LED
Dioda luminiscencyjna lub dioda światłoemisyjna (inne nazwy: dioda elektroluminiscencyjna, LED, rzadziej dioda świecąca, dioda promieniująca, dioda emitująca światło, potocznie ledka, ang. light-emitting diode) to półprzewodnikowy element elektroniczny, który emituje światło wężospektralne, gdy prąd elektryczny przepływa przez niego w kierunku przewodzenia. Zjawisko świecenia następuje w wyniku rekombinacji elektronowo-dziurowej i jest formą elektroluminiscencji. Kolor emitowanego światła zależy od struktury połączenia PN oraz od użytego materiału.
Stworzenie LED i diod laserowych stało się możliwe dzięki badaniom nad heterostrukturami półprzewodnikowymi, nad którymi pracował rosyjski naukowiec Żores Iwanowicz Alfiow. Pierwszą praktycznie stosowaną LED opracował w 1962 roku amerykański naukowiec Nick Holonyak.
Najtańsze do produkcji są diody podczerwone, potem najtańsze świecące to czerwone. Zielone są o około 20 % droższe niż czerwone. Niebieskie są według producentów wielokrotnie droższe niż czerwone, ale ich cena ostatnio szybko spada.
Odrębną kategorią konstrukcyjną są OLED (Organiczne LED).
Rodzaje LED
Ultrafioletowe (UV) LED
LED, których szczyt diagramu emisji leży poniżej 420 nm, nazywane są UV LED. Technologie produkcyjne (patenty wolne na rynek i z powodów bezpieczeństwa) nie pozwalają na produkcję UV LED z mocą powyżej 10 mW. W sklepach najczęściej można znaleźć UV LED o długości fali 380 – 420 nm i 320 – 370 nm.
Podczerwone (IR) LED
Diagram emisji tych LED ma szczyt mocy powyżej 680 nm. Ponieważ oko ludzkie (pupilla nie jest w stanie przepuścić promieniowania o długości fali powyżej 1 400 nm) i w zasadzie cała fizjologia człowieka jest odporna na promieniowanie IR, można zdobyć IR LED z mocą znacznie powyżej 10 mW. Najczęściej sprzedawane są IR LED o długości fali 680 – 750 nm i 870 – 950 nm, które nadają się jako źródła IR do pilotów. Światło tych diod nie da się zaobserwować gołym okiem, ale da się to zobaczyć np. przez cyfrowy aparat fotograficzny, który jest wrażliwy na IR.
Każda LED wykonana z jednego rodzaju półprzewodnika ma swoją charakterystyczną długość fali, na której emituje światło (zazwyczaj zależną od szerokości zakazanego pasma półprzewodnika). Tę długość fali można „ustawić” za pomocą użytego rodzaju półprzewodnika (czyli proporcji zawartości poszczególnych składników półprzewodnika) i u niektórych półprzewodników (GaN) również zmianą zawartości składnika domieszkującego. Dzięki temu można wyprodukować LED z tym samym podłożem w szerokim zakresie długości fali. Praktycznie można wyprodukować LED emitujące światło o długościach fali od 250 do 3 500 nm. LED z jednym szczytem mocy nazywane są monochromatycznymi LED. Krzywa spektralna emitowanego światła ma w ich przypadku kształt krzywej Gaussa, która nie jest szersza niż +/-25 nm. Monochromatyczne LED emitują co najmniej 90 % całkowitej mocy promieniowania w zakresie maksymalnie +/-10 nm. Rzeczywiste LED nie mają idealnego diagramu spektralnego i u niektórych typów pojawiają się również sekundarne maksima na innych długościach fali. Jednak te sekundarne maksima stanowią mniej niż 1 % całkowitej mocy.
Istnieją dwa podstawowe sposoby produkcji intensywnego białego światła z użyciem LED. Jeden z nich wykorzystuje osobne LED emitujące podstawowe kolory – czerwoną, zieloną, niebieską – i ich zmieszaniem powstaje białe światło. Drugi z użyciem materiału fosforowego zmienia monochromatyczne światło z niebieskiej lub ultrafioletowej LED na szerokospektralne białe światło.
RGB LED
Pierwszy typ składa się z trzech monochromatycznych LED, które emitują promieniowanie w kolorach czerwony, zielony, niebieski. Takim LED nazywa się RGB LED (z ang. skrótów dla red, green, blue). Ich wyjątkowością jest możliwość regulacji mocy poszczególnych składników (poszczególnych monochromatycznych LED), dzięki czemu można uzyskać nie tylko białe światło, ale również cały szereg kolorów w zakresie kolorów składników RGB LED.
LED fluorescencyjne
Drugi typ białych LED oparty jest na zmianie długości fali emitowanego promieniowania klasycznej monochromatycznej LED na szerokopasmowy ciągły spektrum, którego energia jest rozłożona w przybliżeniu równo po całym spektrum. Zmiana długości fali następuje w warstwie luminoforu (materiału fluorescencyjnego). Jako źródło monochromatyczne LED stosowana jest wysokoswiatłoemisyjna niebieska LED. Jej zastosowanie niesie jednak również niewielki недуг tych LED. Długość fali źródłowej LED pojawia się jako podstawowe maksimum diagramu spektralnego emisji, ale energia emitowana nie spada aż do zera (w stronę czerwonego koloru), ale po lekkim spadku osiąga sekundarne (niższe i szersze) maksimum gdzieś w okolicach 560 nm (kolor pomarańczowy), co wynika z emisyjnego spektrum użytego luminoforu. Dopiero po tym sekundarnym maksimum stopniowo spada do zera, które osiąga najczęściej dopiero poza granicami promieniowania VIS/IR. Stąd wynika niebieskawy lub zielonkawy odcień emitowanego białego światła. Im lepsza jest biała LED, tym ten odcień jest mniej zauważalny.
Wysokoswiatłoemisyjne LED o dużej mocy. Podstawa służy jednocześnie jako chłodniczka czypa.
Zwykła LED ma moc promieniowania znacznie poniżej 5 mW. Jest to spowodowane tym, że powstające pary elektronowo-dziurowe w połączeniu PN w homogenicznym półprzewodniku przy zwiększającym się prądzie mają tendencję do rekombinacji niepromieniujących (czyli zmieniają swoją energię na ciepło), a połączenie się nagrzewa. Dlatego ograniczona jest gęstość prądu w połączeniu, a ponieważ półprzewodniki, z których są produkowane LED, mają stosunkowo dużą gęstość defektów, a zatem z powodów wydajności i niezawodności ograniczona jest maksymalna możliwa powierzchnia czypa do kilku mm², co ogranicza również całkowity prąd przepływający przez czyp. Z punktu widzenia elektrycznego wygląda to tak, jakby ograniczającą właściwością fizyczną był opór szeregowy i nachylenie charakterystyki V-A w stanie otwartym. Aby zmusić LED do emisji więcej światła, należy zwiększyć napięcie zasilania, co zwiększa również prąd przepływający przez LED. Po przekroczeniu krytycznej wartości prądu dochodzi do degradacji połączenia PN i dosłownie do jego stopienia z powodu wysokiej temperatury (ponad 1 000 °C). Dlatego z powodu zwiększenia mocy LED opracowano technologie, które przesuwają je znacznie dalej niż granica 5 mW emitowanej mocy. Aby osiągnąć wyższą moc, stosuje się półprzewodniki o mniejszym nachyleniu charakterystyki V-A i o większym połączeniu PN lub równoległość połączeń PN agregowanych (warstwowe połączenia PN) na tym samym czypie. Dalej konstruuje się LED z wieloma połączeniami PN, które, choć na koszt zwiększenia napięcia zasilania, zwiększają końcową moc. Najważniejszą zmianą jest jednak zastosowanie tzw. heteropojęcia (czyli warstwy P i N są z różnych półprzewodników), w którym można osiągnąć wyższą tzw. sprawność inżekcyjną, dzięki czemu więcej par elektronowo-dziurowych rekombinuje promieniująco niż niepromieniująco nawet przy dużych prądach. Dziś można zdobyć LED o mocy nawet ponad 1 W. LED, które osiągają jasność ponad 100 mCd, nazywane są wysokoswiatłoemisyjnymi (ultrabright) LED.
Diody laserowe
Dioda laserowa w obudowie
Sam czyp diody laserowej (położony do porównania na igle)
LED laserowe nie są w pełni laserowe. Chociaż ich światło powstaje na podstawie emisji stymulowanej, nie można ich uznać za prawdziwy laser, ale tylko za źródło światła laserowego. Z definicji światła laserowego wynika, że LED laserowe mają wyższe wymagania co do parametrów niż klasyczne LED. Przede wszystkim LED laserowe mają węższą szerokość pasma, w którym emitują (maks. +/-5 nm). Kierunkowość i rozbieżność promienia emitowanego przez LED lub surową LED laserową (bez rezonatora lub z uszkodzonym rezonatorem) jest w przybliżeniu taka sama (ale w przypadku LED laserowych skupiona jest w jednej płaszczyźnie, w zależności od tego, jak są ułożone warstwowe połączenia PN LED laserowych). Diody laserowe produkowane są w dwóch układach: emitujące z krawędzi (edge emitting), w których rezonator jest tworzony przez naturalny załamanie krawędzi czypa; i emitujące z powierzchni (VCSEL – vertical cavity surface emitting laser), gdzie rezonator jest tworzony przez naprzemienne warstwy półprzewodników o różnym składzie, tworzące reflektor Bragga pod i nad promieniującą strefą (czyli połączeniem PN). Czasem LED laserowe wstawia się do zewnętrznych rezonatorów. Podstawowym problemem diod laserowych jest chłodzenie i stabilizacja mocy (która podobnie jak w przypadku LED silnie zależy od temperatury).
Obie grupy – światłoemisyjne i laserowe diody produkowane są z intermetalicznych stopów (półprzewodnikowych związków chemicznych), a to najczęściej z karbidu krzemu (SiC), arsenku galu (GaAs), fosforydu galu (GaP), lub ze stopów typu galium-arsenid-fosforan (GaAsP) i innych.