أشباه الموصلات وأساسيات الثنائي الباعث للضوء (LED)
مدخل:
في العصر الإغريقي عرف الإنسان أن الكهرمان ،وهو عبارة عن حفرية مكونة من مادة راتنجينية ،يقوم بجذب الجسيمات الخفيفة عندما يتم احتكاكه بقطعة من الفرو ، وهكذا اشتقت كلمة “الكهرباء” من الكهرمان وفي القرن التاسع عشر ، تم اختراع خلية كهربائية تمكننا من الحصول على الكهرباء المستمرة (D.C) وتم استخدامها في توليد الضوء والحرارة بعد اختراع المصابيح والمولدات ، وفي منتصف القرن استخدمت الكهرباء في تحقيق الاتصال اللاسلكي .
وقد تم تقسيم المواد من حيث التوصيل إلى موصلات وعوازل ؛ وذلك على أساس مدى مقاومتها لسريان التيار الكهربائي ، ولكن تبين فيما بعد أن الفرق شاسع بين هذين النوعين وأن هذا التقسيم قاصر عن تفسير بعض الظواهر الكهربائية واستمر ذلك حتى تم اكتشاف المواد الواقعة من حيث التوصيل بين العوازل والموصلات وتم تسميتها باسم أشباه الموصلات “semiconductor” وهي أساس الإلكترونيات .
وقد شهدت تقنية الإلكترونيات تطوراً كبيراً منذ اختراع الصمامات الكهربائية وحتى ظهور الدوائر المتكاملة ذات الاختصار (IC) والمكونة من العديد من الترانزستورات ومن ثم الدوائر ذات التعقيد الأكثر (VLSI) ؛ فقد تم اختراع الثنائي بواسطة “فيلمينج” سنة 1904 واخترع الصمام الثلاثي “دي فوريست” سنة 1907م ، وقد توالت بعد ذلك الاكتشافات والاختراعات حتى وصلنا إلى ما نحن عليه من التطور الهائل في شتى المجالات ولا زال الباب مفتوحاً لم يغلق بعد .
أشباه الموصلات semiconductor :
كما ذكرنا فإن أشباه الموصلات كالسيليكون والجرمانيوم هي مواد تقع من حيث التوصيل الكهربائي بين المواد العازلة كالزجاج والخشب والمواد الموصلة كالنحاس والألمنيوم .نظراً لأهمية أشباه الموصلات لابد من إعطاء فكرة موجزة عنها وتقديم طريقة تكوين وصلة PN التي تكون البنية الأساسية في النبائط الكهروضوئية كالليزر والثنائيات الضوئية والكواشف بالإضافة إلى الثنائيات والترانزستورات.
تحتوي ذرة السليكون على سبيل المثال على أربعة إلكترونات في المدار الخارجي outer shell ويسمى بنطاق التكافؤvalence band.تكون هذه الإلكترونات روابطbonds تمسك الذرات مع بعضها لتعطي البنية البلورية crystalline structure لهذا العنصر . تسمى هذه الروابط بالروابط التساهمية أو المتكافئةcovalent bondsحيث تشترك الذرات المتجاورة في الإلكترونيات الموجودة في المدار الخارجي . عندئذ يصبح عدد الإلكترونيات في المدار الخارجي لكل ذرة ثماني إلكترونيات ، أربعة من الذرة وأربعة من الذرات المجاورة وتكون كل الإلكترونيات ضمن الروابط التساهمية ولا يوجد أي منها طليق
وصلة PN :
لو أضفنا إلى مادة السليكون النقية intrinsic silicon مادة أخرى خماسية التكافؤ أي لها خمسة إلكترونات في المدار الخارجي فإن أربعة منها ستشترك في تكوين روابط تساهمية ويبقى الإلكترون الخامس طليقاً يتحرك في البنية البلورية عندئذ يقال أنه إلكترون طليق ولكن ضمن ما يسمى بنطاق التوصيل conduction band. تصبح مادة السليكون الآن ذات شحنة سالبة نظراً لوجود الإلكترونات الزائدة ويطلق على هذه المادة نوع N حيث ترمز N إلى سالب Negative كما هو موضح في الشكل (1) .
لو أضفنا مادة لها ثلاثة إلكترونات في المدار الخارجي إلى مادة السليكون النقي فإن هذه الإلكترونات ستشارك في تكوين الرابطة التساهمية ويبقى أحد مواقع الرابطة التساهمية فارغاً بدون إلكترون ويطلق على هذا الفراغ بالفجوة أو الثقبhole . وتعامل الفجوة كحاملة شحنة شبيهة بالإلكترون غير أنها موجبة وتبدو المادة وكأنها تحتوي على فجوات زائدة موجبة . لذا يطلق عليها أسم مادة نوع p حيث ترمز pإلى Positive كما هو موضح في الشكل (2) .
لتصنيع الثنائي Diode نحتاج إلى إحضار مادة شبه موصلة نقية تطعم doped بمواد شائبة impurities من مواد العمود الثالث من الجدول الدوري مثل الألمنيوم أو الجاليوم لتكوين طبقة P ، ومواد شائبة من العمود الخامس من الجدول الدوري مثل الزرنيخ لتكوين طبقة N . في منطقة اتصال الطبقتين تبدأ الإلكترونات الزائدة بالتحرك من طبقة N نحو طبقة P وتتحرك الفجوات من طبقة P نحو طبقة N لتعبر الحد الفاصل وتبدأ الإلكترونات والفجوات بالاتحاد recombination عبر ما يسمى بوصلة PN (PN Junction) . ومعنى الاتحاد هنا هو أن الإلكترونات الطليقة تقع في الفجوات فتتحول من نطاق التوصيل إلى نطاق التكافؤ وتصبح جزءاً من الروابط التساهمية للذرات . ويختفي الإلكترون والفجوة كحاملات شحنة وينتج عن هذا الالتحام إشعاع طاقة قد تكون ضوءاً أو حرارة . إن أكثر الذرات مشاركة في هذه العملية هي تلك الواقعة على مقربة من الحد الفاصل بين طبقتي P و N .حيث أن الذرات على جانب N لديها إلكترون زائد وتسمى الذرات الواهبة أو المعطية donor atoms لاستعدادها لإعطاء الإلكترون الزائد ، أما على جانب P فلديها نقص إلكترون واحد أي فجوة وهي مستعدة لقبول إلكترون واحد فتسمى بالذرات القابلة acceptor atoms . عندما يتم الاتحاد تتأين الذرات الواهبة لتكون أيوناً موجباً وتتأين الذرات القابلة لتكون أيوناً سالباً فيتكون من جراء ذلك حقل كهربائي electric field يكون حاجزاً مانعاً لمرور مزيداً من الإلكترونات والفجوات – كما في الشكل (3) – ما لم نستخدم طاقة خارجية ، وتسمى المنطقة الخالية من هذه الشحنات بالمنطقة الفقيرة depletion region أو وصلة PN أو منطقة الشحنة الفراغية space charge region .
الثنائيات الباعثة للضوء Light Emitting Diodes (LED) :
إن الثنائي الباعث للضوء LED هو ببساطة شبه موصل PN ينبعث الضوء منه عندما ينطبق عليه جهد أمامي forward bias أي أن القطب السالب من البطارية يربط في طبقة N والقطب الموجب للبطارية يربط في طبقة P . ينتج عن ذلك أن الإلكترونات ذات الشحنة السالبة تتنافر مع القطب السالب للبطارية فتتجه نحو المنطقة الفقيرة عند الوصلة بين P وN . أما الفجوات فتحقن في منطقة P وتتجه نحو المنطقة الفقيرة عند الوصلة بين P و N أو الإلكترونات ذات الشحنة السالبة في P تنجذب نحو القطب الموجب للبطارية . تتحد الإلكترونات القادمة من طبقة N مع الفجوات القادمة من طبقة P في المنطقة الفقيرة فينتج عن هذا الاتحاد انبعاث طاقة على شكل ضوء أو حرارة تحكمها في ذلك معادلة بلانك حيث أن :
Eg = h*f = h*c/λ
………….(1.1)
أو:
λ = h*c/Eg
………………(1.2)
تقدر طاقة الثغرة energy gap بالجول وطول الموجة λ بالمتر و h هي ثابت بلانك ويساوي S×6.626e-34J أما إذا قدرنا طاقة الثغرة بالإلكترون فولت وطول الموجة بالميكرون فإن المعادلة (1.2) تصبح على الشكل :
λ = 1.24 / Eg
…………..(1.3)
تمتلك المواد المختلفة والسبائك طاقات نطاق ثغرة مختلفة ويبين الجدول المرفق (1.1) المواد الباعثة الشائعة واطوال موجات التشغيل والطاقات التقريبية لنطاق الثغرة ومع مقارنتها مع الأطوال الموجية للألوان الموضح في الجدول المرفق (1.2) يمكن معرفة اللون الخاص بالمادة .
نرى مما سبق إمكانية اختيار الطول الموجي واللون لأشباه الموصلات المصنعة من GaAs و GaP وذلك بتغيير نسب الذرات المكونة ، كما هو موضح في الشكل المرفق (1-5) . إذ يؤدي هذا التغيير إلى تغيير طاقة نطاق الثغرة وكذلك طول موجة الانبعاث حسب المعادلة (1.3) .
الثنائي الباعث للضوء (LED) (التركيب ، الخصائص ، التطبيقات … )
العناصر الباعثة للضوء تولد ضوءاً لدى تعرضها لتيار كهربائي ، وبعبارة أخرى نقول : إنها تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية . ولسنوات عديدة خلت كان المصباح المتوهج ومصباح التفريغ أنبوبي الشكل ( neon ) أكثر المصادر المولدة للضوء في العديد من التطبيقات الكهربائية . يستخدم مصباح التوهج فتيلاً معدنياً يوضع داخل زجاجة خالية من الهواء ، يجري التيار في الفتيل فيسخنه ويتوهج ويولد ضوءاً . يستعمل مصباح التفريغ (النيون) مربطين يوضعان داخل أنبوبة ملئت بالغاز (النيون) ، وفي هذه الحالة يمر التيار بحيث يسري من أحد المرابط إلى الأخر خلال الغاز فيتأين الغاز ويبعث ضوءاً.
يولد المصباح المتوهج كمية لا بأس بها من الضوء ، إلا أن حياته المتوقعة قصيرة إلى حد ما . ويمكن للمصباح النموذجي أن يعيش ما يقارب 5000 ساعة . بالإضافة إلى العمر القصير الذي يتسم به مصباح التوهج ، فإن استجابته للقدرة الكهربائية الداخلية إليه بطيئة . إن مصباح التوهج كان (وما يزال) ملائماً للاستعمال كمؤشر أو من أجل الإنارة ، لكن نظراً لاستجابته البطيئة فلن يغير شدة إضاءته تبعاً للتيارات المتناوبة المتغيرة بسرعة ، لذا لا يمكن استعمال مصباح التوهج بشكل فعال لتحويل الإشارات الكهربائية عالية التردد إلى طاقة ضوئية ملائمة للإرسال عبر الفضاء ، إن الطاقة الضوئية التي يعطيها مصباح التوهج ليست بذي نفع لنقل المعلومات التي قد تستعاد أو تحول ثانية فيما بعد إلى إشارة كهربائية بجهاز حساس للضوء ملائم .
إن لمصباح النيون عمراً متوقعاً أطول إلى حد ما من عمر مصباح التوهج (10000 ساعة في الحالة النموذجية ). إلا أن شدة الضوء الذي يخرج منه أقل بكثير من شدة الضوء الخارج من مصباح التوهج.
مع كل ما يوجد في مصباح التوهج ومصباح التفريغ من قصور ، فقد استخدما لسنوات عديدة لعدم توفر جهاز أفضل يحل محلها . إلا أنه قد تم ومنذ سنوات قليلة ، عنصر باعث للضوء من نمط جديد أحدث انقلابا في حقل الإلكترونيات الضوئية . هذا العنصر الأحدث مصنوع من مواد شبه موصلة ، وهو من الناحية المادية أقوى من المصباحين المصنوعين من الزجاج . وكباقي كل العناصر المصنوعة من أشباه الموصلات ، فان العمر المتوقع لهذا العنصر ليس محدوداً . يعرف هذا العنصر الباعث للضوء كما ذكرنا باسم الثنائي الباعث للضوء ( Light Emitting Diode LED ) .
بنية الثنائي الباعث للضوء ( LED Construction ) :
إن الكثير من الثنائيات الباعثة للضوء مصنوع من زرنيخ الجاليوم (GaAs) . إن الثنائيات الباعثة للضوء LED المصنوعة من هذه المادة تصدر ضوءاً بكفاءة أكبر عند طول موجي يقارب 900nm أو عند تردد 1012 × 333.3 الذي يقع في منطقة تحت الحمراء للطيف الضوئي وهو غير مرئي للعين البشرية . كما تستعمل مواد أخرى مثل فسفيد زرنيخ الجاليوم (GaAsP). الذي يصدر ضوءاً أحمر مرئياً عند طول موجي يساوي 660nm تقريباً وفسفيد الغاليوم(GaP) الذي يولد ضوءاً أخضر مرئياً بطول موجي يساوي 650nm تقرياً . إن الثنائي المصنوع من فسفيد زرنيخ الغاليوم (GaAsP) يقدم مجالاً واسعاً نسبياً من الأطوال الموجية للضوء الممكن أن يخرج من الثنائي وذلك بضبط نسب التركيز للعناصر ، وبهذا يمكننا إصدار ضوء بأي طول موجي يقع ما بين550nm و 910nm تقريباً .
بالرغم من أن ما سبق يساعد على توضيح تشغيل الثنائي الباعث للضوء LED ، إلا أنه لا يبين كيف تم صنع الثنائي . إن بنية ثنائي باعث للضوء LED نموذجي من مادة GaAsP مبينة في الشكل (2-1) فالشكل ( 2-1أ ) يبين مقطعاً عرضياً للثنائي ويبين الشكل (2-1ب) القطعة كاملةً . تبدأ عملية التصنيع بطبقة حاملة substrate من GaAs . ثم تنمى على هذه الطبقة الحاملة طبقة من فسفيد زرنيخ الغاليوم GaAsP . على كل حال إن نسبة تركيز فوسفيد الغاليوم GaP في هذه الطبقة تزاد بصورة تدريجية من الصفر وحتى النسبة المطلوبة . إن هذه الزيادة التدريجية مطلوبة كي لا تتأثر البنية البلورية للطبقة الحاملة . وخلال فترة التنمية هذه تضاف شوائب من النوع N لتجعل الطبقة مادة من النوع N وبعدئذ تطلى الطبقة المنماة بمادة لها صفات عزل خاصة ثم تحفر نافذة في هذه المادة العازلة . تشكل بعد ذلك شائبة من النوع P خلال النافذة وفي داخل الطبقة فتتشكل بذلك الوصلة PN .تجعل الطبقة P رقيقة جداً كي تصبح المسافة قصيرة أمام الفوتونات المتولدة عند أو قرب الوصلة PN فتستطيع بذلك أن تجتاز الطبقة P وتنفذ إلى الخارج .
ويستكمل بناء الثنائي الباعث للضوء LED المصنوع من مادة GaAsP بوصل تماسات كهربائية إلى المنطقة P وإلى قاع الطبقة الحاملة . تجعل منطقة التماس العلوية مكونة من الأصابع الممتدة إلى الخارج بحيث يتوزع التيار بالتساوي خلال العنصر عندما يطبق انحياز أمامي بين التماسات .
في الوقت الذي يكون الثنائي الباعث للضوء قد تم تشكيله ، ينبغي بعدها أن يحمل في عبوة مناسبة . هناك أنواع عديدة من العبوات قد عم استعمالها إلا أن عليها جميعاً أن تحقق مطلباً واحداً مهماً . ينبغي تصميم جميع العبوات بحيث أنها تحسّن من إصدار الضوء من الثنائي الباعث للضوء LED . إن هذا العامل مهم جداً لان الثنائي الباعث للضوء LED لا يصدر إلا قدراً ضئيلاً من الضوء . لذا فإن معظم العبوات تحتوي على جملة عدسات تجمع الضوء الناتج من الثنائي الباعث للضوء LED وتضخمه بصورة فعالة . كما أنه تستعمل أشكال مختلفة من العبوات للحصول على تغييرات في عرض حزمة الضوء أو تغيرات في زاوية الرؤية المسموحة .
يبين الشكل (2-2) عبوة نموذجية لثنائي باعث للضوء LED . وكما يظهر في الشكل ، يشكل جسم العبوة و العدسة قطعة واحدة وقد سبكت من البلاستيك . إن سلكي المهبط والمصعد قد أدخلا في الغلاف البلاستيكي وامتدا للأعلى داخل الرأس الذي أخذ شكل القبة والذي يقوم مقام العدسة . يوصل التماس السفلي في الثنائي الباعث للضوء LED مباشرة إلى سلك المهبط ويوصل التماس العلوي إلى سلك المصعد بواسطة سلك رفيع يلحم في الوضع المناسب .
إن وضع قطعة الثنائي الباعث للضوء LED في هذا الوعاء حرج لان الوعاء يقوم بدور عدسة تنقل الضوء من الثنائي الباعث للضوء LED كما أنها تقوم مقام مضخم للضوء . وفي بعض الحالات سوف تحتوي العدسة البلاستيكية على جزيئات ناعمة تساعد على انتشار الضوء أو إن الوعاء بأكمله قد يصبغ أو يطلى بلون يزيد لون الضوء الطبيعي الذي يبعثه الثنائي الباعث للضوء LED .
تركب عبوة الثنائي الباعث للضوء LED المبينة في الشكل (2-2) بدفع العدسة من خلال ثقب مناسب في قاعدة الثنائي حتى تلج في المكان المعد لها . إن كمية الضوء التي يولدها الثنائي الباعث للضوء LED صغيرة إذا ما قورنت مع أي مصباح توهج . إن معظم الثنائيات الباعثة للضوء LED تولد شدة إضاءة نموذجية لا تزيد عن بضع ملي شمعات ، وهي ضعيفة جداً إذا ما قورنت حتى بضوء لوحة ذي توهج خافت والذي يستطيع أن يولد ضوءاً بشدة أكبر بعدة مرات من ذلك الضوء . ومع ذلك فإن للثنائي الباعث للضوء LED فوائد ومميزات نذكرها على سبيل الاختصار.
مميزات الثنائي الباعث للضوء LED :
أولاً قاسية لدرجة كبيرة (لا يمكن كسرها بسهوله بخلاف المصابيح الصغيرة العادية رقيقة الطبقة ).
تتطلب توترات منخفضة جداً لذا فهي مناسبة للدوائر المتكاملة ، والترانزستورات ، و العناصر الأخرى المصنوعة من أشباه الموصلات .
استهلاكها للطاقة الكهربائية قليل ، كما أن التيار المار في الثنائي الباعث للضوء LED يعتمد عل لونه وبذلك يعتمد على نوع المادة المصنوع منها .
استجابتها للتغيرات في تيار التشغيل سريعة ، لذا فهو مناسب للعمل عند ترددات عالية .
لها قطبية ، أي أن أحد أطرافه سالب والأخر موجب وهو لا يضيء إلا إذا تم توصيل القطبية الصحيحة له وبالجهد المستمر المناسب لإضاءته .
لا تحدث إشعاع أي أن الثنائي لا يصدر حرارة .
ليست غالية الثمن ، إذا ما قورنت بأجهزة التوهج .
يمكن أن تصمم هذه الثنائيات لتبعث لون ضوء معين ، أو مجالاً ضيقاً من الترددات لدى مقارنتها مع مصباح التوهج الذي يصدر ضوءاً أبيض يحتوي على مجال واسع من ترددات الضوء .
إن المساوئ التي تلازم الثنائيات الباعثة للضوء LED (بالإضافة إلى خرج الضوء الضعيف) مشابهة لتلك المساوئ التي تنطبق على الأنواع العديدة من المكونات المصنوعة من أشباه الموصلات ، ومنها أنها يمكن أن تتلف بسهوله إذا ما زاد التوتر أو التيار (عن القيمة العظمى) كما أن قدرة الإشعاع الخارج منها تتعلق بدرجة الحرارة .
استخدامات الثنائيات الباعثة للضوء LED :
يستخدم بكثرة كمصباح يعمل بمجرد ورود الكهرباء لأي جهاز كهربائي للدلالة على أن الجهاز في وضعية التشغيل .
يستخدم في دوائر الوميض .
يستعمل في أجهزة التحكم عن بعد (Remote Control) للتحكم في وظائف الأجهزة الإلكترونية وفي هذه الحالة يكون الثنائي الضوئي المستخدم من النوع المشع للأشعة تحت الحمراء مثل الثنائي الضوئي TIL38 .
يستخدم في دوائر العرض المرئي .
يمكن استخدامه في أجهزة كشف اللصوص (بالأشعة تحت الحمراء) ، إذا ما أحسن إحكام الضوء والتحكم فيه . لان العين البشرية لا تستطيع أن ترى تلك الاشعة والثنائي الضوئي فعال جداً في هذا التطبيق .
يمكن توصيل أي عدد من الثنائيات الضوئية مع بعضها بحيث ترص بجانب بعضها وتوصل أطرافها على شكل شبكة لتشكل شاشة مؤلفة من نقاط ضوئية تعرض عليها أشكال الإشارات الصوتية والذبذبات الموجية أو لتظهر عليها بعض العروض الجذابة .
في أجهزة الاتصالات الضوئية بواسطة ما يعرف بالألياف البصرية ، إن الثنائيات الباعثة للضوء تحت الأحمر تستعمل بشكل واسع مع أجهزة حساسة للضوء كالثنائيات الضوئية أو الترانزستورات الضوئية لتشكل ما يدعى optical coupler .
تستخدم في تطبيقات الليزر المختلفة حيث إنها تعطي حزمة عالية الكثافة من الضوء المترابط كالأشعة تحت الحمراء وبذلك يمكن للحزمة الضوئية أن تمتد لمسافات بعيدة بدون تشتت ملحوظ للحزام الضوئي وهذه خاصية هامة جداً في مجال الاتصالات البعيدة المدى .
