ایل ای ڈی کیسے کام کرتی ہے؟
جدید زندگی کے بہت سے پہلوؤں میں استعمال ہونے کے باوجود، جیسے کہ ہمارے گھروں کو روشن کرنا، اسمارٹ فون کی اسکرینوں کو طاقت دینا، اور ٹریفک کو ہدایت کرنا، روشنی-اخراج کرنے والے ڈائیوڈز (LEDs) اپنی جدید ترین سیمی کنڈکٹر فزکس کی وجہ سے زیادہ روایتی لائٹنگ ٹیکنالوجیز جیسے تاپدیپت یا فلوروسینٹ بلب سے مختلف ہیں۔ایل ای ڈیالیکٹرو لومینیسینس کے نام سے جانا جاتا ایک عمل استعمال کریں، جو کہ فوٹون (روشنی کے ذرات) کا اخراج ہے جب خصوصی طور پر بنائے گئے سیمی کنڈکٹر مواد سے برقی رو بہہ رہی ہے۔ یہ تاپدیپتوں کے برعکس ہے، جو فلیمینٹ کو گرم کرکے روشنی پیدا کرتے ہیں، یا فلوروسینٹ، جو گیس اور UV تابکاری کا استعمال کرتے ہیں۔ ہمیں سب سے پہلے سیمی کنڈکٹرز کے بنیادی اصولوں، ایل ای ڈی کے ڈیزائن، اور ترتیب وار طریقہ کار کا جائزہ لینا چاہیے جو بجلی کو مرئی روشنی میں تبدیل کرتا ہے تاکہ یہ سمجھ سکیں کہ ایسا کیسے ہوتا ہے۔
بنیاد: توانائی اور سیمی کنڈکٹرز کے بینڈ
ہر ایل ای ڈی ایک سیمی کنڈکٹر سے چلتی ہے، ایک ایسا مادہ جو بجلی چلاتا ہے کنڈکٹرز (جیسے تانبے) سے کم لیکن انسولیٹر (جیسے شیشے) سے بہتر۔ الیکٹران انرجی بینڈز-توانائی کے وہ علاقے جن پر الیکٹران قبضہ کر سکتے ہیں-ایک سیمی کنڈکٹر کے مخصوص رویے کے لیے ضروری ہیں۔ الیکٹران تمام مواد میں الگ الگ توانائی کی سطح رکھتے ہیں، لیکن ٹھوس میں، یہ سطحیں مل کر دو بڑے بینڈ بناتی ہیں: کنڈکشن بینڈ اور والینس بینڈ۔
مادے کے ایٹموں کو ایک کرسٹل کی ساخت میں ویلنس بینڈ میں الیکٹرانوں کے ذریعہ ایک ساتھ رکھا جاتا ہے، جو ایٹموں سے مضبوطی سے جڑے ہوتے ہیں۔ برقی چالکتا کنڈکشن بینڈ میں موجود الیکٹرانوں کی وجہ سے ممکن ہوئی ہے، جو مادہ کے ذریعے بہنے کے لیے آزاد ہیں۔ بینڈ گیپ، توانائی کی ایک رینج جس میں الیکٹران نہیں رہ سکتے، ان دو بینڈوں کے درمیان موجود ہے۔ مواد کے بینڈ گیپ کا سائز اس بات کا تعین کرتا ہے کہ آیا یہ ایک انسولیٹر، کنڈکٹر، یا سیمی کنڈکٹر ہے: سیمی کنڈکٹرز میں ایک چھوٹا، قابل پیمائش بینڈ گیپ ہوتا ہے (الیکٹران توانائی کے چھوٹے ان پٹ سے، برقی کرنٹ کی طرح خلا کو عبور کر سکتے ہیں)، کنڈکٹرز کے پاس کوئی بینڈ گیپ نہیں ہوتا ہے (الیکٹران بینڈ کے درمیان آزادانہ طور پر حرکت کرتے ہیں)، اور انسولیٹروں کو الیکٹرو کنڈکٹر کے لیے بہت مشکل ہوتا ہے۔ بینڈ)۔
ایل ای ڈی میں استعمال ہونے والا سیمی کنڈکٹر "ڈوپڈ" ہوتا ہے، جو ایک ایسا طریقہ کار ہے جو نجاست کی ٹریس مقدار کو شامل کرکے مواد کی برقی خصوصیات کو تبدیل کرتا ہے۔ n-قسم اور p-قسم کے سیمی کنڈکٹرز دونوں ڈوپنگ سے تیار ہوتے ہیں۔ جب اضافی الیکٹران والے عناصر، جیسے کہ فاسفورس، کو N- قسم کے سیمی کنڈکٹرز میں ڈوپ کیا جاتا ہے، تو وہ کنڈکشن بینڈ میں حرکت کرنے کے لیے آزاد ہو جاتے ہیں اور مواد کو خالص منفی چارج دیتے ہیں۔ کم الیکٹران والے عناصر، جیسے بوران، P-قسم کے سیمی کنڈکٹرز کو ڈوپ کرنے کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ اس کے نتیجے میں ویلنس بینڈ میں "سوراخ" یا الیکٹران غائب ہوتے ہیں، جو مثبت چارجز کے طور پر کام کرتے ہیں اور الیکٹران کے بھرنے کے ساتھ ہی مواد سے گزر سکتے ہیں۔ ایک ایل ای ڈی p-جنکشن کی وجہ سے کام کرتا ہے، جو ان دو ڈوپڈ ریجنز کا سنگم ہے۔
ایل ای ڈی کا ڈھانچہ: لائٹ آؤٹ پٹ سے پی-جنکشن تک
ایل ای ڈی کا سیدھا سادہ لیکن درست ڈیزائن توانائی کے نقصان کو کم کرتے ہوئے روشنی کی پیداوار کو زیادہ سے زیادہ کرتا ہے۔ اس کا پی-جنکشن سیمی کنڈکٹر مواد کی ایک پتلی پرت میں واقع ہے، عام طور پر گیلیم-کی بنیاد پر، جیسے گیلیم آرسنائیڈ یا گیلیم نائٹرائڈ۔ سبسٹریٹ، ایک فاؤنڈیشن میٹریل جو گرمی کی کھپت میں مدد اور مدد فراہم کرتا ہے، جہاں یہ سیمی کنڈکٹر پرت منسلک ہوتی ہے۔ یہ ضروری ہے کیونکہ زیادہ گرمی ایل ای ڈی کی عمر کو کم کر سکتی ہے۔
ایک الیکٹروڈ p-قسم کے علاقے (انوڈ، ایک مثبت ٹرمینل) سے منسلک ہوتا ہے اور دوسرا n- قسم کے علاقے (کیتھوڈ، ایک منفی ٹرمینل) سے سیمی کنڈکٹر پرت کے اوپر ہوتا ہے۔ ایک الیکٹرک فیلڈ p-n جنکشن پر پیدا ہوتی ہے جب ان الیکٹروڈز (کیتھوڈ منفی اور انوڈ مثبت ہوتا ہے) میں وولٹیج فراہم کیا جاتا ہے۔ n-قسم کے سیمی کنڈکٹر کے مفت الیکٹران اس فیلڈ کے ذریعے جنکشن کی طرف دھکیلتے ہیں، جبکہ p-قسم کے سیمی کنڈکٹر کے سوراخ اسی سمت میں کھینچے جاتے ہیں۔
p-جنکشن پر پیدا ہونے والی روشنی کے فرار ہونے کے لیے، سیمی کنڈکٹر کی پرت شفاف یا نیم-شفاف (یا ایک طرف عکاسی کرنے والی پرت ہونی چاہیے)۔ جدیدایل ای ڈیگیلیم نائٹرائڈ (GaN) جیسے مواد کو استعمال کرتے ہیں، جو نظر آنے والی روشنی کے لیے شفاف ہوتے ہیں اور اس بات کی ضمانت دیتے ہیں کہ فوٹان کی اکثریت سطح تک پہنچ جاتی ہے، ابتدائی ایل ای ڈی کے برعکس، جو اکثر مبہم سیمی کنڈکٹر مواد استعمال کرتے ہیں جو روشنی کی پیداوار کو محدود کرتے ہیں۔ سیمی کنڈکٹر کا پی-جنکشن وہ جگہ ہے جہاں پرائمری لائٹ جنریشن کا عمل ہوتا ہے، حالانکہ کچھ ایل ای ڈی میں روشنی کو فوکس کرنے یا اس کا رنگ تبدیل کرنے کے لیے لینس یا کوٹنگ بھی ہوتی ہے۔
مرحلہ 1: الیکٹران کا استعمال کرنا-ہول دوبارہ ملانا اور وولٹیج
ایل ای ڈی کے الیکٹروڈز کو دیا جانے والا ایک بیرونی وولٹیج روشنی کے اخراج کے عمل کو آگے بڑھاتا ہے، جو کہ ایل ای ڈی کے لیے کرنٹ کے بہاؤ کی صحیح سمت ہے۔ایل ای ڈیکام کرنے کے لئے؛ دوسری طرف ریورس بائیس کرنٹ کو روکتا ہے اور روشنی پیدا نہیں کرتا ہے۔ n-ٹائپ ایریا سے مفت الیکٹران p-قسم کے علاقے میں تیز ہو جاتے ہیں، اور p-قسم کے علاقے سے سوراخ n-ٹائپ ریجن میں p-n جنکشن پر برقی فیلڈ کے ذریعے تیز ہو جاتے ہیں جب فارورڈ بائیس لاگو ہوتا ہے۔
یہ الیکٹران اور سوراخ بالآخر p-جنکشن پر یا اس کے قریب آتے ہیں جب وہ ایک ہی سمت میں سفر کرتے ہیں۔ n-قسم کے علاقے کے کنڈکشن بینڈ سے ایک آزاد الیکٹران سوراخ میں "گرتا ہے" جب یہ p- قسم کے علاقے کے والینس بینڈ کے سوراخ سے ٹکراتا ہے، کنڈکشن بینڈ میں اعلی توانائی کی حالت سے والینس بینڈ میں کم توانائی کی سطح میں تبدیل ہوتا ہے۔ الیکٹران اور سوراخ اس منتقلی کے دوران ایک دوسرے کو منسوخ کر دیتے ہیں، جسے دوبارہ ملاپ کے نام سے جانا جاتا ہے، اور وہ جو اضافی توانائی کھو دیتے ہیں وہ فوٹوون کے طور پر خارج ہوتی ہے۔
سیمی کنڈکٹر کے بینڈ گیپ کا سائز اس فوٹون کی توانائی کو براہ راست متاثر کرتا ہے، جو روشنی کو اپنا رنگ دیتا ہے۔ ایک اعلی توانائی والا فوٹون (اور ایک چھوٹی طول موج، جیسے نیلی یا بنفشی روشنی) اس وقت بنتا ہے جب ایک الیکٹران ایک سوراخ کے ساتھ دوبارہ جوڑتا ہے اور وسیع بینڈ گیپ کی وجہ سے زیادہ توانائی کھو دیتا ہے۔ ایک لمبی طول موج والا فوٹوون، جیسے سرخ یا نارنجی روشنی، اور کم توانائی ایک چھوٹے بینڈ گیپ سے پیدا ہوتی ہے۔
مثال کے طور پر:
اس کے تنگ بینڈ گیپ کی وجہ سے، گیلیم آرسنائیڈ (GaAs) تقریباً 650 nm کی طول موج کے ساتھ سرخ روشنی خارج کرتا ہے۔ اس کے وسیع بینڈ گیپ کی وجہ سے، گیلیم نائٹرائڈ (GaN) تقریباً 450 nm کی طول موج کے ساتھ نیلی یا بنفشی روشنی خارج کرتا ہے۔
مینوفیکچررز مختلف سیمی کنڈکٹر مواد (جیسے گیلیم انڈیم نائٹرائڈ، یا InGaN) کو ملا کر سبز، پیلی، یا یہاں تک کہ سفید روشنی پیدا کرنے والے ایل ای ڈی تیار کرنے کے لیے بینڈ گیپ کو تبدیل کر سکتے ہیں (ذیل میں سفید ایل ای ڈی پر مزید)۔
مرحلہ 2: کارکردگی اور روشنی نکالنا
دوبارہ ملاپ سے پیدا ہونے والے کچھ فوٹان خود سیمی کنڈکٹر مواد سے جذب ہو جاتے ہیں، جبکہ دیگر الیکٹروڈ یا p{0}}جنکشن سے منعکس ہوتے ہیں اور حرارت کے طور پر جاری ہوتے ہیں۔ یہ تمام فوٹون نہیں چھوڑتےایل ای ڈینظر آنے والی روشنی کے طور پر۔ ایل ای ڈی ڈیزائنرز کارکردگی کو بہتر بنانے کے لیے "روشنی نکالنے" کو بڑھانے کے لیے متعدد حکمت عملی اپناتے ہیں:
سبسٹریٹس جو شفاف ہیں: روشنی کی اکثریت ابتدائی ایل ای ڈی میں استعمال ہونے والے مبہم سبسٹریٹس (جیسے جرمینیم) کے ذریعے پھنس گئی تھی۔ شفاف سبسٹریٹس، جیسے کہ سلکان کاربائیڈ یا نیلم، جدید ایل ای ڈی میں استعمال ہوتے ہیں تاکہ فوٹون کو سطح تک پہنچ سکے۔
بناوٹ والی سطحیں: مواد میں واپس منعکس ہونے والی روشنی کی مقدار کو کم کرنے کے لیے، سیمی کنڈکٹر کی سطح کو اکثر منٹوں کے نمونوں، جیسے کہ ٹکرانے یا نالیوں سے کھینچا جاتا ہے۔ اس زاویے کو تبدیل کرنے سے جس پر روشنی سطح سے ٹکراتی ہے، اس سے یہ امکان بڑھ جاتا ہے کہ یہ واپس اچھالنے کی بجائے فرار ہو جائے گا۔
عکاس پرتیں: سیمی کنڈکٹر کا پچھلا حصہ عکاسی کی ایک پتلی تہہ سے ڈھکا ہوتا ہے، جو اکثر دھاتوں جیسے ایلومینیم یا چاندی پر مشتمل ہوتا ہے۔ یہ تہہ روشنی کی مقدار کو بڑھاتی ہے جو ایل ای ڈی سے نکلتی ہے فوٹون کی عکاسی کرتے ہوئے جو بصورت دیگر ایل ای ڈی کے اگلے حصے کی طرف سبسٹریٹ کے ذریعے ضائع ہو جاتی ہے۔
اگرچہ تاپدیپت روشنیوں کے مقابلے میں بہت کم ہے، ان ترقیوں کے باوجود کچھ توانائی گرمی کے طور پر ضائع ہوتی ہے۔ LEDs میں حرارت کے طور پر صرف 10-25% توانائی ضائع ہوتی ہے، 75-90% توانائی روشنی میں تبدیل ہو جاتی ہے، جب کہ incandescents میں یہ 90-95% ہے۔ اپنی بہترین کارکردگی کی وجہ سے، LEDs روایتی لائٹس کے مقابلے میں بہت کم توانائی استعمال کرتی ہیں۔
سفید ایل ای ڈی کیسے کام کرتی ہیں: ایک انوکھی صورتحال
ایل ای ڈیز کی اکثریت صرف ایک رنگ، یا یک رنگی روشنی خارج کرتی ہے، لیکن سفید ایل ای ڈی، جو ہیڈلائٹس، ٹی وی اور گھر کی روشنی میں استعمال ہوتی ہیں، کو ایک مختلف حکمت عملی کی ضرورت ہے کیونکہ بینڈ گیپ کے ساتھ کوئی سیمی کنڈکٹر مواد نہیں ہے جو براہ راست سفید روشنی پیدا کرے۔ بلکہ، سفید ایل ای ڈی دو بنیادی تکنیکوں میں سے ایک کو استعمال کرتے ہیں:
فاسفورس کی تبدیلی: ایک نیلاایل ای ڈی(گیلیم نائٹرائڈ سے بنا) زرد فاسفور سے ڈھکا ہوا ایک مادہ جو ایک طول موج کی روشنی کو جذب کرتا ہے اور دوسری کی روشنی خارج کرتا ہے-سب سے مشہور تکنیک میں استعمال کیا جاتا ہے۔ فاسفر نیلے ایل ای ڈی سے خارج ہونے والے کچھ نیلے فوٹونز کو جذب کر لیتا ہے اور دوبارہ پیلے رنگ کے فوٹونز کا اخراج کرتا ہے۔ ہماری آنکھیں بچ جانے والے نیلے فوٹون کو سفید روشنی سے تعبیر کرتی ہیں جب وہ پیلے فوٹون کے ساتھ مل جاتے ہیں۔ مینوفیکچررز رنگ کے درجہ حرارت، یا سفید روشنی کی "گرمی" یا "ٹھنڈک" کو تبدیل کرنے کے لیے کوٹنگ میں سرخ یا سبز فاسفورس کی ٹریس مقدار شامل کرتے ہیں۔ مثال کے طور پر، اضافی نیلی روشنی شامل کرنے سے ٹھنڈی سفید روشنی (5,000K–6,500K) پیدا ہوتی ہے، جب کہ سرخ فاسفر کو شامل کرنے سے گرم سفید روشنی (2,700K–3,000K) پیدا ہوتی ہے۔
RGB مکسنگ: یہ کم مقبول تکنیک تین مختلف LEDs-سرخ، سبز اور نیلے-کو ایک پیکیج میں یکجا کرتی ہے۔ تینوں رنگ ہر ایل ای ڈی کی چمک کو مختلف کرکے سفید روشنی (یا کوئی اور نظر آنے والا سپیکٹرم ہیو) بنانے کے لیے یکجا ہوتے ہیں۔ اگرچہ یہ تکنیک فاسفر کی تبدیلی سے زیادہ مہنگی ہے، لیکن اس کا استعمال ایسے حالات میں کیا جاتا ہے جن میں رنگوں کے عین مطابق انتظام کی ضرورت ہوتی ہے، جیسے کہ اسٹیج لائٹنگ یا ہائی-اینڈ ڈسپلے۔
ایل ای ڈی اور روایتی لائٹنگ کے درمیان فرق
یہ جاننا کہ ایل ای ڈی کس طرح کام کرتے ہیں یہ دیکھنا آسان بناتا ہے کہ وہ تقریباً ہر زمرے میں فلوروسینٹ اور تاپدیپت بلب سے بہتر کارکردگی کا مظاہرہ کیوں کرتے ہیں:
توانائی کی کارکردگی: ایل ای ڈی الیکٹرو لومینیسینس کا استعمال کرتے ہیں، جو قدرتی طور پر موثر ہے۔ تاپدیپتوں کے برعکس، جو فلیمینٹ کو گرم کرنے میں توانائی خرچ کرتے ہیں، فلوروسینٹ UV تابکاری پیدا کرنے والی توانائی کو ضائع نہیں کرتے۔
لمبی عمر: ایل ای ڈی آسانی سے نہیں جلتے کیونکہ ان میں کوئی حرکت پذیر پرزہ یا نازک تنت نہیں ہوتا ہے۔ انکینڈسنٹ کے برعکس، جن کی عمر 1,000-2,000 گھنٹے ہوتی ہے، LEDs کی عمر 50,000-100,000 گھنٹے ہوتی ہے کیونکہ وقت کے ساتھ ساتھ سیمی کنڈکٹر مواد کے انتہائی بتدریج انحطاط کی وجہ سے۔
فوری آن/آف: فلوروسینٹ کے برعکس، جنہیں مکمل طور پر روشن ہونے میں چند سیکنڈز درکار ہوتے ہیں، ایل ای ڈی کا کوئی گرم-وقت نہیں ہوتا ہے اور وہ فوری طور پر پوری چمک کے لیے چالو ہو جاتے ہیں۔
استحکام: کیونکہایل ای ڈیٹھوس-اسٹیٹ الیکٹرانکس ہیں، وہ جھٹکے، کمپن، اور زیادہ درجہ حرارت کو برداشت کر سکتے ہیں، جو انہیں بیرونی ایپلی کیشنز یا سخت ترتیبات (جیسے آٹوموبائل یا فیکٹریوں) کے لیے بہترین بناتا ہے۔
ایل ای ڈی ٹیکنالوجی کا مستقبل
نئی پیش رفت ایل ای ڈی ٹیکنالوجی کی صلاحیت کو بڑھا رہی ہے کیونکہ محققین اور انجینئرز اسے بہتر بنا رہے ہیں۔ مثال کے طور پر:
کیو ایل ای ڈی، یا کوانٹم ڈاٹ ایل ای ڈی: یہ کوانٹم ڈاٹس، جو چھوٹے سیمی کنڈکٹر ذرات ہوتے ہیں، استعمال کرکے چمک اور رنگ کی درستگی کو بہتر بناتے ہیں۔ محققین عام روشنی کے لیے QLEDs کو مزید توانائی-بنانے کی کوشش کر رہے ہیں، اور یہ فی الحال اعلی-ٹی وی میں پائے جاتے ہیں۔
مائیکرو ایل ای ڈی: یہ ناقابل یقین حد تک چھوٹے ایل ای ڈیز، جو کہ صرف چند مائیکرو میٹرز پر ہیں، لچکدار روشنی یا اعلی- ریزولوشن اسکرینز بنانے کے لیے گھنے صفوں میں گروپ کیے جا سکتے ہیں۔ مستقبل کے سمارٹ فونز اور ٹی وی OLEDs کی بجائے مائیکرو ایل ای ڈی استعمال کریں گے کیونکہ ان کی طویل عمر اور بہتر پیداوار ہے۔
پیرووسکائٹ ایل ای ڈی: روایتی گیلیم پر مبنی مواد کے مقابلے میں، پیرووسکائٹ ایک نئی قسم کا سیمی کنڈکٹر مواد ہے جس کی پیداوار کم مہنگی ہے۔ محققین تجارتی استعمال کے لیے پیرووسکائٹ ایل ای ڈی کے استحکام کو بڑھانے کی کوشش کر رہے ہیں کیونکہ انھوں نے روشن، موثر روشنی فراہم کرنے کے وعدے کا مظاہرہ کیا ہے۔
آخر میں
ایل ای ڈییہ ایک ڈوپڈ سیمی کنڈکٹر سے بنی ہوئی انتہائی سادہ ڈیوائسز ہیں جن میں ap-n جنکشن ہے جو برقی توانائی کو روشنی میں تبدیل کرنے کے لیے الیکٹران-ہول کے دوبارہ مجموعہ کا استعمال کرتا ہے۔ وہ اب تک تیار کی گئی سب سے زیادہ موثر اور قابل اطلاق لائٹنگ ٹیکنالوجیز میں سے ہیں، لیکن ان کی سادگی ان کی تعمیر کی پیچیدگی کو چھپا دیتی ہے، جس میں روشنی نکالنے کی انجینئرنگ سے لے کر بینڈ گیپ کے عین مطابق ضابطے تک سب کچھ شامل ہے۔ یہ جاننا کہ ایل ای ڈی کس طرح کام کرتی ہے ہمیں دونوں جدید ترین سائنس کو سمجھنے کی اجازت دیتی ہے جو ان کے ساتھ ساتھ ان کے مفید فوائد (طویل عمر، سستی توانائی کے اخراجات) کو سمجھتی ہے۔ جیسے جیسے LED ٹیکنالوجی مزید ترقی کرتی ہے، یہ ممکنہ طور پر توانائی کے عالمی استعمال کو کم کرنے، موسمیاتی تبدیلیوں کو روکنے، اور مستقبل میں روشنی کے ڈیزائن کو متاثر کرنے میں اور بھی زیادہ تعاون کرے گی-یہ ظاہر کرتی ہے کہ بعض اوقات انتہائی اہم کامیابیاں سب سے بنیادی سائنسی اصولوں سے آتی ہیں۔
شینزین بینوی لائٹنگ ٹیکنالوجی کمپنی، لمیٹڈ
ٹیلی فون: +86 0755 27186329
موبائل (+86)18673599565
واٹس ایپ: 19113306783
ای میل:bwzm15@benweilighting.com
اسکائپ:benweilight88
ویب:www.benweilight.com
