Svetleća Dioda

Svetleća dioda (LED)

Svetleće diode raznih boja i veličina
Tip komponente	poluprovodnička dioda
Princip rada	elektroluminiscencija
Izumitelj	H. J. Round (1907) Oleg Losev (1927)
Prva proizvodnja	1927
Pinovi	anoda (+) i katoda (-)
Elektronski simbol

Poluprovodnici imaju svojstvo da emituju svetlost kada kroz njih teče struja. Ta svetlost je obično vrlo slaba i samo u infracrvenom delu spektra. Svetleća dioda poseban je tip poluprovodnika, isključivo za emitovanje svetlosti. LED ima iste osobine kao obična dioda, ali podnosi samo vrlo slabu struju.

Za svetleće diode navode se najveća dozvoljena struja i vršna struja. Vršna struja je apsolutno maksimalna struja koja se može propustiti kroz LED diodu u vrlo kratkom vremenu (reda veličine milisekundi). Bitno je ne mešati maksimalnu struju s vršnom strujom.

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.

 

Elektroluminiscencija je fenomen koji je 1907. otkrio britanski istraživač H. Dž. Raund, koristeći kristal silicijum karbida i kristalni detektor. Rus Oleg Losev je 1927. prijavio izradu prve svetleće diode. Njegova istraživanja su objavljena u sovjetskim, nemačkim i britanskim naučnim žurnalima, ali nekoliko decenija nije bilo praktične primene njegovog pronalaska. Rubin Braunstejn iz Radio korporacija Amerike je 1955. prijavio infracrveno zračenje od galijum arsenida (GaAs) i drugih poluprovodničkih legura. 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 da GaAs emituje infracrveno zračenje kada se priključi u električno kolo. Njih dvojica su uspeli da dokažu prvenstvo svog rada na osnovu 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. Holonjak je prvi put prijavio svoje otkriće u žurnalu Applied Physics Letters 1. decembra 1962. Holonjak se smatra „ocem svetleće diode“. M. Džordž Kroford, bivši Holonjakov student, je 1972. izumeo prvu žutu svetleću diodu i za oko deset puta poboljšao sjajnost crvenih i cvrvenkasto-narandžastih svetlećih dioda. 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.

Tehnologija laserske diode istražena je 1980-ih, i to je bilo ogromno poboljšanje izlazne jačine svjetlosti. Zbog relativno male potrošnje, LED se na tržištu tokom 1990-ih usmjerava prema tržištu ekrana, automobilske i prometne signalizacije. Veoma važno otkriće slijedi u 1993. god. od Shuji Nakamura, koji radi za Nichi-a, to je bio plavi LED, sa kojim je završio polazni raspon primarnih boja LED-a, ali je bio i prvi korak koji je na kraju doveo do proizvodnje bijele LED diode kakvu znamo danas.

Na prelazu u 21. vijek LED tržište je bilo odvedeno do novog nivoa izumom u Luxeonu, koji je ponudio 10 puta jaču izlaznu svjetlost od postojećih. Ključ uspjeha je patentirana metoda prenosa topline što je dozvoljavalo LED diodi daleko veće snage nego što je prethodno bilo ostvarivo. Od samog početka su i drugi proizvođači uvedeni u razvijanje diode visoke snage i iskoristivosti. Lumileds je također razvio proizvodnju 'toplo bijele' diode sa temperaturom boje od 3200 °K.

Razvojem proizvodnje visoko-učinkovite rasvjete, naročito u 2006. i 2007. godini na tržištu je sve više visoko efikasnih izvora LED rasvjete bilo da su to LE diode, LED komponente, LED sklopovi ili LED svetiljke, efikasnost LED izvora raste, te u kombinaciji sa malim dimenzijama omogućava LED svjetiljki izuzetnu efikasnost i kontrolu emitovane svjetlosti.

Glavni članci: Elektroluminiscencija i PN spoj

 

Svetleća dioda se sastoji od čipa napravljenog og 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.

Fotoni svetla se emituje prilikom rekombinacije para elektron-šupljina. Takvo svojstvo imaju poluprovodnici: galijum-fosfid (GaP), galijum-arsenid (GaAs), galijum-nitrid (GaN), galijum-arsenid-fosfid (GaAsP), cink-selenid (ZnSe), dijamant (C), aluminijum-nitrid (AlN), safir (Al₂O₃), silicijum-karbid (SiC), itd.

Valna 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 svetlećih dioda imaju direktnu energetsku barijeru sa energijama koje odgovaraju skoro infracrvenoj, vidljivoj i skoro-ultraljubičastoj svetlosti.

 

Karakteristike svetleće diode su male dimenzije, te izuzetno jednostavno upravljanje i regulacija. Nemaju problema sa niskim temperaturama, a noviji sastavi imaju vrlo visoku trajnost – 60.000 sati za 50% održanja svjetlosnog toka. Mnoge zemlje razmatraju promjene klasične rasvjete, u korist LED rasvjeta.

Klasične sijalice (žarulje) sadrže žarnu nit koja se usijava i na taj način svijetli te je iskoristivost svjetlosnog dijela sijalice samo 5%, a 95% otpada na toplotu. LED rasvjeta ima efikasnost veću od 95%, 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 zahtijevaju visoke napone. Ušteda energije je očigledna, tehnologija proizvodnje LED-a se razvila, i u svakom modernom uređaju ih nalazimo.

LED koja koja je crvene boje, emituje svjetlost s frekvencijom od oko 65 0nm. Zelena LED emituje spektar s frekvencijom od oko 600nm, a plava LED emitira svoju svjetlost sa oko 400nm.

Glavni članak: Otpornik

 

Ako kroz svetleću diodu prođe struja jača od maksimalno dozvoljene, trenutačno će pregoreti. Za ograničavanje struje koja protiče kroz diodu koristi se otpornik. Može se koristiti otpornik veće otpornosti, što samo znači da će LED slabije svetleti. U tabeli nalaze se vrednosti otpornika za najčešće korišćene svetleće diode:

Da bi izračunali vrednost otpornik, morate znati direktan pad napona kroz diodu i maksimalnu struju te diode. Većina standardnih LED ima direktan pad napona od oko 1,5 volti. Novije, ultrasjajne LED diode imaju pad napona koji može biti i preko 3,5 volti. Jednačina glasi:

${\displaystyle R=(V_{s}-V_{f})/I_{f}}$ 

gde je

${\displaystyle R}$  - vrednost otpora otpornika koji želite da upotrebite, izražena u omima.
${\displaystyle V_{s}}$  - napon napajanja u voltima.
${\displaystyle V_{f}}$  - direktan pad napona kroz diodu, takođe u voltima.
${\displaystyle I_{f}}$  - direktna struja koju želite da propustite kroz LED diodu, u amperima.

Na primer, kolo se napaja naponom od 6 V a direktan pad napona kroz diodu je 1,2 V. Treba nam direktna struja od 40 mA (odnosno 0,04 ampera). Kada te vrednosti unesemo u jednačinu, dobijamo:

R = (6 - 1,2) / 0,04

Što daje R od 120 oma. Znači, da bismo kroz ovu LED diodu propustili direktnu struju od 40 mA kada je napajanje 6 volti, koristimo otpornik od 120 oma.

Prvi prodor LED dioda je postignut u signalnoj rasvjeti za vozila (pozicijska svjetla, štop svjetla i pokazivači smjera), a sada se širi na akcentnu rasvjetu malih djelova u trgovinama te na dekorativnu i scensku unutrašnju i spoljašnju rasvjetu.

• Shuji Nakamura, Gerhard Fasol, Stephen J Pearton (2000). The Blue Laser Diode: The Complete Story. Springer Verlag. ISBN 3-540-66505-6. 
• Gordon McComb i Earl Boysen, Elektronika za neupućene, Beograd, 2007.

• Dioda
• Elektronske komponente
• Elektronsko kolo

 

Svetleća dioda na Wikimedijinoj ostavi

• Svetleća dioda na Projektu Open Directory
• p-tipu i n-tip dioda Arhivirano 2016-03-04 na Wayback Machine-u
• LED Diode Arhivirano 2018-08-17 na Wayback Machine-u