Svetleća dioda

Izvor: Wikipedia
Crvena, plava i zelena svetleća dioda

Svetleća dioda (eng. LED; Light-emiting diode) je posebna vrsta poluprovodničke diode koja emituje svetlost kada je propusno polarisana, tj. kada kroz nju teče struja.[1][2][3]

Fotoni svetla se emituje prilikom rekombinacije para elektron-šupljina. Takvo svojstvo imaju poluprovodnici:

Rubin Braunstin iz Američke radio korporacije prvi je dao izveštaje o infracrvenoj emisiji svetlosti galijum-arsenida (GaAs) 1955. godine.

Naučnici Teksas instrumentsa, Bob Bajard i Gari Pitman, 1961. godine otkrili su da galijum-arsenid pušta svetlo kada ima električne struje, nakon čega su prijavili patent na infracrvenu diodu. Nik Holonjak mlađi iz Dženeral elektrika prvi je pronašao vidljivi spektar svetleće diode. Boja emitovanog svetla zavisi od vrste poluprovodonika, kao i od primesa u njemu, i varira od infracrvenog do ultraljubičastog dela spektra.[4]

Istorija[uredi - уреди]

Zelena elektroluminiscencija na mestu kontakta sa kristalom silicijum karbida je ponavljanje Raundovog eksperimenta iz 1907.

Elektroluminiscencija je fenomen koji je 1907. otkrio britanski istraživač H. Dž. Raund dok je radio za kompaniju Markoni, koristeći kristal silicijum karbida i kristalni detektor.[5][6] Rus Oleg Losev je 1927. prijavio izradu prve svetleće diode.[7] NJegova istraživanja su objavljena u sovjetskim, nemačkim i britanskim naučnim žurnalima, ali nekoliko decenija nije bilo praktične koriste od njegovog pronalaska.[8][9] Rubin Braunstejn[10] iz Radio korporacija Amerike je 1955. prijavio infracrveno zračenje od galijum arsenida (GaAs) i drugih poluprovodničkih legura.[11] Braunstejn je primeto infracrveno zračenje koje su emitovale proste diode koje su koristile legure galijum antimonida (GaSb), GaAs, indijum fosfida (InP) i silicijum-germanijuma (SiGe) na sobnoj temperaturi i na 77 K.

Američki istraživači Džejms R. Bajard i Gari Pitman su 1961 otkrili, radeći za Teksas instrument,[12] da GaAs emituje infracrveno zračenje kada se priključi u električno kolo. NJih dvojica su uspeli da dokažu prvenstvo svog naroda na osnvu inženjerskih beleški i dobili su prvi američki patent za svetleću diodu (iako je emitovana svetost bila infracrvena).

Prvu praktičnu svetleću diodu u vidljivom delu spektra (crvenu) je 1962. razvio Nik Holonjak, dok je radio za Dženeral elektrik.[13] Holonjak je prvi put prijavio svoje otkriće u žurnalu Applied Physics Letters 1. decembra 1962.[14] Holonjak se smatra „ocem svetleće diode“.[15] M. Džordž Kroford,[16] bivši Holonjakov student, je 1972. izumeo prvu žutu svetleću diodu i za oko deset puta poboljšao sjajnost crvenih i cvrvenkasto-narandžastih svetlećih dioda.[17] T. P. Persal je 1976. stvorio prvu svetleću diodu visoke efikasnosti za komunikaciju optičkim vlaknima izumevši nove poluprovodničke materijali posebno prilagođene talasnim dužinama komunikacije optičkim vlaknima.[18]

Tehnologija laserske diode istražena je u `80-ima, i to je bilo ogromno poboljšanje u smislu izlazne jačine svjetlosti. Zbog relativno male potrošnje, LED se na tržištu tokom 1990-ih usmjerava prema tržištu ekrana, automobilske i prometne signalizacije. Veoma važno otkriće slijedi u 1993. god. od Shuji Nakamura, koji radi za Nichi-a, to je bio plavi LED, sa kojim je završio polazni raspon primarnih boja LED-a, ali je bio i prvi korak koji je na kraju doveo do proizvodnje bijele LED diode kakvu znamo danas.

Na prelazu u 21. vijek LED tržište je bilo odvedeno do novog nivoa izumom u Luxeonu, koji je ponudio 10 puta jaču izlaznu svjetlost nego postojeće diode. Ključ uspjeha je patentirana metoda prenosa topline što je dozvoljavalo LED diodi daleko veće snage nego što je prethodno bilo ostvarivo, od samog početka su i drugi proizvođači također uvedeni u razvijanje diode visoke snage i iskoristivosti. Lumileds je također razvio proizvodnju 'toplo bijele' diode sa temperaturom boje od 3200 ° K

Razvojem proizvodnje visoko-učinkovite rasvjete, naročito u 2006. i 2007. godini na tržištu je sve više visoko-efikasnih izvora LED rasvjete bilo da su to LE diode, LED komponente, LED sklopovi ili LED svetiljke, efikasnost LED izvora raste, te u kombinaciji sa malim dimenzijama omogućava LED svjetiljki izuzetnu efikasnost i kontrolu emitovane svjetlosti.

Tehnologija[uredi - уреди]

Presek svetleće diode. Gore je data je šema, a dole dijagram načina rada LED
I-V dijagram diode. LED počinje da emituje svetlost kad se premaši njen on-napon. Do toga tipično dolazi pri naponima od 2-3 volta.

Princip rada[uredi - уреди]

Svetleća dioda se sastoji od čipa napravljenog og poluprovodnog materijala koji je dopiran nečistoćama kako bi se napravio p-n spoj. Kao i kod običnih dioda, električna struja teče od p-strane ili anode ka n-strani ili katodi, ali ne i u suprotnom smeru. Nosioci nalektrisanja, elektroni i šupljine teku u spoj sa elektroda između kojih postoji električni napon. Kada se elektron sudari sa šupljinom, on pada na niži energetski nivo i oslobađa energiju u vidu fotona.

Talasna dužina emitovane svetlosti, a time i njena boja, zavisi od energetske barijere materijala koji čine p-n spoj. Kod silicijumskih i germanijumskih dioda, elektroni i šupljine se rekombinuju ne-zračećom tranzicijom, koja ne daje vidljivu emisiju, jer su oni materijali sa indirektnom energetskom barijerom. Materijali koji se koriste za izradu svetelćih dioda imaju direktnu energetsku barijeru sa energijama koje odgovaraju skoro infracrvenoj, vidljivoj i skoro-ultraljubičastoj svetlosti.

Razvoj svetlećih dioda je započeo sa diodama od galijum arsenida koje su emitovala infracrvenu i crvenu svetlost. Napredak u nauci o materijalima je omogućio izradu dioda sa sve kraćim talasnim dužinama, koje su emitovale svetlost raznih boja.

Prednosti i karakteristike[uredi - уреди]

Dodatne prednosti su male dimenzije, te izuzetno jednostavno upravljanje i regulacija, s obzirom da su temperaturno inverzne, nemaju problema sa niskim temperaturama, a noviji sastavi imaju vrlo visoku trajnost – 60.000 sati za 50% održanja svjetlosnog toka. Mnoge zemlje razmatraju promjene klasične rasvjete, a Kalifornija je pripremila zakon kojim će se klasične sijalice proglasiti toksičnim otpadom jer sadrže teške metale, i dakako da je jedno od rešenja i LED rasvjeta.

Sijalice kakve danas poznajemo nastale su 1910. godine, i sadrže balon u kojem je vakuum ili neki inertni plin, te žarnu nit koja se usijava i na taj način svijetli te je iskoristivost svjetlosnog dijela sijalice samo 5%, a 95% otpada na toplotu.

LED rasvjeta ima efikasnost veću od 95%, znači da sijalica od 100 W ima istu efikasnost kao dioda od 6 W. Budući da nema žarnu nit koja bi pregorela ili staklo koje bi puklo, LED diode su vrlo pouzdane, jednostavno se povezuju s digitalnim sklopovima i za svoj rad ne zahtijevaju visoke napone. Ušteda energije je očigledna, tehnologija proizvodnje LED-a se razvila, i u svakom modernom uređaju nalazimo LE-diode, s obzirom na veliki udio klasične rasvjete, izmjenom iste sa LED-om u Europi bi se godišnje smanjila stopa emisije ugljenikovog dioksida za čak 25 miliona tona ili bi se „poništila“ emisija 10-ak miliona automobila.

U automobile visoke klase već danas se ugrađuju LED svjetla, a tim primjerom će krenuti i jeftiniji segment automobila, jer radni vijek LE diode je 100.000 sati te nisu osjetljive na paljenje/gašenje, udarce, vodu... dok je klasičnim (halogen, običnim) sijalicama radni vijek 800 sati i imaju lošiju otpornost na udarce, vodu, paljenje/gašenje...

Korištenjem LED rasvjete u našem domaćinstvu drastično bismo smanjili račune za električnu energiju, jer bi ukupna rasvjeta cijele kuće imala snagu od 100 W što je danas snaga jedne prosječne sijalice koju koristimo u prostoriji, a osim finansijskih ušteda, smanjenjem potrošnje energije poništili bi godišnju emisiju manjeg gradskog automobila.

LED izvori također pružaju mogućnost veoma preciznog usmjerenja svjetlosti (veoma uski snop svjetlosti) na taj način smanjujući nepotrebne gubitke svjetlosti, to predstavlja manje svjetlosno zagađenje, ali ujedno i mogućnost puno efikasnijeg i preciznijeg razmještanja samih svetiljki. LED koja koja je crvene boje, emituje svjetlost s' frekvencijom od oko 65 0nm. Zelena LED emituje spektar s’ frekvencijom od oko 600nm, a plava LED emitira svoju svjetlost sa oko 400nm. LE dioda ne emituje niti jednu drugu frekvenciju, za razliku od toplotnih izvora osvjetljenja, koja emituje puno veći spektar zračenja koji je i ispod i iznad spektra frekvencija vidljive svjetlosti.

Primjene[uredi - уреди]

Prvi prodor LE dioda je postignut u signalnoj rasvjeti za vozila (pozicijska svjetla, štop svjetla i pokazivači smjera), a sada se širi na akcentnu rasvjetu malih djelova u trgovinama te na dekorativnu i scensku unutrašnju i spoljašnju rasvjetu.

Reference[uredi - уреди]

  1. Moreno, Ivan; Sun, Ching-Cherng (2008). "Modeling the radiation pattern of LEDs". Optics Expres 16 (3): 1808–19. Bibcode:2008OExpr..16.1808M. doi:10.1364/OE.16.001808. PMID 18542260. 
  2. H. J. Round (1907). "A Note on Carborundum". Electrical World 19: 309. 
  3. Margolin J. "The Road to the Transistor". http://www.jmargolin.com/historytrans.htm. 
  4. "Inventor of long-lasting, low-heat light source", 21. 4. 2004., pristupljeno 21. 12. 2011..
  5. Round, H. J. (1907). "A Note on Carborundum". Electrical World 19: 309. 
  6. Margolin J. "The Road to the Transistor". jmargolin.com. http://www.jmargolin.com/history/trans.htm. 
  7. Losev, O. V. (1927). Telegrafiya i Telefoniya bez Provodov 44: 485–494. 
  8. Zheludev, N. (2007). "The life and times of the LED: a 100-year history" (free-download PDF). Nature Photonics 1 (4): 189–192. Bibcode:2007NaPho...1..189Z. doi:10.1038/nphoton.2007.34. 
  9. Lee, Thomas H. (2004). The design of CMOS radio-frequency integrated circuits. Cambridge University Press. str. 20. ISBN 978-0-521-83539-8. 
  10. Rubin Braunstein. physics.ucla.edu
  11. Braunstein, Rubin (1955). "Radiative Transitions in Semiconductors". Physical Review 99 (6): 1892. Bibcode:1955PhRv...99.1892B. doi:10.1103/PhysRev.99.1892. 
  12. "The first LEDs were infrared (invisible)". The Quartz Watch. The Lemelson Center. http://invention.smithsonian.org/centerpieces/quartz/inventors/biard.html. pristupljeno 13. 8. 2007.. 
  13. "Nick Holonyak, Jr. 2004 Lemelson-MIT Prize Winner". Lemenson-MIT Program. http://web.mit.edu/invent/a-winners/a-holonyak.html. pristupljeno 13. 8. 2007.. 
  14. Holonyak Nick; Bevacqua, S. F. (December 1962). "Coherent (Visible) Light Emission from Ga(As1−x Px) Junctions". Applied Physics Letters 1 (4): 82. Bibcode:1962ApPhL...1...82H. doi:10.1063/1.1753706. 
  15. Wolinsky, Howard. "U. of I.'s Holonyak out to take some of Edison's luster", 'Chicago Sun-Times', 5. 2. 2005., pristupljeno 29. 7. 2007..
  16. Perry, T.S. (1995). "M. George Craford [biography]". IEEE Spectrum 32 (2): 52–55. doi:10.1109/6.343989. 
  17. "Brief Biography — Holonyak, Craford, Dupuis" (PDF). Technology Administration. http://www.technology.gov/Medal/2002/bios/Holonyak_Craford_Dupuis.pdf. pristupljeno 30. 5. 2007.. 
  18. Pearsall, T. P.; Miller, B. I.; Capik, R. J.; Bachmann, K. J. (1976). "Efficient, Lattice-matched, Double Heterostructure LEDs at 1.1 mm from GaxIn1-xAsyP1-y by Liquid-phase Epitaxy". Appl. Phys. Lett. 28 (9): 499. Bibcode:1976ApPhL..28..499P. doi:10.1063/1.88831. 

Literatura[uredi - уреди]

Vanjske veze[uredi - уреди]