Luminiscenčná dióda

z Wikipédie, slobodnej encyklopédie
Prejsť na: navigácia, hľadanie
Schematická značka LED diódy
Detail LED diódy
Rôzne druhy LED diód

Luminiscenčná dióda alebo svetelná dióda (iné názvy: elektroluminiscenčná dióda, LED, LED dióda, zriedkavo: svietivá dióda, žiarivá dióda, dióda emitujúca svetlo, ľudovo ledka, angl. light-emitting diode) je polovodičová elektronická súčiastka, ktorá vyžaruje úzkospektrálne svetlo, keď ňou prechádza elektrický prúd v priepustnom smere. Svietiaci efekt je následkom žiarivej rekombinácie elektrón-dierového páru a je formou elektroluminiscencie. Farba vyžarovaného svetla závisí od štruktúry PN prechodu aj od použitého materiálu.

Vytvorenie LED a laserových diód sa stalo možné vďaka výskumu polovodičových heteroštruktúr na ktorom pracoval ruský vedec Žores Ivanovič Alfiorov. Prvú prakticky použiteľnú LED diódu vyvinul v roku 1962 kanadský vedec Nick Holonyak.

Najlacnejšie sa vyrábajú infračervené diódy, po nich najlacnejšie svietivé sú červené. Zelené sú o cca 20% drahšie ako červené. Modré sú podľa výrobcu aj niekoľkonásobne drahšie ako červené ale ich cena v poslednom čase prudko klesá.

Samostatnou konštrukčnou kategóriou sú OLED(Organické LED).

Spektrálne charakteristiky luminiscenčných diód vyrobených z nieoľkých materiálov. (krivka: GaAsP-Gáliumarsenidfosfid, SiC-siliciumkarbid, GaAs-gáliumarzenid, eye-charakteristika ľudského oka, Filament lamp-charakteristika žiarovky s wolfrámovým vláknom). P-pomerný žiarivý výkon.

Druhy LED[upraviť | upraviť zdroj]

Ultrafialové (UV) LED[upraviť | upraviť zdroj]

LED, ktorých špička vyžarovacieho diagramu leží pod 420 nm sa nazývajú UV LED. Výrobné technológie (voľné patenty pre trh a z bezpečnostných dôvodov) nedovoľujú uvádzať UV LED s výkonom nad 10 mW. V predajniach je možné najčastejšie dostať UV LED s vlnovými dĺžkami 380 – 420 nm a 320 – 370 nm.

Infračervené (IR) LED[upraviť | upraviť zdroj]

Vyžarovací diagram týchto LED má výkonovú špičku nad 680 nm. Keďže ľudské oko (zrenička nie je schopná prepustiť žiarenie s vlnovou dĺžkou nad 1 400 nm) a v podstate celá fyziológia človeka je na IR žiarenie imúnna je možné zaobstarať IR LED s výkonmi aj vysoko nad 10 mW. Bežne sa predávajú IR LED s vlnovou dĺžkou 680 – 750 nm a 870 – 950 nm, ktoré sú vhodné ako zdroje IR žiarenia do diaľkových ovládaní. Svetlo týchto diod sa nedá pozorovať voľným okom, ale dá sa pozrieť napr. cez digitálny fotoaparát, ktorý je na IR svetlo citlivý.

Jednofarebné (monochromatické) LED[upraviť | upraviť zdroj]

Každá LED vyrobená iba z jedného druhu polovodiča má svoju charakteristickú vlnovú dĺžku, na ktorej emituje svetlo (danú prevažne šírkou zakázaného pásma polovodiča). Túto vlnovú dĺžku je možné „nastaviť“ pomocou použitého druhu polovodiča (t. j. pomerom obsahu jednotlivých prvkov – zložiek – polovodiča) a u niektorých polovodičov (GaN) aj zmenou obsahu dotovacieho prvku. Takto je možné vyrobiť LED s tým istým substrátom v širokom spektre vlnových dĺžok. Prakticky je možné vyrobiť LED vyžarujúce svetlo s vlnovými dĺžkami od 250 do 3 500 nm. LED s jedinou výkonovou špičkou sa nazýva monochromatická LED. Spektrálna krivka vyžiareného svetla má v ich prípade tvar Gaussovej krivky, ktorá nie je širšia ako +/-25 nm. Monochromatické LED vyžarujú minimálne 90% celého žiarivého výkonu v rozmedzí maximálne +/-10 nm. Reálne LED ale nemajú úplne ideálny spektrálny diagram a u niektorých typov sa prejavujú aj sekundárne maximá na iných vlnových dĺžkach. Ale tieto sekundárne maximá nepredstavujú ani 1 % z celkového výkonu.

Biele LED[upraviť | upraviť zdroj]

Existujú dva základné spôsoby produkovania vysoko intenzívneho bieleho svetla s použitím LED. Jeden využíva samostatné LEDky, emitujúce základné farby - červenú, zelenú, modrú - a ich zmiešaním vznikne biele svetlo. Druhý s použitím fosforového materiálu mení monochromatické svetlo z modrej, alebo ultrafialovej LED na širokospektrálne biele svetlo.

RGB LED[upraviť | upraviť zdroj]

Prvý typ je poskladaný z troch monochromatických LED, ktoré emitujú žiarenie vo farbách: červená, zelená, modrá. Takýmto LED sa hovorí RGB LED (z ang. skratiek pre red, green, blue). Ich výnimočnosťou je možnosť regulovať výkony jednotlivých zložiek (jednotlivých monochromatických LED) a tak dosiahnuť nie len biele svetlo, ale aj celé spektrum farieb, v rozpätí okrajových zložiek RGB LED.

Fluorescenčné LED[upraviť | upraviť zdroj]

Druhý typ bielych LED je založený na zmene vlnovej dĺžky emitovaného žiarenia klasickou monochromatickou LED na širokopásmové spojité spektrum, ktorého energia je rozložená približne rovnako po celom spektre. Zmena vlnovej dĺžky sa dosahuje vo vrstve luminoforu (fluorescenčného materiálu). Ako budiaca monochromatická LED je použitá vysokosvietivá modrá LED. Jej použitie ale prináša aj malý neduh týchto LED. Vlnová dĺžka budiacej LED sa prejavuje ako primárne maximum vyžarovacieho spektrálneho diagramu, no vyžarovaná energia neklesá až na nulu (smerom k červenej farbe), ale po miernom poklese nadobúda sekundárne (nižšie a širšie) maximum niekde v okolí 560 nm (oranžová farba), čo je dané vyžarovacím spektrom použitého luminoforu. Až následne po tomto sekundárnom maxime pozvoľna klesá k nule, ktorú dosahuje väčšinou až za hranicou VIS/IR žiarenia. Z toho vyplýva modrastý až zelenkastý nádych vyžarovaného bieleho svetla. Čím je biela LED kvalitnejšia, tým je jej nádych menej badateľný.

Klasické LED vs. vysoko svietivé LED[upraviť | upraviť zdroj]

Výkonové vysokosvietivé LED. Základňa slúži zároveň ako chladič čipu.

Bežná LED má žiarivý výkon hlboko pod 5 mW. Je to spôsobené tým že vznikajúce elektrón-dierové páry v P-N priechode v homogénnom polovodiči pri zvyšujúcom sa prúde majú tendenciu rekombinovať nežiarivo (t. j. menia svoju energiu na teplo), a priechod sa prehrieva. Týmto je obmedzená prúdová hustota na priechode, a keďže polovodiče, z ktorých sa LED vyrábajú, majú pomerne veľkú hustotu porúch, a teda kvôli výťažnosti a spoľahlivosti je obmedzená maximálna možná plocha čipu na niekoľko mm², je tým obmedzený aj celkový prúd čipom. Navonok to z elektrického hľadiska vyzerá tak, že limitujúcou fyzikálnou vlastnosťou je sériový odpor a strmosť V-A charakteristiky v otvorenom stave. Ak chceme LED prinútiť emitovať viac svetla, musíme zvýšiť napájacie napätie, čím sa zvýši aj prúd pretekajúci LED. Po prekonaní kritickej hodnoty prúdu dochádza k degradácii P-N prechodu a doslova k jeho pretaveniu v dôsledku vysokej teploty (viac ako 1 000 °C). Preto kvôli zvýšeniu výkonu LED boli vypracované technológie, ktoré ich posúvajú ďaleko za hranice 5 mW vyžarovaného výkonu. Na dosiahnutie vyšších výkonov sa používajú polovodiče s menšou strmosťou V-A charakteristiky a s rozmernejším P-N prechodom alebo paralelizáciou P-N prechodov agregovaných (vrstvené P-N prechody) na tom istom čipe. Ďalej sa konštruujú multi-P-N prechodové LED, ktoré síce na úkor zvýšenia napájacieho napätia zvyšujú výsledný výkon. Najpodstatnejšou zmenou je však použitie tzv. heteropriechodu (t. j. P a N vrstvy sú z rozdielnych polovodičov), u ktorého je možné dosiahnuť vyššiu tzv. injekčnú účinnosť, následkom čoho viac elektrón-dierových párov rekombinujúcich žiarivo než nežiarivo aj u veľkých prúdov. Dnes je možné zohnať LED s výkonom aj viac ako 1 W! LED, ktoré dosahujú svietivosť viac ako 100 mCd sa hovorí vysokosvietivé (ultrabright) LED.

Laserové diódy[upraviť | upraviť zdroj]

Laserová dióda v puzdre
Samotný čip laserovej diódy (položený pre porovnanie na uchu ihly)

Laserové LED nie sú úplne laserové. Aj keď ich svetlo vzniká na základe stimulovanej emisie, nemožno ich považovať za pravý laser, ale iba za zdroj laseroveho svetla. Z definície laserového svetla je zrejmé, že sa laserové LED majú vyššie nároky na parametre ako klasické LED. Predovšetkým majú laserové LED užšiu šírku pásma v ktorom vyžarujú (max. +/-5 nm). Smerovosť a rozbiehavosť vyžarovaného lúča LED alebo surovej laserovej LED (bez rezonátora alebo s poškodeným rezonátorom) je približne rovnaká (ale v prípade laserovej LED je sústredený do jednej roviny, podľa toho ako sú usporiadané vrstvené P-N prechody laserovej LED). Laserové diódy sa vyrábajú v dvoch usporiadaniach: vyžarujúce z hrany (edge emitting), u ktorých rezonátor je tvorený prirodzeným lomom okraju čipu; a vyžarujúce z povrchu (VCSEL – vertical cavity surface emitting laser), kde rezonátor je tvorený striedajúcimi sa vrstvami polovodičov rôzneho zloženia, tvoriac Braggov reflektor pod a nad žiarivou oblasťou (t. j. PN priechodom). Niekedy sa laserové LED vkladajú do externých rezonátorov. Základným problémom u laserových diód je chladenie a stabilizácia výkonu (ktorý podobne ako u LED závisí silne od teploty).

Obe skupiny – svetelné i laserové diódy sa vyrábajú z intermetalických zliatin (polovodičových zlúčenín), a to spravidla z karbid kremíka (SiC), arsenid gália (GaAs), fosfid gália (GaP), alebo zo zliatin typu gálium arzenid fosfid (GaAsP) a ďalších.

Charakteristické hodnoty napätia v priepustnom smere[upraviť | upraviť zdroj]

Farba vlnová dĺžka (nm) Napätie (V) Látka
Infračervená λ > 760 ΔV < 1.9 GaAs
AlGaAs
Červená 610 < λ < 760 1.63 < ΔV < 2.03 AlGaAs
GaAsP
AlGaInP
GaP
Oranžová 590 < λ < 610 2.03 < ΔV < 2.10 GaAsP
AlGaInP
GaP
Žltá 570 < λ < 590 2.10 < ΔV < 2.18 GaAsP
AlGaInP
GaP
Zelená 500 < λ < 570 1.9> < ΔV < 4.0 InGaN/GaN
GaP
AlGaInP
AlGaP
Modrá 450 < λ < 500 2.48 < ΔV < 3.7 ZnSe
InGaN
SiC
Si
Fialová 400 < λ < 450 2.76 < ΔV < 4.0 InGaN
Červená/modrá + fialový luminofor
Ultrafialová λ < 400 3.1 < ΔV < 4.4 diamant (Vlnová dĺžka: 235 nm)

Nitrát borný (Vlnová dĺžka: 215 nm)

Biela Celé spektrum ΔV = 3.5 Modrá/ultrafialová + žltý luminofor  


Mechanická a optická konštrukcia[upraviť | upraviť zdroj]

LED čip sa montuje na reflektor (na obrázku viditeľný ako kužeľ na konci jedného z vonkajších prívodov) tvoriaci súčasne spodný kontakt (obvykle katódu, keďže substrát je obvykle typu N), aby sa využil výkon vyžiarený z PN priechodu v smere do substrátu; a horný kontakt sa kontaktuje podobne ako u integrovaných obvodov. Puzdri sa do priehľadného plastu (bodová LED) alebo do mliečne sfarbeného plastu (difúzna LED). Plast je často sfarbený v rovnakej farbe ako emituje LED. Často je pre zvýšenie smerovosti vytvarovaný vrchol puzdra do polgule, čo má efekt kolimačnej šošovky.

Použitie[upraviť | upraviť zdroj]

LED sa tradične používajú najmä ako indikátory, a ako zobrazovacie prvky v segmentových zobrazovačoch a bodových maticových zobrazovačoch (známe ako „bežiace nápisy“). Známe je aj ich použitie vo veľkoplošných zobrazovačoch používaných na reklamné účely. V poslednom čase s nástupom vysokosvietivých LED sa začalo ich využívanie na osvetľovacie účely a v dopravnej svetelnej signalizácii (cestné semafóry, železničné návestidlá). Pre svoju dlhú životnosť a otrasuvzdornosť sa uplatňujú aj v automobiloch dokonca aj ako náhrada koncových brzdových či smerových svetiel. Riešenia v interiéroch ako náhrada žiaroviek je zatiaľ veľmi drahá. Infračervené LED a najmä laserové diódy sa používajú na prenos informácií prostredníctvom optických vlákien. Laserové diódy našli hromadné uplatnenie aj v oblasti uchovávania údajov (CD, DVD).

Pozri aj[upraviť | upraviť zdroj]

Iné projekty[upraviť | upraviť zdroj]