Svetleća dioda

S Vikipedije, slobodne enciklopedije
Crvena, plava i zelena svetleća dioda

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

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

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

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.[3]

Istorija[uredi | uredi izvor]

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.[4][5] Rus Oleg Losev je 1927. prijavio izradu prve svetleće diode.[6] Njegova istraživanja su objavljena u sovjetskim, nemačkim i britanskim naučnim žurnalima, ali nekoliko decenija nije bilo praktične koriste od njegovog pronalaska.[7][8] Rubin Braunstejn[9] iz Radio korporacija Amerike je 1955. prijavio infracrveno zračenje od galijum arsenida (GaAs) i drugih poluprovodničkih legura.[10] 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,[11] 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.[12] Holonjak je prvi put prijavio svoje otkriće u žurnalu Applied Physics Letters 1. decembra 1962.[13] Holonjak se smatra „ocem svetleće diode“.[14] M. Džordž Kroford,[15] bivši Holonjakov student, je 1972. izumeo prvu žutu svetleću diodu i za oko deset puta poboljšao sjajnost crvenih i cvrvenkasto-narandžastih svetlećih dioda.[16] 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.[17]

Tehnologija[uredi | uredi izvor]

Presek svetleće diode, gde se gore nalazi šema, a dole bend dijagram
I-V dijagram za diodu. LED počinje da emituje svetlost kada se premaši granični napon. Tipični granični naponi su 2–3 volta.

Princip rada[uredi | uredi izvor]

Svetleća dioda se sastoji od čipa napravljenog od 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 | uredi izvor]

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 svetlosnog toka. Mnoge zemlje razmatraju promene klasične rasvete, 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 rasveta.

Sijalice kakve se danas koriste, nastale su 1910. godine, i sadrže balon u kojem je vakuum ili neki inertni gas, te žarnu nit koja se usijava i na taj način svetli te je iskoristivost svetlosnog dela sijalice samo 5%, a 95% otpada na toplotu.

LED rasveta ima efikasnost veću od 95%, što 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 zahtevaju visoke napone. Ušteda energije je očigledna, tehnologija proizvodnje LEDa se razvila, i u svakom modernom uređaju mogu se naći LE-diode, s obzirom na veliki udeo klasične rasvete, izmenom iste sa LED-om u Evropi bi se godišnje smanjila stopa emisije ugljen dioksida za čak 25 miliona tona ili bi se „poništila“ emisija 10-ak miliona automobila.

U automobile visoke klase već danas se ugrađuju LED svetla, a očekuje se da će taj primer vremenom slediti i jeftiniji segment automobila, jer je radni vek LE diode 100.000 sati, te nisu osetljive na paljenje/gašenje, udarce, vodu... dok je klasičnim (halogen, običnim) sijalicama radni vek 800 sati i imaju lošiju otpornost na udarce, vodu, paljenje/gašenje...

Korištenjem LED rasvete u domaćinstvima drastično bi se smanjili troškovi za električnu energiju, jer bi ukupna rasveta cele kuće imala snagu od 100 W, što je danas snaga jedne prosečne sijalice koja se koristi u prostoriji, a osim finansijskih ušteda, smanjenjem potrošnje energije poništila bi se godišnja emisija manjeg gradskog automobila.

LED izvori takođe pružaju mogućnost veoma preciznog usmerenja svetlosti (veoma uski snop svetlosti) na taj način smanjujući nepotrebne gubitke svetlosti, to predstavlja manje svetlosno zagađenje, ali ujedno i mogućnost puno efikasnijeg i preciznijeg razmeštanja samih svetiljki. LED koja koja je crvene boje, emituje svetlost sa frekvencijom od oko 650nm. Zelena LED emituje spektar sa frekvencijom od oko 600nm, a plava LED emituje svoju svetlost sa oko 400nm. LE dioda ne emituje ni jednu drugu frekvenciju, za razliku od toplotnih izvora osvetljenja, koji emituju puno širi spektar zračenja koji je i ispod i iznad spektra frekvencija vidljive svetlosti.

Primene[uredi | uredi izvor]

Prvi prodor LE dioda je postignut u signalnoj rasveti za vozila (poziciona svetla, stop svetla i pokazivači smera), a sada se širi na akcentnu rasvetu malih delova u trgovinama, te na dekorativnu i scensku unutrašnju i spoljašnju rasvetu.

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Moreno, Ivan; Sun, Ching-Cherng (2008). „Modeling the radiation pattern of LEDs”. Optics Express. 16 (3): 1808—19. Bibcode:2008OExpr..16.1808M. PMID 18542260. doi:10.1364/OE.16.001808. 
  2. ^ H. J. Round (1907). „A Note on Carborundum”. Electrical World. 19: 309. 
  3. ^ „Inventor of long-lasting, low-heat light source”. WASHINGTON, D.C. Massachusetts Institute of Technology. 21. 4. 2004. Pristupljeno 21. 12. 2011. 
  4. ^ Round, H. J. (1907). „A Note on Carborundum”. Electrical World. 19: 309. 
  5. ^ Margolin J. The Road to the Transistor. jmargolin.com. 
  6. ^ Losev, O. V. (1927). Telegrafiya i Telefoniya bez Provodov. 44: 485—494.  Nedostaje ili je prazan parametar |title= (pomoć)
  7. ^ Zheludev, N. (2007). „The life and times of the LED: a 100-year history” (PDF). Nature Photonics. 1 (4): 189—192. Bibcode:2007NaPho...1..189Z. doi:10.1038/nphoton.2007.34. Arhivirano iz originala (free-download PDF) na datum 11. 5. 2011. Pristupljeno 23. 10. 2013. 
  8. ^ Lee 2004, str. 20.
  9. ^ Rubin Braunstein Arhivirano na sajtu Wayback Machine (4. februar 2012). physics.ucla.edu
  10. ^ Braunstein, Rubin (1955). „Radiative Transitions in Semiconductors”. Physical Review. 99 (6): 1892. Bibcode:1955PhRv...99.1892B. doi:10.1103/PhysRev.99.1892. 
  11. ^ „The first LEDs were infrared (invisible)”. The Quartz Watch. The Lemelson Center. Arhivirano iz originala na datum 1. 4. 2010. Pristupljeno 13. 8. 2007. 
  12. ^ „Nick Holonyak, Jr. 2004 Lemelson-MIT Prize Winner”. Lemenson-MIT Program. Pristupljeno 13. 8. 2007. 
  13. ^ Holonyak Nick; Bevacqua, S. F. (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. Arhivirano iz originala na datum 14. 10. 2012. Pristupljeno 23. 10. 2013. 
  14. ^ Wolinsky, Howard (5. 2. 2005). „University of I.'s Holonyak out to take some of Edison's luster”. Chicago Sun-Times. Arhivirano iz originala na datum 28. 2. 2008. Pristupljeno 29. 7. 2007. 
  15. ^ Perry, T.S. (1995). „M. George Craford [biography]”. IEEE Spectrum. 32 (2): 52—55. doi:10.1109/6.343989. 
  16. ^ „Brief Biography — Holonyak, Craford, Dupuis” (PDF). Technology Administration. Arhivirano iz originala (PDF) na datum 9. 8. 2007. Pristupljeno 30. 5. 2007. 
  17. ^ 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 | uredi izvor]

Spoljašnje veze[uredi | uredi izvor]