Diody oświetleniowe LED – półprzewodnikowe natarcie

0
113

Półprzewodnikowa rewolucja swym zasięgiem objęła także źródła światła. Diody LED (Light-Emitting Diode, czyli dioda emitująca światło) istnieją na rynku oświetleniowym od ponad pięćdziesięciu lat, choć samo zjawisko elektroluminescencji, które leży u podstaw technologii LED, zostało odkryte znacznie wcześniej.

Elektroluminescencja

Elektroluminescencja została zaobserwowana przez Brytyjczyka Henry’ego Rounda w 1907 roku. Jest to zjawisko polegające na emisji fotonów przez pewne materiały, które poddane są działaniu czynników zewnętrznych. Materiałami są różne rodzaje półprzewodników, a fotony (fala elektromagnetyczna) emitowane zostają przez wzbudzone elektrony w wyniku promieniowania rekombinacji elektronów i dziur.

Rekombinacją nazywamy sposób przejścia układu z energetycznego stanu wzbudzenie do stanu podstawowego. W położeniu podstawowym elektrony zajmują w atomach możliwie najniższe stany energetyczne, znajdują się w tzw. paśmie walencyjnym. W stanie wzbudzenia elektrony w atomach przenoszone są z pasma walencyjnego do tzw. pasma przewodnictwa, czyli zajmują wyższe stany energetyczne. Wzbudzenie następuje w wyniku zewnętrznych czynników, jak np. przepływ prądu w efekcie oddziaływania silnego pola elektrycznego.

Naturalnym procesem jest dążenie elektronu do obniżenia swojego stanu energetycznego. Jest to jednakże warunkowane istnieniem wolnego miejsca w paśmie walencyjnym, czyli tzw. dziury, w miejsce której może wskoczyć elektron. Zjawisko to zostało nazwane rekombinacją (anihilacją) pary elektron-dziura. Różnica energii, którą posiada elektron przed i po skoku zostaje wypromieniowana w postaci fali elektromagnetycznej. Gdy promieniowanie odpowiada energiom fal z zakresu widzialnego, mamy do czynienia z emisją światła.

Zasada działania

Jak już wspomniano na wstępie, na zjawisku elektroluminescencji oparte jest działanie diod LED. Są one zbudowane ze struktur półprzewodnikowych, w których elektrony i dziury rekombinują w odpowiednio stworzonych warunkach. Odbywa się to w złączu dwóch warstw półprzewodników typu p-n. Materiał półprzewodnikowy typu p charakteryzuje się nadmiarem dziur rozlokowanych w pasmie walencyjnym, zaś typu n posiada nadmiar elektronów. Przyłożenie napięcia powoduje powstanie pola elektrycznego i przeskok elektronów, któremu towarzyszy pozbycie się nadmiaru energii w postaci emisji strumienia fotonów. Energia fotonu równa jest różnicy energii elektronu, którą ten posiada podczas wzbudzenia i w stanie podstawowym, czyli równa jest wartości przerwy między stanami energetycznymi. Przerwa energetyczna jest wartością zmienna, zależną od materiału, z którego wykonany jest półprzewodnik. Domieszkując odpowiednio pierwiastki składowe półprzewodnika otrzymujemy materiały o różnych przerwach energetycznych, co w efekcie przekłada się na emisję fal świetlnych o różnych energiach, czyli różnych barwach świecenia (długościach fali świetlnej) od podczerwieni do ultrafioletu.

Historia

Za wynalazcę diody LED, w formie jaką znamy, uznaje się Nicka Holonyaka, amerykańskiego naukowca, którego zespół w 1962 roku opracował diody emitujące promieniowanie w zakresie widzialnym o barwie czerwonej. Zastosowano tu połączenie potrójnego związku galu, arsenu i fosforu (GaAsP) z arsenkiem galu (GaAs). Z czasem arsenek galu zastąpiono fosforkiem (GaP). co pozwoliło na zwiększenie sprawności LED-ów i uzyskanie pomarańczowej barwy światła.

Prace nad diodą LED trwały oczywiście wcześniej. Niektóre źródła wspominają o eksperymentach rosyjskiego fizyka Olega Łosiewa, który w latach dwudziestych ubiegłego wieku prowadził badania nad elektroluminescencją i opublikował kilkanaście artykułów dotyczących diod świecących. Swoje prace oparł on na spostrzeżeniu, że diody ostrzowe używane w odbiornikach radiowych potrafią emitować fale świetlne.

W niektórych publikacjach przywoływane są eksperymenty prowadzone w Niemczech przez Bernarda Guddena i Roberta Wicharda Pohla, którzy w swych badaniach wykorzystywali siarczan cynku zmieszany z miedzią, nie osiągając jednak zadowalających rezultatów.

W roku 1935 francuski fizyk Georges Destriau odkrył emisję światła w siarczku cynku, i to on jest dzisiaj powszechnie uznawany za odkrywcę zjawiska elektroluminescencji.

Jednak dopiero brytyjskie badania nad elektroluminescencją prowadzone w latach pięćdziesiątych z zastosowaniem półprzewodników m.in. galowo-arsenowych prowadzone pod kierownictwem H. Walkera pchnęły prace na nowe tor. Ponieważ związki występujące w środowisku naturalnie charakteryzowały się niezbyt dobrymi parametrami optycznymi, zaczęto prowadzić prace nad poszukiwaniem sztucznych związków półprzewodnikowych, które charakteryzowałyby się odpowiednimi cechami zarówno elektrycznymi, jak i optycznymi, dzięki czemu mogłyby powstać poddające się kontroli przyrządy optoelektroniczne. W latach 1952 i 1953 opublikowane zostały wyniki prac nad nowymi związkami półprzewodnikowymi, które po raz pierwszy udało się sztucznie wytworzyć. Owe związki posiadały właściwości typowych materiałów półprzewodnikowych z germanu czy krzemu, dodatkowo jednak wzbogacone o znakomite własności optyczne.

Na podstawie wyników tych badań przystąpiono do opracowania projektów przemysłowo wytwarzanej diody LED. Choć bogactwo kombinacji możliwych do zastosowania związków półprzewodnikowych dawało teoretycznie możliwość wytworzenia złącz p-n emitujących fale od ultrafioletu, poprzez widmo widzialne, aż do podczerwieni, to jednak strona praktyczna okazała się tutaj niezwykle trudna. Problematyczne okazało się m.in. ustalenie odpowiednich proporcji wykorzystywanych pierwiastków, uzyskanie odpowiedniej czystości materiałów, wytworzenie odpowiedniego podłoża, zastosowanie odpowiednich technologii epitaksji (osadzania warstw na istniejącym podłożu) i technik eliminacji naprężeń międzywarstwowych.

Pierwsza dioda LED wytworzona została na bazie arsenku galu w roku 1962. I choć nie emitowała ona jeszcze światła widzialnego, a jedynie w zakresie podczerwieni, i tak znaleziono dla niej zastosowanie w czujnikach fotoelektrycznych.

Dopiero jednak Nick Holonyak w roku 1962 swoimi odkryciami diody emitującej światło z zakresu widzialnego uczynił znaczący krok na drodze komercjalizacji zastosowań LED. Holonyak wraz z zespołem pracował dla koncernu General Electric i firma ta jako pierwsza uprzemysłowiła produkcję diod tego rodzaju. Cena diody emitującej światło widzialne w kolorze czerwonym wyprodukowanej przez GE wynosiła wówczas 260 dolarów.

Masową produkcję LED rozpoczęła jednak dopiero firma Mosanto w 1968 roku. Przy produkcji pierwszych diod stosowano połączenie potrójnego związku galu, arsenu i fosforu (GaAsP) z arsenkiem galu (GaAs), który później zastąpiono jego fosforkiem (GaP), co pozwoliło na zwiększenie sprawności LED-ów i uzyskanie nowych kolorów (pomarańczowy, żółty).

W 1968 roku zaprezentowano pierwszą zieloną diodę LED. Pojawienie się zielonej diody zwiększyło jeszcze bardziej atrakcyjność diod LED, które w latach siedemdziesiątych XX wieku znajdowały wiele zastosowań m.in.: w wyświetlaczach kalkulatorów (HP, Monsanto), w systemach podświetlających przyciski sterujące i w lampkach kontrolnych (AT&T, IBM), a także w cyfrowych zegarkach i telefonach.

Kolejne lata zajęło udoskonalanie technologii uzyskiwania światła z półprzewodników – wyprodukowanie diody niebieskiej okazało się jednak niezwykle trudne i zabrało wiele czasu.

Na początku lat siedemdziesiątych Jacques Pankove i Paul Maruska przedstawili działający emiter niebieskiego światła o długości fali 475 nm. Nie była to jednak dioda LED z typowym złączem p-n, lecz dioda o strukturze metal – izolator – półprzewodnik. Problematyczne okazało się wytworzenie warstwy p w materiale GaN potrzebnej do uformowania złącza p-n. Alternatywa dla GaN pozostawał węglik krzemu SiC – do początku lat dziewięćdziesiątych doskonalono zatem diody budowane na bazie tego materiały. Był on jedynym wówczas półprzewodnikiem, który pozwalał na wytworzenie komercyjnie opłacalnej niebieskiej diody LED o światłości 10–20 mcd. Po porażce zespołu Pankove/Maruska badania nad podatnością GaN do wytworzenia emiterów niebieskiego światła nie cieszyły się zbytnią popularnością. Jednym z tych, którzy nie zaprzestali prac, był Isamu Akasaki z uniwersytetu Nagoya, który od 1973 roku nieprzerwanie prowadził badania nad azotkiem galu. Badania zakończyły się sukcesem w 1989 roku, kiedy to udało się uzyskać pierwsze złącze p-n z GaN i emiter światła niebieskiego. W roku 1992 zaprezentowana została publicznie pierwsza dioda LED światła niebieskiego. Isamu Akasaki nie przeszedł jednak do historii jako ojciec niebieskiej diody. Powszechnie przypisuje się autorstwo tego wynalazku innemu z japońskich naukowców – Shuji Nakamura w roku 1993 zaprezentował diodę światła niebieskiego o światłości 1cd, która przewyższając 100-krotnie swą wydajnością produkowane wówczas LED-y na bazie SiC, z miejsca stała się komercyjnym przebojem. Wzrost skuteczności świetlnej niebieskich emiterów osiągnięto zastosowaniem domieszki indu (lnGaN) w materiale półprzewodnikowym. Wytwarzaniem diod zajęła się firma Nichia, która dwa lata później rozpoczęła produkcją innego wynalazku Nakamury – niebiesko-zielonej diody LED o światłości 2 cd oraz diody będącej emiterem światła zielonego. W krótkim czasie Nichia stała się potentatem wśród producentów LED, wytwarzając w tamtym czasie kilka milionów sztuk diod miesięcznie.

Tymczasem w połowie lat osiemdziesiątych zeszłego stulecia rozpoczęto prace nad czteroskładnikowym materiałem AlGaInP i jego ewentualnym wykorzystania do produkcji czerwonych LED-ów. W efekcie tych działań otrzymano niezwykle wydajne emitery światła czerwonego, pomarańczowego i żółtego. Przewagą LED-ów czerwonych zwiększyła się dzięki zastosowaniu w ich produkcji szeregu unowocześnionych technologii związanych z rozprowadzeniem prądu po całej powierzchni chipu, zastosowaniem mikro zwierciadeł czy wielokrotnych studni kwantowych.

Światło nowej generacji

Do dyspozycji były zatem wysoce wydajne emitery światła w trzech kolorach: czerwonym, zielonym i żółtym (RGB). W wyniku zmieszania tych barw stało się możliwe uzyskanie dowolnego koloru ze spektrum fal elektromagnetycznych widzialnych dla oka ludzkiego, w tym także światła białego. Wśród innych metod uzyskania światła należy wyróżnić świecenie niebieską diodą na żółty fosfor oraz diodą UV na fosfory w trzech podstawowych kolorach. I choć tańsza jest produkcja diod z fosforami, to ich wydajność jest zdecydowanie mniejsza od źródeł RGB. Dlatego też w połowie lat dziewięćdziesiątych to właśnie technologia RGB zaczęła być wykorzystywana przy produkcji nowej generacji źródeł światła białego do systemów oświetleniowych wykorzystujących dotąd żarówki czy świetlówki.

Przełom w zakresie źródeł światła przeznaczonych do oświetlenia domowego nastąpił pod koniec pierwszej dekady XXI wieku. Decydującym czynnikiem było pojawienie się wielu energooszczędnych zamienników żarówek, w tym właśnie także zaawansowanych technologicznie świateł LED-owych. Pierwszy LED-owy zamiennik 60-watowej tradycyjnej żarówki pojawił się na rynku w 2009 r. Był kosztowny, jednak już w 2012 r. źródła światła LED stały się o 85% tańsze w porównaniu do 2008 r. Sprzyjające rozwojowi nowej technologii były także działania administracyjne organów Unii Europejskiej, która dążyła do zastąpienia energochłonnych żarówek tradycyjnych. LED-y nadają się do tego doskonale. Posiadają dwie istotne zalety w stosunku do żarówki z żarnikiem. Nowoczesny punkt świetlny oparty na technologii LED jest nie tylko oszczędniejszy energetycznie (mniej energii zamienia się w ciepło), ale także znacznie bardziej trwały. W notach katalogowych producentów czas świecenia diod szacowany jest nawet na 50 000 godzin (utrzymując swoją jasność na poziomie 70% wartości nominalnej), prze czym na żywotność LED-a wpływa nie tylko sposób emisji fali, ale również jakość zastosowanego radiatora odprowadzającego ciepło z modułów emitujących światło. Jeśli chodzi o zużycie prądu, to plasuje się on na poziomie 15-20% w stosunku do tradycyjnej żarówki.

Wśród zalet tego rodzaju oświetlenia podawane są również: możliwość ściemniania, wytrzymałość mechaniczna, odporność na częste włączenia/wyłączenia, natychmiastowy zapłon, wysoki współczynnik oddania barw (CRI), oraz dostępność świateł o różnej temperaturze barwowej.

Kończąc należy nadmienić, iż obok zastosowań oświetleniowych diody LED sprawdzają się w wielu innych miejscach: wykorzystywane są do celów sygnalizacyjnych, jako emitery strumienia lasera w napędach CD, DVD, Blu-Ray, czy światła podczerwieni w pilotach lub innych urządzeniach zdalnie sterujących, na ich bazie produkowane są także wyświetlacze OLED i światłowody.

Dodaj komentarz

avatar
  Subscribe  
Powiadom o