หลอด LED

ปัจจุบันเชื่อว่าหลายคนคงจะเคยได้ยินคำว่า LED ผ่านหูผ่านตากันไม่มากก็น้อย เมื่อพูดถึง LED หลายคนก็นึกถึงโทรทัศน์, จอคอมพิวเตอร์, และบางคนก็อาจจะนึกถึงหลอดไฟ ทว่า LED จริงๆ แล้วคืออะไร ในบทความนี้จะพาผู้อ่านไปไขข้อข้องใจกัน

หลอด LED

(ที่มา : http://www.rmutphysics.com/charud/howstuffwork/led/thaiLED.htm)

        LED ย่อจาก  Light  emiiting diodes  มีให้เห็นได้ทั่วไปในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์  บางครั้งคุณเห็นได้ในนาฬิกาดิจิตอล   รีโมทคอนโทล  หน้าปัดอุปกรณ์ไฟฟ้า โทรทัศน์จัมโบ้   หรือแม้แต่ไฟจราจรตามสี่แยกเป็นต้น

หลอด  LED

    ที่จริงแล้วหลอด  LED  คือหลอดไฟขนาดเล็ก  แต่มีหลักการทำงานแตกต่างจากหลอดไฟมีไส้  เพราะว่าไม่มีการเผาไส้หลอด  ด้งนั้น หลอด  LED  จึงไม่เกิดความร้อน  แสงสว่างเกิดขึ้นจากการเคลื่อนของอิเล็กตรอนภายในสารกึ่งตัวนำ  ซึ่งเป็นวัสดุแบบเดียวกับที่ใช้ในการทำทรานซิสเตอร์
     ฟิสิกส์ราชมงคลจะเข้าไปอธิบายพื้นฐาน  และหลักการทำงานของหลอดไฟที่ไม่มีความร้อนนี้ ว่าเป็นอย่างไร

ไดโอดคืออะไร

    ไดโอดเป็นวัสดุสารกึ่งตัวนำ ที่เราสามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติการนำไฟฟ้าของมันได้   ปกติวัสดุสารกึ่งตัวนำเป็นตัวนำไฟฟ้าที่เลว  ถ้าเราใส่สารเจือปนเข้าไป  เราสามารถควบคุมการนำไฟฟ้าให้มากหรือน้อยได้   เราเรียกวิธีนี้ว่า  การโดปปิ้ง  (doping) 
     ส่วนใหญ่หลอด  LED  ใช้สาร  อลูมิเนียมกัลเลียม อาร์เซไนล์  ( alumnium-gallium-arsenide ) ย่อเป็น  AlGaAs  เป็นสารกึ่งตัวนำ ถ้ายังไม่ได้ใส่สารเจือปน  พันธะในอะตอมจะเกาะกันอย่างแข็งแรง  ไม่มีอิเล็กตรอนอิสระ  (  ประจุไฟฟ้าลบ) หรือมีอยู่น้อย  ดังนั้นมันจึงไม่ค่อยจะนำกระแส   แต่เมื่อทำการโดป  โดยการเติมสารเจือปน  ทำให้ความสมดุลของวัสดุเปลี่ยนไป 
      เมื่อเราใส่สารเจือปนแล้วทำให้อิเล็กตรอนอิสระในสารกึ่งตัวนำเพิ่มขึ้น   เรียกว่าสารประกอบชนิด  N    ส่วนสารกึ่งตัวนำที่ใส่สารเจือปนแล้ว มีประจุไฟฟ้าบวกหรือมีหลุมและ โฮลเพิ่มขึ้น   เรียกว่าสารประกอบชนิด  P    โฮล (hole) ในภาษาอังกฤษมีความหมายว่าหลุม  โดยเปรียบอิเล็กตรอนอิสระได้กับลูกหิน และปรจุบวกเป็นหลุมหรือโฮล ที่ลูกหินจะไหลมาตกนั่นเอง
      ไดโอดเกิดจากการนำสารกึ่งตัวนำชนิด  N  ติดเข้ากับสารกึ่งตัวนำชนิด  P   เชื่อมสายไฟเข้ากับขั้วไฟฟ้าทั้งสอง    เมื่อยังไม่มีการให้แรงดันไฟฟ้า  อิเล็กตรอนอิสระจาก  N  จะเคลื่อนที่ข้ามรอยต่อไปที่ P   เกิดโซนดีพลีชั่น (depletion)  ขึ้น  โซนนี้เปรียบเทียบได้กับกำแพงป้องกันการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ถ้าโซนนี้มีขนาดใหญ่ขึ้น การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระจะยากขึ้น    และอาจทำให้อิเล็กตรอนหยุดการเคลื่อนที่ได้  อย่างไรก็ตามถ้าควบคุมให้โซนนี้เล็กลง การเคลื่อนที่ก็จะง่ายขึ้น  

อิเล็กตรอนอิสระจาก  N  เคลื่อนที่ข้ามรอยต่อไปลงหลุมที่ P   ทำให้เกิดโซนดีพลีชั่น เป็นฉนวนกั้นการไหลของอิเล็กตรอน

      เพื่อจะทำให้อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ผ่านโซนนี้ได้ง่ายขึ้น  เราต้องทำให้โซนนี้แคบลง  โดยการต่อขั้ว  N  ของไดโอดเข้ากับขั้วลบของแบตเตอรี่   และขั้วบวกเข้ากับขั้ว P   ทำให้อิเล็กตรอนอิสระใน N ถูกดันด้วยแรงดันทางไฟฟ้า  ส่วนโฮลขั้ว P  จะถูกดันด้วยแรงทางไฟฟ้าเช่นเดียวกัน    ถ้าเราให้แรงดันทางไฟฟ้ามากพอ โซนนี้จะแคบจนหายไป  และอิเล็กตรอนอิสระสามารถเคลื่อนที่ผ่านรอยต่อได้อย่างง่ายดาย  เหมือนกับไม่มีแรงเสียดทาน หรือความต้านทาน

      

เมื่อต่อขั้วลบของแบตเข้ากับ N  และขั้วบวกเข้ากับ P  ทำให้อิเล็กตรอนอิสระสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ  เหมือนกับไม่มีความต้านทาน

     ในทางกลับกัน  ถ้าคุณต่อขั้วลบเข้ากับ P  และขั้วบวกเข้ากับ N   การไหลของอิเล็กตรอนจะเป็นไปได้ยาก เพราะการเคลื่อนที่เป็นไปในทิศทางตรงกันข้าม  โซนดีพลีชั่นจะหนาขึ้น  เป็นกำแพงกั้นการไหลของกระแสไฟฟ้า

เมื่อต่อขั้วบวกของแบตเข้ากับ N  และขั้วลบเข้ากับ P โซนดีพลีชั่นมีขนาดกว้างขึ้น   อิเล็กตรอนและโฮลไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ

     การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระและโฮล เป็นสาเหตุให้เกิดแสงขึ้นแต่มันเกิดขึ้นได้อย่างไรละ   ในหน้าถัดไปเรามาดูกัน

ไดโอดให้แสงได้อย่างไร

    cแสงเกิดขึ้นจากพลังงานที่ปลดปล่อยจากอะตอม   แสงเป็นโฟตรอนที่มีพลังงานและโมเมนตัม  ดังนั้นจึงเป็นอนุภาคชนิดหนึ่ง  แต่ว่าน่าแปลกที่นักวิทยาศาสตร์บอกว่าไม่มีมวล
      ภายในอะตอม อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียส  และมีวงโคจรหลายวง  แต่ละวงมีพลังงานแตกต่างกัน   วงนอกมีพลังงานมากกว่าวงใน  ถ้าอะตอมได้รับพลังงานจากภายนอก  อิเล็กตรอนจะกระโดดจากวงโคจรในออกสู่วงโคจรนอก  ในทางกลับกัน   ถ้าอิเล็กตรอนกระโดดจากวงโคจรนอกเข้าสู่วงโคจรใน  มันจะปลดปล่อยพลังงานออกมา  และพลังงานนี้ก็คือแสงนั้นเอง
     ขณะที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านรอยต่อไปที่โฮลของสาร  P  อิเล็กตรอนจะตกจากวงโคจรสูง หรือแถบนำไฟฟ้า  ไปสู่วงโคจรต่ำหรือแถบวาเลนซ์    มันจะปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของโฟตรอน   ปรากฎการณ์นี้เกิดขึ้นกับไดโอดทุกชนิด    แต่คุณสามารถเห็นแสงได้ก็ต่อเมื่อ  ความถี่ของพลังงานอยู่ในช่วงความถี่ที่ตามองเห็นได้   ดังเช่นไดโอดที่ทำจากซิลิคอน  ซึ่งมีช่วงของแถบพลังงานแคบ  ทำให้ได้โฟตรอนความถี่ต่ำ  เป็นความถี่ที่ตามองเห็นได้  อย่างไรก็ตาม ความถี่ที่ตามองไม่เห็นก็มีประโยชน์ไม่น้อย ยกตัวอย่างเช่น  ช่วงอินฟาเรด สามารถนำไปใช้ในเครื่องควบคุมระยะไกลหรือรีโมทคอนโทรล เป็นต้น

 visible  light-emitting  dioded (VLEDS) หรือหลอด LED  ที่ให้กำเนิดแสงในช่วงที่ตามองเห็น   ในรูปภาพคุณสามารถใช้เมาส์คลิกดูการกำเนิดของแสงได้

     เมื่อไดโอดให้แสงออกมาแล้ว  ถ้าเราไม่ควบคุมทิศทาง แสงจะกระจัดกระจาย  และวิ่งออกมาอย่างไม่เป็นระเบียบ  ทำให้ความเข้มของแสงน้อยลง ดังนั้นในหลอด LED  เราจะใช้พลาสติกหุ้ม  และเอียงให้แสงสามารถสะท้อนออกไปยังตำแหน่งที่ต้องการได้

ควบคุมทิศทางของแสงในหลอด LED

ข้อได้เปรียบ

    หลอด LED  ได้เปรียบหลอดมีไส้  อย่างแรกคือ   มันไม่ต้องใช้การเผาไหม้ของไส้หลอด  จึงมีอายุใช้งานนานกว่า    การใช้พลาสติกหุ้มช่วยให้มีความทนทาน  และง่ายต่อการประกอบลงในแผ่นวงจรไฟฟ้า
    ข้อได้เปรียบสูงสุดคือ ประสิทธิภาพที่สูง  ในหลอดมีไส้  แสงที่ได้ออกมาเกิดจากการเผาไส้หลอดให้ร้อนจนแดง  แน่นอนพลังงานที่สูญเสียจากการเผาไหม้นั้นมากมาย ส่วนหลอด  LED   แทบไม่มีความร้อนเกิดขึ้นออกมาเลย   พลังงานส่วนใหญ่เปลี่ยนไปเป็นแสงทั้งหมด
    แต่ก่อนหลอด LED  มีราคาสูงมาก  ปัจจุบันราคาตกลงมาจนเหลือราคาต่ออันไม่กี่บาท  ทำให้เราสามารถประยุกต์หลอด LED  ไปใช้งานได้อย่างมากมายและหลากหลาย  ในอนาคตมันจะเป็นสิ่งที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ขาดเสียไม่ได้