Wielki błękit
Choć emitująca niebieskie światło niebieska dioda LED (2) kojarzy się w popularnym wyobrażeniu przeważnie z tzw. niebieskim laserem i standardem odtwarzania Blu-ray, to Komitet Noblowski podkreślił, że japońscy uczeni zostali nagrodzeni za „emitujące niebieskie światło diody, które pozwoliły skonstruować energooszczędne białe źródła światła.” Nacisk położono na ogromne praktyczne znaczenie wynalazku – pozwolił on rozwinąć się białym lampom LED, które mają „rozświetlić XXI wiek.” Rekombinuje i świeci Diodę elektroluminescencyjną nazywa się w skrócie LED, co jest skrótem od angielskojęzycznego terminu light-emitting diode. Zaliczana jest do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych (3), emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego, podczerwieni i ultrafioletu. Do produkcji weszła w latach 60. ubiegłego wieku, w formie opracowanej przez amerykańskiego inżyniera Nicka Holonyaka Jr, który jest uważany za jej wynalazcę.
Możliwe zresztą, że została wynaleziona jeszcze wcześniej, aż w latach 20. XX wieku. Radziecki technik radiowy Oleg Łosiew zauważył wtedy, że diody ostrzowe używane w odbiornikach radiowych emitują światło. W latach 1927-1930 opublikował łącznie szesnaście artykułów opisujących działanie diod elektroluminescencyjnych. Działanie diody LED opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku. Zjawisko to zachodzi wówczas, gdy w półprzewodnikach elektrony przechodzą z wyższego poziomu energetycznego na niższy, a ich energia zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego. Dioda emitująca światło to złącze p-n. Gdy płynie prąd, to dodatnia dziura z warstwą p (positive) spotykają się z ujemnym elektronami z warstwą n (negative) i zachodzi ich rekombinacja, czyli elektron „spada” z wyższego poziomu energetycznego na niższy, oddając traconą energię w postaci emisji fotonu. Od rodzaju półprzewodnika zależy, jak duży jest ten kwant energii, tj. jaka jest różnica energii elektronu przed i po rekombinacji (jest to tzw. szerokość pasma zabronionego). Im większy jest ten kwant energii, tym krótsza jest długość fali. Niebieskie światło o krótkiej fali pojawia się tylko w niektórych materiałach o dużej szerokości pasma zabronionego – półprzewodnikiem takim jest azotek galu (GaN).
Ogólnie diody elektroluminescencyjne są wytwarzane z materiałów półprzewodnikowych (związki pierwiastków z III i V grupy układu okresowego, np. arsenek galu GaAs, fosforek galu GaP, fosforo-arsenek galu GaAsP o odpowiednim domieszkowaniu). Znane są barwy: niebieska, żółta, zielona, pomarańczowa, czerwona. Zakres promieniowania podczerwonego uzyskuje się z arsenku galu. Z fosforku galu pochodzi światło czerwone, zielone i żółte. Fosforo-arsenek galu emituje światło czerwone, pomarańczowe i żółte. Galo-arsenek glinu (AlGaAs) – czerwone i podczerwień. I w końcu azotek galu (GaN) – światło niebieskie i białe (gdy dioda jest pokryta luminoforem, który wzbudzany przez niebieskie światło diody z azotku galu świeci przykładowo na żółto, co w efekcie daje barwę białą z widocznym lekkim niebieskim odcieniem).
Diody LED są bardziej trwałe niż inne źródła światła. Zwykłe żarówki mają trwałość ok. 1 tys. godzin, a świetlówki ok. 10 tys. godzin, podczas gdy diody LED aż 100 tys. godzin!
Zapraszamy do lektury tematu numeru w magazynie Młody Technik.
