كيفية تصنيع الصمامات الثنائية الضوئية

الثنائيات الباعثة للضوء (LED):

هي أضواء ملونة صغيرة متوفرة في أي متجر إلكترونيات -ومنتشرة في كل مكان في المجتمع الحديث، إنّها مصابيح المؤشر الموجودة على أجهزة الاستريو ولوحات أجهزة القياس للسيارات والميكروويف وشاشات رقمية على أجهزة الراديو على مدار الساعة والساعات الرقمية والآلات الحاسبة، توجد مصابيح (LED) في الاتصالات السلكية واللاسلكية لنقل الإشارات الضوئية قصيرة المدى مثل أجهزة التحكم عن بعد في التلفزيون.

مواد أولية لصناعة الصمامات الثنائية الضوئية:

تصنع الثنائيات بشكل عام من طبقات رقيقة من مادة أشباه الموصلات وستحتوي إحدى الطبقات على فائض من الإلكترونات، بينما تحتوي الطبقة التالية على عجز في الإلكترونات، يتسبب هذا الاختلاف في انتقال الإلكترونات من طبقة إلى أخرى وبالتالي توليد الضوء، يمكن للمصنعين الآن جعل هذه الطبقات رقيقة مثل 0.5 ميكرون أو أقل (1 ميكرون = 1 على عشرة آلاف من البوصة).

يتم استخدام الشوائب داخل أشباه الموصلات لإنشاء كثافة الإلكترون المطلوبة، أشباه الموصلات عبارة عن مادة بلورية توصل الكهرباء فقط عند وجود كثافة عالية من الشوائب فيها، شريحة أو رقاقة أشباه الموصلات عبارة عن بلورة واحدة موحدة ويتم إدخال الشوائب لاحقاً أثناء عملية التصنيع، إن أشباه الموصلات المستخدمة في تصنيع LED هي زرنيخيد الغاليوم أو فوسفيد الغاليوم.

يتم إدخال الشوائب لاحقاً في عملية التصنيع على عكس العيوب، يتم تقديمها عمداً لجعل وظيفة LED تعمل بشكل صحيح، هذه العملية تسمى المنشطات؛ الشوائب المضافة عادة هي الزنك أو النيتروجين، ولكن تم أيضاً استخدام السيليكون والتيلوريوم والجرمانيوم، كما ذكرنا سابقاً سوف يتسببون في توصيل أشباه الموصلات بالكهرباء وستجعل وظيفة LED كجهاز إلكتروني، من خلال الشوائب يمكن إنشاء طبقة بها فائض أو عجز من الإلكترونات.

لإكمال الجهاز لا بد من توصيل الكهرباء إليه ومنه، وبالتالي يجب توصيل الأسلاك على الركيزة، يجب أن تلتصق هذه الأسلاك بأشباه الموصلات وأن تكون قوية بما يكفي لتحملها لاحقاً، تتمثل إحدى طرق إضافة الشوائب الضرورية إلى بلورة أشباه الموصلات في تنمية طبقات إضافية من البلور على سطح الرقاقة، في هذه العملية يتم وضع الرقاقة على شريحة من الجرافيت وتمريرها أسفل خزانات (GaAsP) المنصهرة.

مصابيح (LED) مغلفة بالبلاستيك الشفاف مثل الأوزان الورقية الوسيطة التي تحتوي على أشياء معلقة فيها، يمكن أن يكون البلاستيك أي عدد من الأصناف وستحدد خصائصه البصرية الدقيقة الشكل الذي يبدو عليه خرج (LED)، بعض المواد البلاستيكية منتشرة، مما يعني أن الضوء سينتشر في اتجاهات عديدة، بعضها شفاف ويمكن تشكيله في عدسات توجه الضوء مباشرة من (LED) في شعاع ضيق، يمكن تلوين البلاستيك، مما يؤدي إلى تغيير لون (LED|) من خلال السماح بمرور أكثر أو أقل من ضوء لون معين.

كيفية تصنيع الصمامات الثنائية الضوئية:

صنع رقاقات أشباه الموصلات:

أولاً يتم تصنيع رقاقة أشباه الموصلات ويتم تحديد تركيبة المواد المعينة أو أي شيء بينهما من خلال لون (LED) الذي يتم تصنيعه، تتم زراعة أشباه الموصلات البلورية في غرفة ذات درجة حرارة عالية وضغط مرتفع، ثمّ يتم تنقية الغاليوم والزرنيخ والفوسفور وخلطهم معاً في الغرفة، ويتم تسييل الحرارة والضغط ثم الضغط على المكونات حتى يتم إجبارهم على الوصول إلى محلول، لمنعهم من الهروب إلى الغاز المضغوط؛ غالباً ما يتم تغطيتهم بطبقة من أكسيد البورون السائل.

يتم بعد ذلك تقطيع البولين إلى شرائح رقيقة جداً من أشباه الموصلات بسمك 10 مللي تقريباً أو بسماكة كيس القمامة تقريباً، يتم تلميع الرقائق حتى تصبح الأسطح ناعمة جداً، بحيث تقبل بسهولة المزيد من طبقات أشباه الموصلات على سطحها، يشبه المبدأ صنفرة الطاولة قبل دهنها، ويجب أن تكون كل رقاقة عبارة عن بلورة واحدة من مادة ذات تكوين موحد.

بعد ذلك يتم تنظيف الرقائق من خلال عملية كيميائية وفوق صوتية صارمة باستخدام مذيبات مختلفة، تزيل هذه العملية الأوساخ أو الغبار أو المواد العضوية التي قد تكون قد استقرت على سطح الرقاقة المصقول، كلما كانت المعالجة أنظف كان مؤشر (LED) الناتج أفضل.

إضافة طبقات فوقية:

تزرع طبقات إضافية من بلورات أشباه الموصلات على سطح الرقاقة، هذه إحدى طرق إضافة الشوائب إلى البلورة وتزرع الطبقات البلورية هذه المرة من خلال عملية تسمى ( Liquid Phase Epitaxy (LPE))، في هذه التقنية يتم ترسيب الطبقات فوق المحور، تقع الرقاقة على شريحة من الجرافيت ويتم دفعها عبر قناة أسفل حاوية تحتوي على السائل المنصهر، يمكن إضافة منشطات مختلفة في الانصهار المتسلسل أو عدة مواد في نفس الذوبان، مما يؤدي إلى إنشاء طبقات من المواد ذات كثافة إلكترونية مختلفة.

بعد ترسيب الطبقات فوق المحورية قد يكون من الضروري إضافة منشطات إضافية لتغيير خصائص الصمام الثنائي من أجل اللون أو الكفاءة، إذا تم إجراء المزيد من المنشطات يتم وضع الرقاقة مرة أخرى في أنبوب فرن ذو درجة حرارة عالية، حيث يتم غمرها في جو غازي يحتوي على المنشطات أو أمونيوم الزنك هما الأكثر شيوعاً، غالباً ما يضاف النيتروجين إلى الطبقة العليا من الصمام الثنائي لجعل الضوء أكثر صفراء أو خضراء.

إضافة ملامسات معدنية:

يتم تحديد التلامس المعدني على الرقاقة ويتم تحديد نمط التلامس في مرحلة التصميم ويعتمد على ما إذا كان سيتم استخدام الثنائيات منفردة أو مجتمعة، يتم إعادة إنتاج أنماط التلامس في مقاوم للضوء وهو مركب حساس للضوء، يتم ترسيب مقاومة السائل في قطرات بينما تدور الرقاقة وتوزعها على السطح، يتم تقوية المقاومة بخبز قصير بدرجة حرارة منخفضة، بعد ذلك يتم تكرار النمط الرئيسي على مقاوم الضوء من خلال وضعه فوق الرقاقة وتعريض المقاومة بالأشعة فوق البنفسجية.

التركيب والتغليف:

إذا تم استخدام الصمام الثنائي بمفرده كمصباح مؤشر أو للمجوهرات على سبيل المثال، يتم تثبيته على سلكين معدنيين يبلغ طولهما بوصتين تقريباً، عادة في هذه الحالة يكون الجزء الخلفي من الرقاقة مطلي بالمعدن ويشكل تماس كهربائي مع الرصاص الذي ترتكز عليه، يتم لحام سلك ذهبي بالرصاص ويتم ربطه بملامسات على سطح القالب، في ربط السلك يتم الضغط على طرف السلك لأسفل على المعدن الملامس بإبرة دقيقة، الذهب ناعم بدرجة كافية للتشوه والالتصاق بسطح معدني مماثل.

أخيراً يتم إحكام التجميع بالكامل بالبلاستيك، يتم تعليق الأسلاك والقوالب داخل قالب يتم تشكيله وفقاً يُظهر ضوء مؤشر (LED) النموذجي مدى صغر حجم (LED) الفعلي، كما يجب أن يستمر مصباح (LED) الحديث 100 عام أو أكثر قبل أن يفشل، للمتطلبات البصرية للحزمة يتم تعبئة القالب بالبلاستيك السائل أو الإيبوكسي.