کشف LED آبی جهشی در دنیا

ساخت LED آبی و به‌دنبال آن نور سفید، رؤیایی غیرممکن به‌نظر می‌رسید؛ اما مهندسی ژاپنی با انگیزه‌ی تمام‌نشدنی، این رؤیا را به حقیقت تبدیل کرد. LED آبی از آن جهت اهمیت دارد که می‌توان با آن تمام طیف‌های نور مرئی را ساخت در نتیجه امروزه به لطف کشف دیود نوری آبی رنگ موفق شده‌ایم لامپ‌های کم مصرف LED را جایگزین لامپ‌های پر مصرف گذشته کنیم و همچنین LED آبی رنگ کمک کرده است بتوان نمایشگرهایی با تکنولوژی LED توسعه دهیم که به نوبه خود جهش بزرگی در صنعت نمایشگرها بوده است.

در سال ۱۹۶۲ میلادی، مهندس برق آمریکایی به نام Nick Holonyak نخستین دیود نوری مرئی را ساخت. این LED با رنگ قرمز کم‌رنگ می‌تابید. سال‌ها پس از اختراع LED قرمز‌، مهندسان LED سبزرنگ را ساختند. تا سال‌ها، تنها دیودهای نوری به رنگ قرمز و سبز بود. اگر LED آبی ساخته می‌شد، با ترکیب سه رنگِ آبی، قرمز و سبز، ساخت LED‌هایی به رنگ سفید و رنگ‌های دیگر ممکن بود. بااین‌حال، ساخت LED آبی تقریباً غیرممکن به نظر می‌رسید.

در دهه‌ی ۶۰ میلادی، بسیاری از شرکت‌های مهندسی الکترونیک در سراسر دنیا، مانند IBM، به دنبال ساخت دیود نوری آبی‌رنگ بودند و برای این کار میلیون‌ها دلار هزینه کردند. ساخت این LED، میلیاردها دلار سود برای شرکت سازنده به ارمغان می‌آورد. هزاران پژوهشگر در سراسر دنیا روی این پروژه کار کردند، اما تلاش‌های آن‌ها بی‌فرجام ماند. ۳۰ سال پس از ساخت LED قرمز، تمام امیدها برای جایگزین کردن لامپ‌های معمولی با LED از بین رفت.

دیود نوری از قطعه‌ای نیمه‌رسانا تشکیل شده است که با عبور جریان الکتریکی از آن، نور تابش می‌کند. LED کوچکی را مانند شکل زیر در نظر بگیرید که دو سر آن به منبعی با ولتاژ معین مثلاً باتری متصل شده است. با روشن شدن منبع، LED روشن می‌شود و نوری با رنگ مشخص از خود ساطع می‌کند. پس از عبور جریان الکتریکی از ماده‌ی نیمه‌رسانا در LED، تعداد زیادی فوتون که همان ذرات نور و حامل انرژی الکترومغناطیسی هستند، از آن خارج می‌شوند. حال اگر برعکس عمل کنیم و به LED نور بتابانیم، تعداد زیادی فوتون‌ را به داخل آن می‌فرستیم که با انجام این کار LED ولتاژ بسیار کوچکی تولید می‌کند.

عملکرد دیود و دیود نوری مشابه یکدیگر است و در هر دو، از ماده‌ای نیمه‌رسانا استفاده می‌شود. دیود و دیود نوری پس از عبور جریان الکتریکی، فوتون تابش می‌کنند، اما تنها نور تابیده‌شده از LED در محدوده‌ی نور مرئی قرار می‌گیرد. بنابراین، چشم انسان می‌تواند آن را مشاهده کند.

نور مرئی، طول موجی در محدوده‌ی ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر و هر رنگ، طول موج مشخصی دارد. به عنوان مثال، طول موج نور قرمز برابر با ۷۰۰ نانومتر و طول موج نور آبی برابر با ۴۰۰ نانومتر است. همچنین، موج رادیویی را می‌توانیم به‌عنوان موج فوتونی با طول موجی در حدود سه متر در نظر بگیریم. سیگنال وای‌فای یا پرتوی ایکس نیز موج‌های فوتونی با طول موج‌هایی در حدود ۶ سانتی‌متر و ۰٫۰۱ نانومتر هستند. بااین‌حال، چشم انسان تنها می‌تواند طول موج‌های محدوده‌ی مرئی را ببیند.

عملکرد دیود به این شکل است که پس از تابش فوتون‌ها، گرم می‌شود، اما مقدار گرمای تولیدشده در مقایسه با لامپ‌های معمولی، بسیار کمتر است. بنابراین، دیودهای نوری می‌توانند جایگزین بسیار مناسبی برای لامپ‌های معمولی باشند، زیرا این لامپ‌ها پس از روشن شدن، گرمای بسیار زیادی تولید می‌کنند و در نتیجه میزان زیادی از انرژی به دلیل گرما هدر می‌رود. الکترون‌ها در لامپ معمولی به هنگام حرکت در سیم به اتم‌ها برخورد می‌کنند. از گرمای بسیار زیاد تولیدشده در اثر این برخورد، نور مرئی ایجاد می‌شود. به‌عبارت دیگر، در لامپ‌های معمولی برای تولید نور، ابتدا باید گرما ایجاد شود، اما LED برای تولید نور، نیازی به تولید گرما ندارد.

در ساخت نیمه رساناها از سیلیکون استفاده می‌شود. سیلیکون به صورت پیشفرض نارسانا است ولی با اعمال ولتاژ تبدیل به رسانا می‌شود. سیلیکون با اعمال ولتاژ نوری که ساطع می‌کند در طول موج نامرئی است و مناسب استفاده برای LED نیست؛ بنابراین از سه ترکیب عنصر گالیوم، آرسنیک و فسفر جهت ساخت نیمه رسانای LED استفاده شد که این ترکیب توانست نیمه رسانایی درست کند که با اعمال ولتاژ، طول موجی از رنگ قرمز تا رنگ سبز و زرد را تولید کند که با تغییر میزان این عناصر امکان تغییر رنگ LED وجود داشت. ولی ساخت LED با رنگ آبی به این دلیل سخت بود که فوتون‌های نور آبی انرژی بیشتری دارند در نتیجه، نیمه‌رسانای استفاده‌شده برای تولید نور آبی باید انرژی گافِ بزرگ‌تری داشته باشد. ساخت LED آبی به کریستالی با کیفیت بسیار بالا نیاز دارد. کریستال با کیفیت بالا، کریستالی است که تقریباً هیچ ناخالصی‌ای نداشته باشد. کمترین ناخالصی بر عبور الکترون‌ها تأثیر می‌گذارد. در این حالت، الکترون‌ها به‌جای تابش فوتون‌های نور مرئی،‌ با برخورد به ناخالصی، گرما تولید می‌کنند. در آن زمان مشخص شده بود که سلنید روی و نیترید گالیوم دو ماده‌ای هستند که پتانسیل ساخت LED آبی رنگ را دارند؛ ولی تلاش پژوهشگران هر بار بی نتیجه می‌ماند و در آخر ناکامورا با انجام آزمایش‌های مختلف به تریکبی دست یافت که توانست نور آبی رنگ را با بازدهی پایین تولید کند و تلاش مستمر او در نهایت منجر به بهتر شدن نتایج و تولید دیودهای آبی رنگ امروزی شد که از هر نظر پاسخگو بوده و صنایع مختلف را دستخوش تغییر کرد.

منبع