LED
Luminiscenčna dioda ili svjetlona dioda (drugi nazivi: elektroluminiscenčna dioda, LED, rijetko svjetlila dioda, fosforne diode, dioda koja emitira svjetlost, narodno izraz ledka, eng. light-emitting diode) je poluvodička elektronska komponenta koja emitira usko spektralno svjetlo kada kroz nju prolazi električni struj u prijenosnom smjeru. Svjetlosni fenomen nastaje kao posljedica fosfornog rekombiniranja elektron-pukotina parova i to je oblik elektroluminiscencije. Boja emitiranog svjetla ovisi o strukturi PN prijelaza kao i o korištenom materijalu.
Stvaranje LED i laser dioda postalo je moguće zahvaljujući istraživanju poluvodičkih heterostruktura, na kojima je radio ruski znanstvenik Zhores Ivanovič Alfiorov. Prvu praktično primjenjivu LED razvio je 1962. godine američki znanstvenik Nick Holonyak.
Najjeftinije se proizvode infracrvene diode, zatim najjeftinije svjetleće su crvene. Zelene su otprilike 20 % skuplje od crvenih. Plave su prema proizvođaču i višestruko skuplje od crvenih, ali njihova cijena u posljednje vrijeme brzo pada.
Samostalna konstrukcijska kategorija su OLED (Organizirane LED).
Vrste LED
Ultrafioletne (UV) LED
LED čija je vrhunacna točka emitiranja ispod 420 nm zovu se UV LED. Proizvodne tehnologije (slobodni patent za tržište i zbog sigurnosnih razloga) ne dopuštaju UV LED s snagom iznad 10 mW. U trgovinama je najčešće moguće dobiti UV LED s valnim duljinama 380 – 420 nm i 320 – 370 nm.
Infracrvene (IR) LED
Emitirajući dijagram ovih LED ima snagovu vrhunacu iznad 680 nm. Budući da je ljudsko oko (pupila nije sposobna propustiti zračenje s valnom duljinom iznad 1 400 nm) i u suštini cijela fiziologija čovjeka imuna na IR zračenje, moguće je nabaviti IR LED s snagama i visoko iznad 10 mW. Obično se prodaju IR LED s valnom duljinom 680 – 750 nm i 870 – 950 nm, koje su prikladne kao izvori IR zračenja za daljinska upravljača. Svjetlost ovih dioda nije moguće primijetiti slobodnim okom, ali se može pogledati npr. kroz digitalni fotoaparat koji je osjetljiv na IR svjetlost.
Svaka LED izrađena samo od jednog vrsta poluvodiča ima svoju karakterističnu valnu duljinu na kojoj emitira svjetlost (dovoljno širinom zabranjenog paska poluvodiča). Tu valnu duljinu može se „postaviti“ pomoću korištenog vrsta poluvodiča (tj. omjerom sadržaja pojedinih elemenata – komponenti – poluvodiča) i kod nekih poluvodiča (GaN) i promjenom sadržaja dotacijskog elementa. Na taj način može se izraditi LED s istim substratom u širokom spektru valnih duljina. Praktično je moguće izraditi LED koje emitiraju svjetlost s valnim duljinama od 250 do 3 500 nm. LED s jednom snagovom vrhunacom zove se monokromatska LED. Spektralna krivulja emitiranog svjetla ima u njihovom slučaju oblik Gaussove krivulje, koja nije šira od +/-25 nm. Monokromatske LED emitiraju minimalno 90 % ukupne fosforne snage u rasponu maksimalno +/-10 nm. Stvarne LED međutim nisu potpuno idealni spektralni dijagram i kod nekih vrsta se pojavljuju i sekundarne maksimalne vrijednosti na drugim valnim duljinama. Ali ove sekundarne maksimalne vrijednosti ne predstavljaju ni 1 % ukupne snage.
Postoje dva osnovna načina proizvodnje visoko intenzivnog bijelog svjetla s korištenjem LED. Jedan koristi samostalne LED, koje emitiraju osnovne boje – crvenu, zelenu, plavu – i njihovom mješavinom nastaje bijelo svjetlo. Drugi s korištenjem fosfornog materijala mijenja monokromatsko svjetlo iz plave ili ultrafioletne LED na širokopojasno bijelo svjetlo.
RGB LED
Prvi tip je sastavljen od triju monokromatskih LED, koje emitiraju zračenje u bojama crvena, zelena, plava. Takvim LED se kaže RGB LED (od eng. skraćenica za red, green, blue). Njihova iznimnost je mogućnost regulacije snaga pojedinih komponenti (pojedinih monokromatskih LED) i na taj način postići ne samo bijelo svjetlo, već i cijelo spektralno raspon boja, u rasponu rubnih komponenti RGB LED.
Fluorescentne LED
Drugi tip bijelih LED temelji se na promjeni valne duljine emitiranog zračenja klasične monokromatske LED na širokopojasno kontinuirano spektrum, čija energija je raspoređena otprilike jednako po cijelom spektru. Promjena valne duljine postiže se u sloju luminofora (fluorescentnog materijala). Kao buduća monokromatska LED koristi se visokosvjetlana plava LED. Njezino korištenje međutim donosi i malu nedostatke ovih LED. Valna duljina buduće LED se pojavljuje kao primarna maksimalna vrijednost emitiranog spektralnog dijagrama, ali emitirana energija ne pada sve do nula (prema crvenoj boji), već nakon blagog pada postiže sekundarnu (nižu i širu) maksimalnu vrijednost negdje oko 560 nm (narančasta boja), što je dano emitirajućim spektrom korištenog luminofora. Tek nakon toga sekundarna maksimalna vrijednost postepeno pada na nulu, koju postiže većinom tek iza granice VIS/IR zračenja. Iz toga proizlazi plavkasto do zelenkasto nijansa emitiranog bijelog svjetla. Što je bijela LED kvalitetnija, to je ta nijansa manje primjetna.
Vrlo jake LED. Osnovna sluzi istovremeno kao hladnjak čipa.
Obična LED ima fosfornu snagu daleko ispod 5 mW. To je uzrokovano time da se stvarajući elektron-pukotina parovi u PN prijelazu u homogenom poluvodiču pri povećavajućem se struju imaju tendenciju rekombinacije nežarivo (tj. mijenjaju svoju energiju u toplinu), i prijelaz se zagrijava. Tako je ograničena gustina struje na prijelazu, a budući da poluvodiči, od kojih se LED proizvode, imaju relativno veliku gustinu ometanja, a zbog učinka i pouzdanosti je ograničena maksimalna moguća površina čipa na nekoliko mm², to je ograničilo i ukupnu struju čipa. S vanjske strane to iz električnog aspekta izgleda kao da je ograničujuća fizička svojstvo serijski otpor i strmosnost V-A karakteristike u otvorenom stanju. Ako želimo LED prisiliti da emitira više svjetla, moramo povećati napajanje napon, čime se povećava i struja prolazeća LED. Nakon prelaska kritične vrijednosti struje dolazi do degradacije PN prijelaza i doslovno do njegovog topljenja zbog visoke temperature (više od 1 000 °C). Zato je zbog povećanja snage LED razvijene tehnologije koje ih pomeraju daleko iznad granice 5 mW emitiranog snage. Za postizanje viših snaga koriste se poluvodiči s manjom strmosnošću V-A karakteristike i s većim dimenzijama PN prijelaza ili paralelizacijom PN prijelaza agregiranih (vrstane PN prijelaze) na istom čipu. Dalje se konstruiraju multi-PN prijelazne LED, koje, iako na račun povećanja napajanja, povećavaju rezultirajuću snagu. Najznačajnija promjena je međutim korištenje tzv. heteroprijelaza (tj. P i N slojevi su iz različitih poluvodiča), pri čemu je moguće postići višu tzv. injektivnu učinkovitost, čime više elektron-pukotina parova rekombinira žarivo nego nežarivo i pri velikim strujama. Danas može se nabaviti LED s snagom i više od 1 W. LED koje postižu svjetlosnost više od 100 mCd zovu se visokosvjetlana (ultrabright) LED.
Laser diode
Laser dioda u kutiji
Sam čip laser diode (postavljen za usporedbu na iglu uhu)
Laser LED nisu potpuno laser. Iako njihovo svjetlo nastaje na temelju stimulirane emisije, ne može se smatrati pravim laserom, već samo izvorom laserskog svjetla. Iz definicije laserskog svjetla je jasno da laser LED imaju više zahtjeva za parametre od klasičnih LED. Prvenstveno imaju laser LED užu širinu paska u kojem emitiraju (maks. +/-5 nm). Smjer i rasprostranjenost emitiranog zraka LED ili surove laser LED (bez rezonatora ili s oštećenim rezonatorom) je otprilike ista (ali u slučaju laser LED su usredotočene u jednu ravninu, prema tome kako su raspoređene vrstane PN prijelaze laser LED). Laser diode se proizvode u dvije organizacije: emitirajuće iz ruba (edge emitting), pri kojima rezonator je formiran prirodnim lomom ruba čipa; i emitirajuće iz površine (VCSEL – vertical cavity surface emitting laser), gdje rezonator je formiran izmjeničnim slojevima poluvodiča različite kompozicije, formirajući Braggov reflektor ispod i iznad fosforne regije (tj. PN prijelaza). Ponekad se laser LED uključuju u eksterni rezonatore. Osnovni problem laser dioda je hlađenje i stabilizacija snage (koja, kao i kod LED, ovisi o temperaturi).
Oba skupa – svjetlosne i laser diode se proizvode iz intermetalnih legura (poluvodičkih spojina), a to su obično karbid kremnja (SiC), arsenid galijuma (GaAs), fosfid galijuma (GaP), ili iz legura tipa galijum-arsenid-fosfid (GaAsP) i druge.