Valgusdiood

See artikkel räägib LED-ist, lühendit LEED kasutatakse madala energiaga elektronide difraktsiooni kohta.

Valgusdioodi kohta kasutatakse rahvusvahelist lühendit LED (inglise keelest light-emitting diode – valgust kiirgav diood) ja eestikeelset mugandust leed (viimast peamiselt leedlambi tähenduses).

Õige suurusega päripinge rakendamisel elektroodidele hakkab valgusdiood kiirgama kindla lainepikkusega valgust, mis sõltub kestast ja teistest koostiselementidest, mida diood sisaldab. Valgusdioodil on nagu tavalisel dioodilgi kaks kontakti – anood ja katood. Valgusdioodi tingmärgi juures tähistab anoodi "+" ja katoodi "–".

Päripingestamisel rakendatakse LED-i anoodile positiivne ja katoodile negatiivne pinge. Vastupidisel juhul valgusdiood ei sütti. LED-i päripinge sõltub selle värvusest – pikema lainepikkusega LED-ide (punased) puhul on see suurusjärgus 2 V, lühema lainepikkusega (sinised) on see ~3 V.

Tavaliselt on LED-ide võimsus mõnikümmend millivatti, millest tulenevalt peab ka vool samas suurusjärgus olema. Suurema pinge või voolu rakendamisel LED-ile võib selle lihtsalt läbi põletada.

Varasemad LED-id kiirgasid väikese intensiivsusega punast valgust, kuid tänapäeva valgusdioodid on saadaval juba erinevates lainepikkustes, mis kiirgavad infrapunavalgusest ultraviolettvalguseni, omades sealjuures väga kõrget eredusastet.

Valgusdioode kasutatakse indikaatoritena mitmesugustes elektroonikaseadmetes: televiisori- ja raadiojuhtpultides infrapunasaatjana ja mujal. Valgusdiood-pooljuhte kasutatakse veel näiteks uuemates foorides või elektrooniliselt juhitavates liiklusmärkides raudteejaamades, lennujaama terminalides ja infotabloodel. Suuremõõtmelised videoekraanid ja suur valik igasuguseid vahendeid valgustatud reklaamstendidel on samuti koht, kus leidub dioode. LED-e kasutatakse ka vähiravis ravimiaktiveerijana (valgusteraapia) ja kosmoselaevades taimelavade valgustitena.

Tehnoloogia arenedes leiavad valgusdioodid järjest rohkem rakendust erinevates arvutiriistvara- ja meediaseadmetes (orgaanilistel valgusdioodidel põhinevad lameekraanid tava- ja taskuelektroonika seadmetes, välgud fotoaparaatides ja nutitelefonides).

Avastused ja varasemad leiutised

 

Elektroluminestsentsi kui nähtuse avastas inglasest eksperimenteerija H. J. Round aastal 1907 Marconi Laboratooriumis, kasutades ränikarbiidkristalli ja ''cat’s-whisker'' kristallidetektorit.

Venelane Oleg Lossev esitles esimese valgusdioodi loomist aastal 1927. Tema uurimistööd avaldati vene-, saksa- ja ingliskeelsetes teadusajakirjades, kuid siiski ei leidnud see avastus mitme järgmise aastakümne jooksul praktilist kasutust.

Rubin Braunstein Ameerika Raadiokorporatsioonist esitles infrapunavalguse eraldumist galliumarseniidist (GaAs) ja teistest poojuhtsulamitest aastal 1955. Braunstein jälgis infrapunavalguse emissiooni, mis kutsuti esile lihtsate dioodstruktuuridega, kasutades galliumantimoniidi (GaSb), GaAs, indiumfosfiidi (InP), ja räni-germaaniumi (SiGe) sulameid toatemperatuuril ja temperatuuril 77 K. Aastal 1961 leidsid Ameerika eksperimenteerijad Robert Biard ja Gary Pittman ettevõttes Texas Instruments töötades, et elektrilise pinge rakendamisel GaAs-ile kiirgas viimane infrapunakiirgust, ning patenteerisid infrapunavalgusdioodi ehk infrapuna-LED-i.

Esimese nähtava spektriga (punase) valgusdioodi arendas välja Nick Holonyak juunior aastal 1962, kui ta töötas General Electric Companys. Holonyaki peetakse "valgusdioodi isaks". M. George Craford, Holonyaki õpilane, leiutas 1972. aastal esimese kollase LED-i ning parandas punase ja punase-oranži valgusdioodi eredusi kümnekordselt. Aastal 1976 lõi T. P. Pearsall esimesed väga eredad, suure kasuteguriga valgusdioodid kiudoptilise telekommunikatsiooni tarbeks, leiutades sedasi uued pooljuhtmaterjalid, mis olid kohandatud täpselt sellistele lainepikkustele, mida kasutatakse ülekannetel kiudoptikas.

Esimesi valgusdioode kasutati peamiselt tööstuses indikaatorvalgustitena. Valgustitena kasutamiseks olid need aga liiga nõrga valgustugevusega, seega kasutati neid indikaatoritena. Esimese suure heledusega sinise valgusdioodi töötas välja Shuji Nakamura Nichia Corporationist. Sinise valgusdioodi leiutamine viis varsti ka valge valgusdioodi loomiseni 1990. aastatel.

Kuni aastani 1968 olid nähtava valguse ja infrapunavalgusdioodid väga kallid. Üks LED maksis pea 200 USD tükk, mille tõttu leidsid need praktikas vähe kasutust. Monsanto Company oli esimene ettevõte, kes alustas aastal 1968 valgusdioodide masstootmist, kasutades selleks galliumarseniidfosfiide (GaAsP), et toota indikaatoritele sobivaid punaseid LED-e. Samal aastal tutvustas valgusdioode ka ettevõte Hewlett-Packard (HP), algselt tarnis ta GaAsP varud ettevõttelt Monsanto Company. LED-tehnoloogia leidis suurt kasutust numbriekraanides ja HP võttiski selle kasutusele oma varem välja arendatud käsikalkulaatorites. 1970. aastad olid kaubanduslikult edukad, ettevõte Fairchild Optoelectronics tootis valgusdioodseadmeid alla viie sendi tükist. Nende seadmete pooljuhtkristallide ühenditest kiipide valmistamiseks rakendati planaartehnoloogiat. Vastava tootmistehnoloogia leiutas Dr. Jean Hoerni ettevõttes Fairchild Semiconductor. Kiibitootmise planaartöötluse ja innovaatiliste pakkemeetodite kombinatsioon lubas Fairchildi meeskonnal, mida juhtis valguselektroonika pioneer Thomas Brandt, saavutada vajaliku tootmiskulude vähenemise. Need meetodid on valgusdioodide tootjatel jätkuvalt kasutusel.

Praktiline kasutus

LED-i kui praktilist elektroonikakomponenti tutvustati aastal 1962. Kõigepealt leidsid esimesed laiatarbe valgusdioodid kasutust kallimates masinates nagu laboratooriumite ja elektroonika testseadmetes, asendamaks hõõg- ja neoonindikaatorlampe ning seejärel ka seitsme-segmendi kuvarites. Hiljem tulid need kasutusele ka sellistes levinud seadmetes nagu televiisorid, raadiod, telefonid, kalkulaatorid ja isegi kellad. Digitaalsetes kellades kasutati LED-e juba 1960. aastatest saati ja neid kasutatakse kellade valmistamisel siiani. Punased LED-id olid parasjagu heledad ainult indikaatoritena kasutamiseks, sest väljakiiratav valgus ei suutnud ümbrust valgustada. Aja möödudes said laiemalt kättesaadavamaks ka teised värvid, mis niisamuti leidsid kasutust erinevates seadmetes peamiselt indikaatoritena. Materjalide ja tehnoloogia arenguga kasvas valgusdioodide valguse kiirgamise võime, samas hoides kasuteguri ja töökindluse vastuvõetaval tasemel. Suure võimsusega valge LED-i leiutamine ja areng viis valgusdioodide kasutuse valgustite valdkonda, tulles tõsiseks konkurendiks hõõg- ja luminofoorlampidele. Enamik LED-e valmistati väga levinud 5 mm ja 3 mm kestades, aga tõusva väljundvõimsusega on kasvanud vajadus üleliigse kuumuse hajutamiseks, et säilitada töökindlus, selle tõttu on muutunud kestad konstruktsioonilt üha keerukamateks. Suure võimsusega valgusdioodid (High Power LED) sarnanevad varasema aja LED-idega väga vähe.

 

Jätkuv areng

Esimest suure heledusega sinist LED-i demonstreeris Nichia Korporatsioonis töötav Shuji Nakamura, kes sai selle leiutise eest aastal 2006 Millenniumi Tehnoloogia Auhinna. See valgusdiood baseerus keemilisel ühendil InGaN. Aastal 1995 uuris Alberto Barbieri Cardiffi Ülikooli laboratooriumis suure heledusega LED-ide kasutegurit ja töökindlust ning tegi väga muljetavaldava esitluse, kasutades (AlGaInP/Ga/As) LED-il indiumtinaoksiidist tehtud läbipaistvat kontakti..

Sinise LED-i ja suure kasuteguriga valgusdioodide olemasolek viis kiiresti esimese valge valgusdioodi arendamiseni. Praeguseks domineerivad valge valguse saamiseks LED-ides kaks peamist tehnoloogiat. Esimesel juhul rakendatakse ühes kestas koos tööle punane, roheline ja sinine, mille tulemusel saadaksegi valge valgus (vaata ka RGB), teisel juhul lisatakse sinisele dioodile luminestsentset värvi, ehk segades sinist ja kollast kokku ühte valgust kiirgavasse dioodi, tekitatakse valgusradiatsioon, mis on inimsilmaga nähtav valge valgusena.

LED-tehnoloogia edenemisele on kõvasti kaasa aidanud teiste pooljuhttehnoloogiate arendamine ja suur areng optikas ja materjaliteadustes. Tehnoloogiaedusammud on kasvanud eksponentsiaalselt, kasutegur ja valguse kiirguse kasv on kahekordistunud pea iga kolme aasta järel – seda 1960. aastas saadik – sarnaselt Moore'i seadusega. Kuid vastavat trendi valgusdioodide tehnoloogias kutsutakse Dr. Roland Haitzi järgi Haitzi seaduseks (vaata joonist paremal). Nanokristallide ja suuremate silikoonist toorkristallide kasutamisega on saavutatud veel parem kasutegur ja kokkuhoid tootmises. 2009. aastat võib pidada LED-ide revolutsiooni alguseks. Pooljuhttehnoloogia toob efektiivse, kõrgekvaliteedilise ja vastupidava valguslahenduse jms tipptehnoloogia kõikjale kodumajapidamistesse ja ärikeskkondadesse.

Tööpõhimõte

 

Valgusdioodi kiirgus kujutab endast elektroluminestsentsi, mis tekib elektriliselt ergastatud elektronide ja aukude rekombinatsioonil. Rekombinatsioon võib aset leida mitmesuguseid (nii kiirguslikke kui ka mittekiirguslikke) kanaleid pidi. Rekombinatsioonil vabanev energia võib kuluda valguskvandi (footoni) tekitamiseks, mõne teise juhtivustsooni elektroni energia suurendamiseks (nn Auger' protsess) või kristalli võnkekvandi (foononi) ergastamiseks.

Valgusdioodi ehituse skeem on kujutatud kõrvaloleval joonisel. Enamjaolt koosneb tavaline LED kahest elektroodist ja pooljuhtmaterjalidest tehtud kiibikesest, mis on uputatud plastikkesta sisse. Siinkohal on kasutatud n⁺-p siiret (vaata ka pn-siire). Kuna n⁺-piirkond on tugevalt legeeritud, siis suur osa n⁺-piirkonnast tulevaid elektrone levivad p-piirkonda (nad ei jõua siirdel rekombineeruda), kus nad rekombineeruvad oma difusioonitee pikkuse ulatuses p-piirkonna aukudega.

Kiirguse väljajuhtimiseks aktiivsest piirkonnast kasutatakse mitmesuguseid võtteid: siire tehakse välispinna lähedale, et vähendada neeldumiskadusid; pinnale antakse selline kuju, et valgus langeks pinnale täieliku sisepeegelduse piirnurgast väiksemate nurkade all; pooljuhi pind kaetakse selgendava optilise kilega, et vältida pooljuhi suurest murdumisnäitajast tingitud peegelduskadu; alusmaterjal tehakse läbipaistev ja aluskontakt peegeldav.

Kest/korpus

Kapseldusmaterjalidena kasutatakse peamiselt epoksüvaiku, polümetüülmetakrülaate (PMMA) ja silikoone. Üldjuhul on valgusdioodi pooljuhtidest osad uputatud kestamaterjali sisse, mis täidab järgmisi eesmärke:

• paigalduslihtsus;
• mehaaniline stabiilsus – õrnad elektriskeemi osad on selle abil tugevamini kinnitatud ja nii ka purunemise eest kaitstud;
• kahe keskkonna vaheline hermeetilisus – kaitse soovimatu elektrijuhtimise ja keemilise reaktsiooni eest.

Kesta ülesanne on veel võimendada ja suunata või hajutada valguse kiirgust, mille saavutamiseks antakse kestale vastav kuju (poolkerakujuline, silindriline või kandiline jne)

Eelised

• Kasutegur – valgusdioodid eraldavad tarbiva võimsusühiku kohta rohkem valgust kui hõõglambid. Kasutegur on sõltumatu kujust ja suurusest, mida ei saa öelda luminofoorlampide kohta. Lisaks eraldavad nad vähem soojust, mis on valgustite puhul raisatud energia (hõõglampide puhul kuni 95%). See omadus võimaldab kasutada valgusdioode just tundlike tekstuuride tööstuses neid kahjustamata. (Isegi kui soojust eraldub, siis suuremal jaol valgusdioodi põhja kaudu)
• Suurus – valgusdioodid on väga väikesed, mistõttu saab neid kasutada kohtades, kuhu alternatiivsed valguslahendused ei mahu. Hõlbus paigaldada trükkplaadile.
• Värvus – valgusdioodid on tõhusamad saavutamaks konkreetse värvi kiirgamist, sest nad ei vaja selleks eraldi filtreid.
• Valguse reguleerimine – LED-i valgustugevust saab kergesti reguleerida, muutes rakendatavat pinget.
• Lülitusaeg – süttivusaeg on väga lühike. Tallinna Tehnikaülikoolis on saavutatud lülitusajaks ligikaudu 10 nanosekundit. Telekommunikatsioonis kasutatavatel LED-idel võib olla isegi lühem reageerimisaeg. Valgusdiood talub hästi kiireid sisse-välja lülitusi, mida luminofoorlambid või hõõglambid ei talu.
• Töökindlus – LED ei põle läbi nagu teised valgusallikad, vaid ajapikku nende valgusviljakus väheneb. Enamjaolt võib valgusdioodide elueaks lugeda 50 000 tundi, kuid see võib olenevalt otstarbest olla isegi kuni 200 000 tundi. Tüüpiliste luminofoorlampide elueaks märgitakse 10 000 – 15 000 tundi, olenevalt nende kasutamisest ja hõõglampide elueaks vaid 1000–2000 tundi.
• Põrutuskindlus – luminofoor- ja hõõglambid on haprad, valgusdioodides ei kasutata kergesti katkevat hõõgniite ega klaasist detaile, mis teeb nad purunemis- ja vibratsioonikindlaks.
• Fokuseerimine – valgusdioode on võimalik lihtsalt fokuseerida, valmistades kestalääts vastavate omadustega. Luminofoor- ja hõõglampide puhul läheb tavaliselt tarvis väliseid reflektorpindu, et suunata valgust vajaminevas suunas.
• Keskkonnasõbralikkus – tootmisel ei kasutata pliid ega elavhõbedat, valgustites kasutatavad valgusdioodid ei sisalda IR- ja UV-kiirgust – seega ei saasta need keskkonda ega kujuta ohtu inimestele.

Puudused

• Kõrge hind – LED on luumeni kohta kallim kui ükski teine valgustehnoloogia.
• Sõltuvus temperatuurist – LED-i tööjõudlus sõltub oluliselt ümbritseva keskkonna temperatuurist. Kui temperatuur on liiga kõrge, võib see viia LED-i läbipõlemiseni.
• Valguse kvaliteet – valgusdioodide valguses võivad objektide värvid paista teistsugused. Üksik diood on kitsa lainepikkuse spektriga.
• Valgustatuse nurk – ühe valgusdioodiga ei saa valgustada suurt ala.
• Valguse saastatus – kuna külma valgusega LED eraldab rohkem sinakat valgust kui teised valgusallikad, tekitab ta sellega rohkem valguse saastatust.
• Polaarsus – LED süttib vaid juhul, kui ta anoodile rakendatakse positiivne ja katoodile negatiivne pinge. Vastupidisel juhul valgusdiood ei sütti.
• "Sinine oht:" intensiivne sinine valgus võib tekitada fotokeemilisi kahjustusi silma võrkkestale.

Järgmine tabel annab ülevaate suurema levikuga valgusdioodide värvidest ja nende valmistamiseks kasutatavatest pooljuhtmaterjalidest. Lisaks on toodud välja ka lainepikkuste vahemikud ja kasutatavad pinged.

]]

Orgaaniline valgusdiood ehk OLED

Orgaanilise valgusdioodi kiirgavaks elektroluminestsentseks kihiks on orgaaniline ühend. See orgaanilise pooljuhi kiht asub kahe elektroodi vahel. Üldiselt vähemalt üks elektrood on läbipaistev. OLED-e kasutatakse enamasti televiisorite lameekraanides, arvutikuvarites, väikestes kandeseadmetes nagu nutitelefonid ja pihuarvutid. OLED-tehnoloogial põhinevate ekraanidega suudetakse esitada kõige tõetruumat musta värvi. Pisut leiavad orgaanilised valgusdioodid kasutust ka valgusallikates, kuid oma varajase arengufaasi tõttu kiirgavad nad pindühiku kohta tavaliselt vähem valgust kui mitteorgaanilised LED-id.

• LED valgustid sobivad hästi sauna valgustuseks

Tegelikult ei tohiks üle 70-kraadises keskkonnas valgusdioode kasutada – nende eluiga lüheneb märgatavalt. Ehk siis, kui kasutada saunas, siis põranda lähedal või pole mõtet oodata pooltki lubatud elueast.

• LED-ide tööiga ulatub enam kui 100 000 tunnini

Teoreetiliselt lubatakse võimsamate (1 W ja enam) LED-ide keskmiseks elueaks enamjaolt kuni 50 000 tundi. Keskmise eluea möödudes on aga LED-id on kaotanud 30–50% oma kiirgusvõimest. Praktikas ei õnnestu sellist tööiga saavutada isegi parimate tootjate seadmetel, sest reaalsed kasutustingimused erinevad märgatavalt testtingimustest tehastes. Samuti on LED-i tööiga lühem tundmatute tootjate toodetud seadmetel. Näiteks juhtudel, kus pole piisavalt tähelepanu pööratud toiteploki ja jahutuse stabiilsusele, mis tingib LED-i märgatava eluea vähenemise.

• LED-id ei kuumene, nende elektriline kasutegur on ligi 100%

Reaalselt ei ületa LED-i elektriline kasutegur 50–60%, isegi uuemate ja kvaliteetsemate LED-ide korral. See tähendab, et vähemalt pool tarbitud energiast läheb soojuseks. Kodukasutuses olevate, alla 10 W LED-ide korral, pole toatemperatuuril see probleemiks, kuid suuremate võimsuste korral tuleb tekkinud soojuse ärajuhtimiseks kasutada ventilaatoreid.

• SMD 2835
• Orgaaniline valgusdiood (OLED)
• Valgusdioodlamp
• Fotodiood
• Pooljuhtdiood
• Diood