איך עובדת נורת לֵד?

בין הרמות

נורות לד, לעומת זאת, מבוססות על מנגנון שונה לחלוטין בשם פלואורסנציה. לפי מכניקת הקוונטים, אלקטרונים באטום יכולים להימצא רק במצבים מסוימים, ולא באחרים – להקיף את האטום רק במרחקים מסוימים, במהירויות מסוימות וכדומה. המצבים האלה קרויים לעיתים אורביטלים או רמות אנרגיה, כיוון שלכל אחד מהם יש אנרגיה קבועה. לדוגמה, האנרגיה של אלקטרון שקרוב לגרעין נמוכה יותר מאשר האנרגיה של אלקטרון שנמצא רחוק ממנו. האלקטרונים יכולים להימצא רק ברמות האנרגיה ולא ביניהן, בדומה למגורים בבניין קומות. וכמו הדיירים בבניין קומות, האלקטרונים יכולים גם לעבור מרמת אנרגיה אחת לאחרת. 

על פי חוקי הפיזיקה כמות האנרגיה הכוללת צריכה להישאר קבועה, ולכן כאשר האלקטרון עובר מרמת אנרגיה אחת לאחרת, עליו להשלים את הפרש האנרגיה ביניהן. לחלופין, כשהאנרגיה של האלקטרון משתנה, גם המצב הקוונטי שהוא נמצא בו, כלומר רמת האנרגיה שלו, צריכים להשתנות. למשל, כשאלקטרון עובר מרמת אנרגיה גבוהה לנמוכה, עליו “להיפטר” מעודף האנרגיה, וכדי שיוכל לעבור מרמת אנרגיה נמוכה לגבוהה עליו לקבל אנרגיה ממקור חיצוני כדי להשלים את ההפרש. אחת הדרכים הנפוצות שבהן מתרחש התהליך הזה היא בליעת אור ופליטתו: כשאלקטרון עובר מרמת אנרגיה גבוהה לנמוכה, הוא יפלוט אור באורך גל, כלומר בצבע, שמתאים בדיוק להפרש האנרגיה בין הרמות.

שתי הדרכים אל האור

נורות לד מבוססות על העיקרון הזה בדיוק, באמצעות שימוש ברכיב בשם דיודה, שמשמעות שמו היא “שתי דרכים” ביוונית. הדיודה היא רכיב חשמלי שמניח לזרם לעבור בכיוון אחד אבל לא בכיוון ההפוך. הדיודה מורכבת מרכיב שקרוי “מוליך למחצה” – כלומר, חומר שיש לו גם תכונות של מוליך וגם תכונות של מבודד.ליתר דיוק, היא מורכבת ממוליך למחצה מסוים שמכונה מִצְמַת חיובי-שלילי (צומת p-n), כיוון שהוא מורכב משני חלקים: אחד טעון במטען חשמלי חיובי, ואחד במטען חשמלי שלילי. בשלב הזה הפרטים קצת מסתבכים, אבל התוצאה היא שהאלקטרונים חייבים להימצא ברמת אנרגיה גבוהה בצד שטעון במטען שלילי, אך יכולים להיות ברמת אנרגיה נמוכה יותר בצד החיובי. אחת הדרכים לחשוב על המצב הזה היא שאלקטרונים לא אוהבים להצטופף, כך שאם אלקטרון אחד נמצא במצב קוונטי כלשהו, אלקטרון אחר לא יכול להיות באותו מצב. בצד השלילי, שיש בו הרבה אלקטרונים, כל המצבים בעלי האנרגיה הנמוכה תפוסים, ולכן האלקטרונים חייבים להימצא באנרגיה גבוהה יותר. לעומת זאת, בצד הטעון במטען חיובי יש פחות אלקטרונים, ולכן אלקטרונים שיגיעו אליו יוכלו “לנוח” במצב עם אנרגיה נמוכה.

התוצאה של כל התהליך הזה דומה לצוק גבוה: אם לא נעשה כלום, האלקטרונים ישבו במקומם בצד השלילי. אם נדחוף את האלקטרונים מהצד השלילי לחיובי, הם פתאום “יראו” מצב פנוי עם אנרגיה נמוכה, ייפלו אליו ויפלטו אור באורך גל המתאים להפרש בין האנרגיות. לעומת זאת, אם ננסה לדחוף אלקטרונים מהצד החיובי לשלילי לא נצליח, כיוון שלאלקטרונים אין מספיק אנרגיה כדי “לטפס” במעלה הצוק. לכן אפשר להזרים זרם חשמלי דרך דיודה רק בכיוון אחד. בנוסף, כשמזרימים זרם חשמלי בכיוון הנכון, נורת הלד תפלוט אור. ייתכן שהמנגנון נשמע קצת מסורבל, אבל יש לו הרבה יתרונות: מספיק זרם חלש מאוד כדי להפיק אור מנורות לד, כך שהן חסכוניות במיוחד ופחות נוטות להתקלקל. כמו כן, אפשר לייצר נורות לד בצבעים שונים על ידי בחירת מוליך למחצה שההפרש בין רמות האנרגיה שלו מתאים לצבע הרצוי, וכך להפיק כמעט את כל הצבעים. בשנת 2014 הוענק פרס נובל בפיזיקה לשוג’י נאקאמורה (Nakamura), איסאמו אקאסאקי (Akasaki) והירושי אמאנו (Amano) על פיתוח נורת הלד הכחולה. להפקת אור לבן משתמשים בצירוף של אור אדום, ירוק וכחול.

לבסוף, ראוי לציין כי מלבד השימוש בנורות לד, למוליכים למחצה יש תפקיד מפתח בהתפתחות הטכנולוגיה המודרנית. טרנזיסטורים הם רכיבים חשמליים הבנויים ממוליכים למחצה, והם פועלים כמו מתגים קטנים שנשלטים באמצעות זרם חשמלי: כאשר המתג פתוח זרם יכול לעבור בטרנזיסטור, וכאשר הוא סגור זרם לא יכול לעבור בו. אם נקרא למעבר זרם “1”, ולהיעדרו “0”, נקבל כך ביט של מידע. חיבור של הרבה טרנזיסטורים מאפשר לבצע חישובים, ובמעבדים מודרניים (כמו במחשב או בטלפון הנייד שבהם אתם קוראים את הכתבה הזו) יש מיליארדי טרנזיסטורים קטנים.