Trudno dziś znaleźć urządzenie, które nie korzysta z diod LED. Świecą w latarkach, sygnalizują działanie sprzętów, rozświetlają pokoje, ekrany i ulice. Małe punkty światła, które zużywają niewiele energii i działają przez lata, stały się podstawą nowoczesnego oświetlenia. Ale jak to się zaczęło? I co właściwie sprawia, że dioda LED świeci?
Fot. 1. Diody elektroluminescencyjne produkowane są w różnych wielkościach i kształtach obudowy. W większości przypadków kolor obudowy odpowiada barwie emitowanego światła. Wyjątek stanowią obudowy bezbarwne, które stosuje się do diod światła białego, jak i innych barw – również wielokolorowe oraz diod emitujących podczerwień.– Wikimedia, Autorstwa Afrank99
Dioda LED (z ang. Light Emitting Diode), czyli dioda elektroluminescencyjna, to półprzewodnikowy element elektroniczny, który emituje światło, gdy przepływa przez niego prąd. W przeciwieństwie do tradycyjnych źródeł światła, LED-y nie zawierają żarnika ani nie działają na zasadzie żarzenia. Światło powstaje dzięki zjawisku fizycznemu na poziomie struktury krystalicznej materiału półprzewodnikowego.
Początki i historia odkrycia
Zjawisko emisji światła przez półprzewodniki po raz pierwszy zaobserwował rosyjski fizyk Oleg Łosiew w latach 20. XX wieku. Choć jego prace były pionierskie, to nie doprowadziły do powstania praktycznych rozwiązań. W 1962 roku Nick Holonyak Jr., pracujący dla General Electric, stworzył pierwszą diodę świecącą w zakresie światła widzialnego i była to dioda czerwonego koloru. Wcześniej znane były diody emitujące światło w podczerwieni, ale to wynalazek Holonyaka otworzył drogę do zastosowania LED-ów jako źródła światła dla ludzi.
Kolejne dekady przyniosły rozwój diod o nowych barwach. W 1972 roku George Craford, uczeń Holonyaka, opracował diodę żółtą oraz znacznie jaśniejszą wersję czerwonej diody. W latach 90. udało się wreszcie opracować niebieskie diody LED, co umożliwiło tworzenie białego światła. Za ten wkład w rozwój technologii LED trzech naukowców – Isamu Akasaki, Hiroshi Amano i Shuji Nakamura – otrzymało w 2014 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Na początku swojej historii diody LED wykorzystywane były głównie jako wskaźniki i sygnalizatory w urządzeniach elektronicznych. Z czasem, dzięki rosnącej efektywności świetlnej i spadającym kosztom produkcji, zaczęto je stosować w dużo szerszym zakresie
Jak działa dioda LED?
Działanie diody LED opiera się na zjawisku elektroluminescencji. Polega ono na emisji światła w wyniku rekombinacji promienistej. Jest to proces, w którym elektrony przechodzą ze stanu o wyższej energii do stanu o niższej energii w strukturze półprzewodnika, oddając nadmiar energii w postaci fotonów. Zjawisko to zachodzi w specjalnie zaprojektowanym złączu p-n. Materiały takie jak arsenek galu (GaAs) i jego pochodne są kluczowe dla efektywnego działania LED-ów.
Rodzaje i barwy diod LED
Barwa światła diody LED zależy od materiału, z którego jest wykonana. Różne półprzewodniki emitują światło o różnej długości fali, od ultrafioletu, przez światło widzialne, aż po podczerwień. Przykładowo, czerwone LED-y wykorzystują fosforek galu (GaP), zielone – azotek galu (GaN), a niebieskie – azotek galu-indu (InGaN). Diody białe zazwyczaj powstają poprzez nałożenie luminoforu na niebieską diodę lub przez połączenie trzech kolorów podstawowych w jednej obudowie (RGB). Popularne są też wersje RGBW (z dodatkowym białym chipem) oraz LED-y podczerwone (IR), wykorzystywane np. w pilotach.
Fot. 2. Zielona, żółta i czerwona dioda elektroluminescencyjna – Wikimedia, Autorstwa Kszapsza
Zastosowania i zalety diod LED
Dioda LED to jedno z najbardziej uniwersalnych źródeł światła współczesnej elektroniki i techniki. Spotykamy ją w latarkach, lampkach rowerowych, reflektorach samochodowych, telewizorach i ekranach LED. Dzięki szerokiej palecie barw i niskiej emisji ciepła, LED-y znajdują zastosowanie w scenografii, dekoracjach świetlnych oraz rolnictwie (np. do doświetlania roślin). W medycynie wykorzystuje się je m.in. do terapii światłem, a w przemyśle w urządzeniach sygnalizacyjnych i systemach automatyki.
Fot. 3. Sygnalizacja świetlna LED czerwona i zielona – Wikimedia, autorstwa Smuconlaw; zdjęcia oryginalne autorstwa Jacklee
LED-y są cenione za swoją trwałość, niskie zużycie energii, odporność na wstrząsy oraz niewielkie rozmiary. Charakteryzują się wysoką sprawnością. Większość energii przekształcają w światło, a nie w ciepło. W porównaniu do tradycyjnych źródeł światła, LED-y zużywają znacznie mniej prądu i mają znacznie dłuższą żywotność, co czyni je bardziej ekologicznymi i ekonomicznymi.
Podsumowanie
Diody LED na stałe wpisały się w krajobraz współczesnych technologii. Od skromnych początków w laboratoriach fizyków, przez rewolucję w oświetleniu, aż po zaawansowane zastosowania przemysłowe i medyczne. LED-y pokazują, jak ogromny potencjał może mieć mały półprzewodnik. Dziś są nie tylko źródłem światła, ale podstawą wielu rozwiązań, bez których trudno wyobrazić sobie codzienne życie.
Źródło: Wikipedia