Mi az a LED?
A világító dióda félvezető anyagból készült fényforrás. Másik neve, a LED szó az angol Light-Emitting Diode (=fényt kibocsátó dióda) kifejezés rövidítéséből származik.
A dióda által kibocsátott fény színe a félvezető anyag összetételétől, ötvözőitől függ. A LED inkoherens keskeny spektrumú fényt bocsát ki. A fény spektruma az infravöröstől az ultraibolyáig terjedhet. 1994-ben a kék fényt kibocsátó LED feltalálói, Akaszaki Iszamu, Amano Hirosi és Nakamura Súdzsi, alapjaiban alakították át a világítási technológiát, amiért húsz évvel később, 2014-ben Nobel-díjjal ismerték el a három japán tudós munkáját. A nagy fényerejű, energiatakarékos és környezetbarát kék LED kifejlesztésében végzett tevékenységükért részesültek a kitüntetésben.
Működése
A fény úgy keletkezik, hogy a diódára kapcsolt elektromos áram a dióda anyagában levő atomok elektronjait gerjeszti, amitől azok nagyobb energiaszintű atompályára lépnek, majd miközben visszatérnek eredeti energiaszintjükre, fotonokat bocsátanak ki (a fényelektromos jelenség fordítottja). Nyitóirányú áram esetén a PN átmeneten az elektronok az N rétegből a P-be, a lyukak a P rétegből az N-be diffundálnak. A diffúziós kisebbségi és többségi töltéshordozók között rekombinációs folyamat indul meg, melynek során a felszabaduló energia fotonok formájában kisugárzódik. Nagyobb feszültség hatására nagyobb a kisugárzott fotonok mennyisége, egészen egy bizonyos nyitóirányú áramértékig, ahonnan már nem számottevő a változás.
A sugárzás csak úgy jöhet létre, ha az elektronok átkerülnek a nagy energiájú vezetési sávból a kisebb energiájú vegyértéksávba. Az elektron ezen állapota nem stabil, egy kis idő elteltével visszaugrik az eredeti atompályájára. A többletenergia, amivel előzőleg képes volt feljebb lépni, sugárzás formájában hagyja el az atomot. Ez a sugárzás a hullámhossztól függő (lásd a táblázatot) fény formájában jelentkezik. A rekombinációknak körülbelül az 1%-a jár fotonkibocsátással, míg a többi hőtermeléssel. Régen a legnagyobb hatásfokkal az infravörös fénydióda rendelkezett (1-5%), a többinél ez 0,05% alatt volt, ám a mai LED-ek már elérik a 20%-os hatásfokot is.[3]
A LED-ek előnye, hogy a kimeneti fény előállításához alacsony áramerősséget és feszültséget igényelnek, kicsi a fogyasztásuk, kevéssé melegszenek, nagy a kapcsolási sebességük, kis helyen elférnek, ütésállók és nagy az élettartamuk.
Felfedezése
.svg)
A félvezetők elektrolumineszcenciáját már 1907-ben felfedezte a Marconi laboratóriumban dolgozó Henry Joseph Round.[6] A jelenséget Oleg Vladimirovich Losev orosz tudós vizsgálta mélyrehatóan, és az eredményeit 1927-ben publikálta. 1939-ben Bay Zoltán és Szigeti György magyar kutatók is végeztek kísérleteket ezzel a még kezdetleges SiC alapú fényforrással.[7] A napjainkban ismert LED-ek története azonban inkább 1955-ben kezdődött, amikor Rubin Braunstein, a Radio Corporation of America (RCA) mérnöke felfedezte a gallium-arzenid (GaAs) és egyéb vegyületfélvezetők infravörös emisszióját. Viszont az első fénykibocsátó dióda megalkotása a Texas Instruments kutatóihoz, James R. Biardhoz és Gary Pittmanhez köthető, akik 1961-ben – bár lézer dióda kifejlesztésén dolgoztak – felfedezték, hogy valójában infravörös tartományban működő fénykibocsátó diódát alkottak.[8] Tulajdonképpen ez volt az első áttörés, amely a mai modern LED-ek megszületése felé haladt, azaz a szilíciumot felváltották a vegyületfélvezetők – jelen esetben a gallium-arzenid –, illetve kidolgozásra került a dióda struktúra. A két feltaláló a Texas Instruments égiszén belül szabadalmaztatta a találmányát (U.S. Patent 3293513).
Annak ellenére, hogy ennek a LED-nek a működése nem esett a látható tartományba, a jelenség fizikája ismert volt. Az emittált fény hullámhossza a kiürített tiltott sáv szélességén, illetve az adalékolással beépített energiacsapdák szintjétől függ. Azaz innentől kezdve a látható tartományban működő, különféle színű LED-ek megjelenése csak „finomhangolás” kérdése volt. Ahogy ez várható volt, alig egy évre rá, 1962-ben Ifj. Nick Holonyak (General Electric) ki is fejlesztette az első, gyakorlatban is használható, látható fényű LED-et (vörös). Nem sokkal ezután a sárga és a zöld LED is megjelent.
Azonban ezek még csak laboratóriumi kísérleti eszközöknek, vagy éppen kuriózumnak számítottak. A tömeges elterjedésüknek gátat vetett a rendkívül magas előállítási költségük, egészen addig, míg az 1970-es években a Fairchild Semiconductors ki nem dolgozta a tömeggyártási technológiájukat.
Volt vörös LED, volt zöld LED, már csak a kék LED hiányzott, hogy lefedhető legyen a teljes spektrum. Azonban a GaAs tiltott sávja kicsi ahhoz, hogy olyan nagy energiájú fotont legyen képes emittálni, mint a kék fényé. Így egyértelmű volt, hogy új vegyületfélvezetőt kellett keresni. Különféle trükkökkel sikerült kisebb sikereket elérni, mint az 1972-ben Jacques Pankove, az RCA Laboratories szakembere által elsőként megalkotott kék fényt kibocsátó LED-je. Azonban ezek a kísérleti példányok a gyakorlat számára nem voltak használhatóak. Az igazi áttörést az 1994-ben Akaszaki Iszamu, Amano Hirosi és az 1990-es évek vége óta az Egyesült Államokban kutató amerikai állampolgár, Nakamura Súdzsi által feltalált gallium-nitrid alapú kék fénnyel világító LED-je hozta meg. Azonban az igazi áttörést nem a kék fény jelentette, bár az is egy nagyszerű dolog volt, hanem egy nem várt „mellékhatás” is jelentkezett. Az új LED sokkal nagyobb hatásfokkal működött, mint a korábbi társai. Ez a fényerő növekedés képezte az alapot a LED-ek világítási célú alkalmazásának. Így érthető, hogy Nakamura Súdzsi 2001-ben beperelte volt munkaadóját, a Nichia Corporationt, mert az alig 20 ezer jen prémiumot akart fizetni neki a kék LED kifejlesztéséért, azonban ő 20 milliárd jent követelt. A kiváló kutató végül megnyerte a pert, és a Nichia 840 millió jent fizetett.[9]
Most, hogy már elérhető mind a vörös, mind a zöld, mind pedig a kék LED, amivel kikeverhető a fehér fény, egy minőség-mennyiség háború vette kezdetét. Mivel a LED-ek egy nagyon szűk hullámhossz tartományban sugároznak, ezért a minőségi fehér fény kikeveréséhez sok különböző hullámhosszon sugárzó LED fényére van szükség. A sok LED sok áramot fogyaszt, így ennek a megoldásnak nem jó a hatásfoka (bár ezt a megoldást alkalmazzák ott, ahol minőségi megvilágításra van szükség – pl. színház). Viszont itt is alkalmazható egy trükk. Ha veszünk egy kék LED-et, és kombináljuk sárga fényporral, ami a kék fény egy részét sárga fénnyé alakítja, akkor az elektromos fogyasztás kisebb, mert csak egy LED-et táplálunk, azaz a hatásfok magasabb, és a kék és a sárga fény papíron fehér fényt kever ki. Ezek után már csak a chipek teljesítményét kellett olyan szintre növelni, hogy alkalmasak legyenek használható fényáram kibocsájtására. 1999-ben a Philips Lumileds cég meg is jelent a piacon az első folyamatos üzemű 1 wattos LED-el. Ezek a LED-ek már csak hűtőbordára szerelve voltak használhatóak, és ezzel kezdetét vette a LED fényforrások világítási célú felhasználása.
Forrás: https://hu.wikipedia.org/wiki/Vil%C3%A1g%C3%ADt%C3%B3_di%C3%B3da
