A LED

A LED (Light Emitting Diode) egy optoelektronikai félvezető eszköz, mely egy PN átmenetből álló fénykibocsátó dióda. Az elektronok a rétegátmenetnél rekombinálódva a lyukakkal alacsonyabb energiaszintre kerülnek, a keletkezett többletenergia pedig fotonok formájában felszabadul. Ennek a hatásnak a neve az elektrolumineszcencia.

A kibocsátott fény hullámhosszát, színét, a Pn átmenetet alkotó anyagok határozzák meg. Ezért a LED gyártásnál a félvezető alapanyagát annak megfeleleően választják meg, hogy színű fényt szeretnének előállítani vele.

A LED egy dióda, melynek két lába van: anód (P-típusú anyag) és a katód (N-típusú anyag). A töltések nyitó irányban szabadon áramlanak (anódtól a katód felé), de záró irányban nem. Amikor áram halad át nyitó irányban a LED-en, az elektronok a lyukakkal találkozva rekombinálódnak, ez a jelenség fotonok formájában energiát szabadít fel. Gondolhatnánk, ha növeljük az átfolyó áramot, akkor a fényerő is növekedni fog, ez azomban nem így van, mivel bizonyos töltésmennyiség áthaladása felett már jelentősen növekszik a PN átmenet hőmérséklete. Ez a jelenség pedig a hatásfok csökkenésével jár.

A nyitófeszültség (Vd) LED típusonként változik, attól függően, hogy a PN átmenet milyen alapanyagból készült, illetve, hogy mekkora a potenciális különbség anód – katód között. Ez egy piros LED esetében mintegy 1,7 V és UV LED-nél mintegy 4 V.

A PN átmenet sérülékeny, így minden esetben valamilyen átlátszó zárt epoxi tokba kerül, mely erősebb mint az üveg. A műanyag lehet színes, de az nem befolyásolja a kibocsátott fény színét. A LED tokjának teteje lencseszerűen van kialakítva, amely meghatározza a fény kisugárzási szögét.

Elektromágneses spektrum és a látható fény

Az elektromágneses spektrum kiterjed minden hullámhosszú fényre, a több ezer kilométerestől a femtométeresig. Ezért a sematikus ábrázolása általában logaritmikus skálán történik.

A skálának csak egy nagyon kicsi része van, mely az emberek számára látható. Ez a régió, az úgynevezett látható spektrum, mely 380nm-780 nm közé esik. Az emberi szem minden ebbe a tartományba eső hullámhosszú sugárzást felfog. A fehér fény több alkotóból áll melyek prizmával bonhtatóak szét, tipikus példa erre az esőcseppek által felbontott fehér fény, mely a szem számára elkülöníthetővé teszi a különböző spektrumokat. Ezt a jelenséget hívják szivárványnak. A szivárvány színeit a fehér fény szétszóródása okozza, amint az áthalad az esőcseppeken. A fény először az esőcsepp felületén törik meg, az esőcsepp túloldalán visszaverődik, majd kilépéskor ismét törést szenved.

A fény az emberi szem retinájának érzékelőit, az úgynevezett csapokat és pálcikákat ingerli, mely ingerek elektromos impulzusokként terjednek az idegekben, a látóidegen végighaladva az agyban keltenek világosságérzetet.

Színhőmérséklet

Egy fényforrás színhőmérsékletét az általa okozott színérzet és egy hipotetikus feketetest-sugárzó által létrehozott színérzet alapján határozzák meg. Izzólámpák esetében, lévén, hogy a fény izzásból származik, a színhőmérséklet jól egybe esik az izzószál hőmérsékletével. A nem hőmérsékleti sugárzás elvén működő fényforrások, mint például a fénycsövek esetében közvetlen fizikai jelentése nincsen. A színhőmérséklet egységét Kelvin-fokban határozzák meg. A napfény színhőmérséklete évszaktól, napszaktól függően folyamatosan változik. Derült időben, átlagos napsütés esetén ez kb. 5600 K. Hajnalban vagy naplementekor a színhőmérséklet 2500 K-re is csökkenhet, viszont borult, párás, ködös időben 6-10000 K-re is növekedhet. Nyílt tengeren, ill. magas hegyekben a színhőmérséklet 10-20000 K-t is elérheti.

Néhány színhőmérsékleti adat:

  • 1900 K Gyertyafény
  • 2800 K Izzólámpa (szabványos háztartási világítás.)
  • 3200 K Fotoizzó (szakmai világítás).
  • 5600 K Napfény, elektronikus vaku (kb).
  • 5770 K Tiszta napfény.
  • 6420 K Xenon lámpa.
  • 9300 K TV (CRT)
  • 28.000-30.000 Villám.

P típusú és N típusú anyag

A tiszta szilícium egy félvezető anyag, 4 elektronja található a vegyérték sávban, az atomok között kovalens kötés van. Amikor hőt közlünk a félvezető anyaggal, szabad elektron és lyuk keletkezik. A szabad elektron helyén keletkező elektronhiányt nevezik lyuknak. A szabad elektron energiaszintje magasabb, mint a vegyértéksáv elektronjának energiaszintje. Ha egy szabad elektron bekerül egy lyukba, energia szabadul fel, ez a folyamat a rekombináció.

  • P-típusú szilícium: A P-típusú félvezetőt 3 vegyértékű anyaggal ötvözve hozzák létre. Ez a folyamatot dópolásnak is hívják. Amikor a 4 vegyértékű szilíciumot három vegyértékű atomokkal ötvözik, akkor a kötésben egy elektronhiány, más néven lyuk keletkezik, azaz a lyukak a többségi töltéshordozók.
  • N-típusú szilícium: Az N-típusú félvezetőt szintén ötvözéssel álltják elő, mégpedig úgy, hogy a tiszta szilíciumhoz valamilyen 5 vegyérték elektronnal rendelkező anyagot ötvöznek. Ilyen 5 vegyértékű anyag például a foszfor (P), arzén (As) és antimon (Sb). Mivel a szilíciumnak 4, az ötvöző anyagnak 5 vegyérték elektronja van egy kötetlen elektron megmarad. Az így felmaradt extra elektronok lesznek a szabad elektronok és ezek lesznek a többségi töltéshordozók.

A potenciális belső akadály

A P és N réteg összekapcsolásával egy kiegyenlítődési folyamat indul meg, mely során az elektrontöbblettel rendelkező rétegből az elektronhiányos réteg felé haladnak a szabad elektronok. A réteghatáron történik meg elsőnek a kiegyenlítődés, így itt egy semleges zóna alakul ki. Ez a zóna megakadályozza a további töltéshordozók mozgását és egyfajta belső akadályként elválasztja a P és N réteget. Az így szétválasztott rétegek között potenciálkülönbség van, melyet az elektronikában feszültségnek nevezünk. Ez a potenciálkülönbség a P és N réteg között a félvezető alapanyagától is nagyban függ. Szilícium esetében ez a feszültség 0,7 V és 0,3 V, ha a kristály anyaga germánium (Ge).

Tehát a P-N átmenete kis feszültségen a diffúziós hatás miatt az áram útjában gátat képez. Nyitóirányú feszültség növekedése esetén, ha a külső feszültség eléri a küszöbfeszültséget, a zárórétegben megindul az elektronok áramlása, a határrétegben bekövetkezik a rekombináció, melynek során a felszabaduló energia fotonok formájában kisugárzódik.

A LED előnyei

A LED technológia számos előnnyel rendelkezik ellenben a hagyományos világítási rendszerekkel.

Energiatakarékosság: akár 80% költségmegtakarítást.

Hosszantartó: Akár 50.000 óra működés, mely 5-ször hosszabb élettartam, mint a fénycsöveké, és 50-szer hosszabb, mint egy normál izzó élettartama. Szinte karbantartásmentes.

Megbízhatóság: Kisebb meghibásodási ráta, mint a fénycső esetében. A hideg hőmérséklet növeli a hatékonyságot és az élettartamot.

Alkalmazkodás: Könnyen szabályozható, kapcsolásra gyorsan reagál, ezért PWM üzemmódban is kiválóan használható.

Ellenálló: Nem tartalmaz törékeny alkatrészeket, ezért sokkal jobban bírja a mechnaikai behatásokat egy izzóval szemben.

CO2-kibocsátás: Az alacsony fogyasztás és extra hosszú élettartam miatt környezetbarát.

Története

A LED-terveztét már 1927-ben elkészítette Oleg Vlagyimirovics Losev és Nick Holonyak. 1955-ben Rubin Braunstein az RCA cégtől (Radio Corporation of America) fedezte fel a gallium-arzenid (GaAs), és egyéb félvezető-ötvözetek infravörös emisszióját. A Texas Instruments kutatói, Bob Biard és Gary Pittman 1961-ben fedezte fel a gallium-arzenid fénykibocsátását, amelyet az elektromos áram gerjesztett. Ez a fény a nem látható, infravörös tartományába esett. Ifj. Nick Holonyak a General Electric Company-tól fejlesztette ki az első gyakorlatban használható látható fényű LED-et 1962-ben.

Az első kereskedelemben kapható LED színe vörös volt, és leginkább visszajelző fényként alkalmazták, mivel világításhoz nem volt elegendő fényereje. Később más színben is jelentek meg LED-ek.

A huszadik század végefelé fejlesztették ki az ultraibolya és kék LED-eket. Ezzel gyakorlatilag elérgetővé vált a fehér LED előállítása is. A nagy fényerejű LED-ek fejlesztése máig folyamatosan zajlik, keresik azokat a megoldásokat, anyagokat, melyekkel a LED fényerejét tovább tudják növelni. A mai nagy teljesítményű LED-ek már bíztosítanak annyi fényt, hogy világításra is felhasználhatóak.

Hatásfok és teljesítmény

A LED több fényt bocsát ki wattonként, mint egy normál izzó. Hatékonyságát nem befolyásolja az alakja, szemben az izzókkal, viszont nagy figyelmet kell fordítani a megfelelő hőelvezetésre.

A probléma az az, hogy a növekvő teljesítmény velejárója, a növekvő hőmérséklet, ami csökkenő hatásfokot eredményez. Ezért igyekeznek úgy kialakítani a nagyobb teljesítményű LED-ek burkolatát, hogy a kialakított fémfelületen keresztül biztosítható legyen a megfelelő hűtés.

A következő ábra az egyes világító eszközök közötti hatásfok-különbséget mutatja.

Alkalmazási területek

LED-eknek számos alkalmazási területe van. Felhasználásuk kezdődött elsőnek az infra diódákkal, melyet televízió távirányítókban használtak, majd később más eszközökben is megjelentek, mint például Hi-Fi berendezések, légkondicionáló, illetve adatátviteli eszközként néhány mobilkészülékben. Egy másik fontos alkalmazása a háttérvilágítás mobiltelefonok, számológépek, PDA-k, kijelzőiben.

LED-ek találhatók a legtöbb állapotjelző, fényjelző berendezésekben, információs táblákban, fényujságokban, szabadtéri LED kijelzőkben, sürgősségi, valamint közlekedési fényjelző berendezésekben, stb.

A LED-ek alkalmazása növekszik a jövőben, a fentebb felsoros számos előnyűk miatt.

További forrás:

http://www.sakma.com/index.php?page=el-led&hl=en_EN

http://hu.wikipedia.org/wiki/Világító_dióda