکترون­ها انرژی لازم جهت پرش به باند هدایت را پیدا می­کنند. هنگامی که الکترون انرژی خود را از دست می دهد و به باند انرژی کم سقوط می­کند یک فوتون ( که به صورت نور پدیدار می­شود ) از آن ساطع می­گردد.

رابطه ولتاژ و جریان LED به صورت:

است. در رابطه ی فوق If جریان ال ای دی، IS جریان اشباع معکوس ال ای دی، e بار الکتریکی، K ثابت بولتزمن، T دمای مطلق اتصال است. مشاهده می­شود که رابطه شبیه رابطه دیود های معمول است.

ساختمان LED ها

وجود تفاوت بین دمای دو LED یکسان، منجر به ایجاد تفاوت در افت ولتاژ مستقیم آنها خواهد شد. هنگامی که دمای نقطه اتصال افزایش می­یابد، مسیر برای عبور الکترون ها از تراز انرژی هموارتر می­شود. به طور تقریبی افت ولتاژ به میزان 2 میلی ولت به ازای هر یک درجه سانتی گراد افزایش دما را می‌توان مشاهده کرد. این پدیده برای راه اندازی LED ها یک مشکل جدی ایجاد می­کند . در حالتی که دو LED موازی، از یک منبع تغذیه می­شوند، اختلاف دما موجب اختلاف ولتاژ می­شود و نتیجتا جریان ما بین دو شاخه از LED ها بطور یکسان تقسیم نمی­شود. افزایش جریان یکی از LED ها افزایش دمای بیشتر را برای آن در بر خواهد داشت و در صورت عدم دفع حرارت به میزان کافی باعث خرابی LED می­شود. نمودار زیر نشانگر منحنی ولتاژ-جریان یک LED و نحوه تاثیر پذیری آن از تغییرات دما می­باشد.

نمودار ولتاژ و جریان تحت تاثیر دما

نتایج تحقیق ارائه شده در مرجع بیانگر تاثیر افزایش دما بر شار نوری ساطع شده از LED می­باشد. این تحقیق بیان می کند که افزایش دما باعث افزایش جریان مستقیم دیود و افزایش شار نوری میشود . اما این افزایش شار به معنی افزایش بهره نوری نیست بلکه باعث افت مقدار لومن بر وات LED می شود. علت این امر رشد نکردن متناسب و خطی جریان و شار نوری در دماهای مختلف می باشد . نمودار زیر در راستای شفاف تر شدن این تحقیق ارائه شده است.

نمودارشار نوری و جریان تحت تاثیر دما

مسائل فوق باعث می شود تا برای راه اندازی LED ها از یک منبع تغذیه جریان ثابت استفاده گردد. در تعریف LED ها از آنها به عنوان بارهای ولتاژ ثابت یاد می­شود . اما این عمل در واقعیت اتفاق نمی افتد. زیرا نیمه هادی ­ها هدایت کننده های ایده آلی نیستند و دارای مقاومت مسیر سری (ESR) می باشند . این بدان معنی است که با افزایش جریان ، افت ولتاژی بیشتری بوجود خواهد­آمد.

تحقیقی یک LED را معادل مداری یک دیود زنر ایده آل سری شده با یک مقاومت و یا به عبارتی یک دیود زنر غیر ایده آل دانسته ­است. همچنین در این مرجع توصیه شده­است که به دلیل عملکرد مشابه و قیمت کمتر دیود زنر نسبت به LED ها در تست اولیه منابع تغذیه طراحی و ساخته شده برای LED ها از دیود های زنر استفاده شود و در صورت حصول نتیجه مثبت تست اصلی با LED ها انجام شود.

سخن آخر