Diody LED - jak działają i jak są zbudowane?

Aby lepiej zrozumieć różnicę pomiędzy diodami LED a innymi źródłami światła warto zacząc od odrobiny historii światła. Obiecuję, że maksymalnie to skompresuję i nie będzie nudno 🙂

Podział źródeł światła

Mądrzy ludzie podzielili źródła światła znane człowiekowi na generacje. Pozwólcie więc, że przytoczę te generacje opisując pokrótce każdą z nich. Pierwszą generacją był (i wciąż jest) oczywiście ogień czyli pochodnie, ogniska, a nieco później świece i lampy naftowe. Generalnie do tej generacji należą wszystkie źródła światła spalające cokolwiek w celu oddania choć odrobiny światła. Nie jest to idealne źródło światła (choć jakże romantyczne), więc naukowcy szukali lepszych rozwiązań. Takich, które byłyby trwalsze, nie kopciły i nie wymagały ciągłego nadzoru czy uzupełniania paliwa.

Podobno pierwszą żarówkę wynalazł francuski naukowiec de Moleyns … ale oficjalnym wynalazcą został Thomas Alva Edison. Zatem to jemu my również przyznajmy zaszczyt przeniesienia ludzkości do drugiej generacji źródeł światła, czyli lamp żarowych. Pomysł prosty: bierzemy drucik (najlepiej z jakiegoś odpornego na wysoką temperaturę metalu, jak wolfram) i zamykamy w szklanej bańce wypełnionej gazem szlachetnym. Potem podłączamy do prądu i drucik rozgrzewa się do białości dając nam światło. Ponieważ w bańce nie ma tlenu to drucik nie utlenia się (czyli nie spala), więc może świecić bardzo długo. Problem polegał jednak na tym, że takie źródła światła większość energii elektrycznej przetwarzały na ciepło zamiast na światło, więc nie były (i nie są, bo przecież wciąż powszechnie je stosujemy) oszczędne!

Poszukiwania oszczędności (oraz jeszcze kilku innych usprawnień) doprowadziło nas do kolejnej, trzeciej generacji źródeł światła czyli lamp wyładowczych. Nie wdając się w szczegóły i lekko uogólniając można stwierdzić, że lampy wyładowcze to takie, gdzie pod wpływem wysokiego napięcia zaczyna świecić jakiś gaz. Do tej generacji należą na przykład świetlówki liniowe, świetlówki kompaktowe (niesłusznie zwane żarówkami energooszczędnymi, gdyż nie posiadają żarnika) czy palniki ksenonowe (popularne w samochodach i technice estradowej). I to właściwie tyle jeśli chodzi o generacje źródeł światła. Przez tak wiele lat tak ogromnego postępu ludzkość wynalazła tylko trzy sposoby na wytwarzanie światła… o przepraszam! Cztery!

Czwarta generacja źródeł światła

Ponieważ właśnie czwartą generacją są diody LED i generalnie światło oparte na elektroluminescencji. A co to jest ta elektroluminescencja? Hmm… tak na prawdę to bardzo skomplikowana sprawa. Mocno generalizując można stwierdzić, że jest to zjawisko polegające na bezpośredniej przemianie prądu elektrycznego w światło. Zostawmy jednak dokładną i szczegółową definicję naukowcom i pasjonatom. Spróbuję opisać to w sposób zupełnie nienaukowy i bardzo uproszczony, ale za to mam nadzieję: zrozumiały. Dociekliwym polecam opis na Wikipedii.

Budowa diody LED

Mechaniczną budowę przykładowej diody LED pokazuje rysunek po prawej. Typów diod LED jest wiele i choć różnią się właśnie budową mechaniczną to sercem każdej z nich jest zawsze chip półprzewodnikowy. To on przetwarza prąd elektryczny na światło. Taki chip półprzewodnikowy w diodzie to specjalny materiał przewodzący prąd tylko w jedną stronę. Zbudowany jest najczęściej z kryształów opartych o krzem z różnymi dodatkami. W diodzie LED ten kryształ składa się z dwóch warstw, z których jedna nazywa się „p” a druga „n”. Warstwa „n” ma w sobie bardzo dużo elektronów a warstwa „p” ma mnóstwo tak zwanych dziur. Jeśli do takiego kryształu podłączy się prąd to elektrony z warstwy „n” zaczynają przeskakiwać do dziur z warstwy „p” i podczas tego przeskoku zostaje im spory nadmiar energii, którą „wyrzucają” na zewnątrz w postaci światła.

Niestety materiał, z którego wykonany jest półprzewodnik jest nieprzeźroczysty, więc fotonom (nośniki światła) nie jest wcale tak łatwo się wydostać. Odbijają się one od ścianek tracąc energię i tylko części z nich udaje się faktycznie wydostać na zewnątrz generując światło, które możemy zobaczyć. Z tym związana jest między innymi skuteczność świetlna danej diody LED. Naukowcy nieustannie pracują nad taką strukturą półprzewodników aby fotonom jak najłatwiej było się wydostać. Trwają tez prace nad stworzeniem przeźroczystych półprzewodników. W zależności od rodzaju materiału z jakiego zrobione są kryształy i w zależności od odległości jaką elektrony mają do przeskoczenia między warstwami powstaje światło o konkretnej długości fali, czyli w jakimś konkretnym kolorze. Na przykład czerwonym.

I tutaj mamy pierwszą wielką różnicę jaka dystansuje diody LED od wszystkich innych źródeł światła. Mianowicie diody LED od razu produkują światło w konkretnym kolorze. Inne źródła potrzebują do tego filtrów, które ze światła białego przepuszczają tylko wybrany kolor. Filtry są niedoskonałe i nie dość, że zatrzymują część światła obniżając jasność to jeszcze zawsze poza wymaganym kolorem przepuszczają też część barw o podobnym zakresie co daje mniej nasycone kolory. Dioda LED świeci od razu tylko jednym, konkretnym kolorem o dosyć wąskim paśmie i dlatego wydaje się on taki nasycony oraz intensywny.

Jak działają białe diody LED?

Tutaj zapewne u wielu z Was pojawiło się pytanie: skoro dioda LED potrafi świecić tylko w jednym kolorze to jakim cudem istnieją diody LED świecące na biało? Bo przecież, jak pamiętamy z lekcji fizyki, białe światło nie istnieje i tak na prawdę jest to tylko złudzenie wzrokowe powstające w mózgu, kiedy oko zaobserwuje kilka kolorów na raz w odpowiednich proporcjach.

Otóż naukowcy wykorzystali tutaj mały trik. Tak na prawdę zdecydowana większość białych diod LED to diody świecące na niebiesko. Ale nie widzimy oryginalnego koloru diody ponieważ jej światło jest zamieniane na białe poprzez specjalny luminofor napylony na soczewkę diody. Działa to trochę tak, jak w świetlówkach ale stosuje się nieco inne luminofory. Ma to oczywiście swoje wady, bo poza krótszą żywotnością luminoforu powstają również dodatkowe straty i przez to białe diody LED maja nieco gorszą wydajność niż te kolorowe. Poza tym tańsze luminofory słabszej jakości mają tendencję do zmiany barwy oraz wypalania się w miarę upływu czasu. Postępy w tej dziedzinie są jednak coraz większe i czołowi producenci diod LED nieustannie prezentują swoje ulepszone produkty.

LED RGB czyli mieszanie kolorów podstawowych

Istnieje jeszcze technika RGB, która pozwala na uzyskanie białego koloru zachowując oryginalną sprawność diody LED i nie posiada części wad luminoforów. Polega ona na mieszaniu trzech barw podstawowych (czerwona, zielona i niebieska – stąd od angielskich nazw skrót RGB). Jeśli w jednej  diodzie zamkniemy trzy miniaturowe diody w tych podstawowych kolorach to po dobraniu odpowiednich proporcji każdego z kolorów uzyskamy kolor biały. Co więcej, jeśli takiej diodzie damy możliwość sterowania jasnością poszczególnych kolorów to możemy uzyskać również prawie dowolny inny kolor. Ludzkość zna tą technologię już od bardzo dawna. Na zasadzie RGB pracują kineskopy wszystkich telewizorów na świecie, podobnie jak większość ekranów LCD lub plazmowych. Technikę tą… a właściwie sposób na uzyskanie wielu barw z zaledwie kilku podstawowych znają również malarze. Od lat mieszają na przykład niebieską i żółtą farbę aby otrzymać różne odcienie koloru zielonego.

Technika RGB posiada niestety jedną wadę jeśli ma być stosowana do wytwarzania światła białego. Otrzymane w ten sposób światło ma stosunkowo wąskie pasmo promieniowania i w związku z tym nie jest zbyt dobre jakościowo (niskie CRI). Dlatego w profesjonalnych zastosowaniach dodaje się do RGB dodatkowe składowe (jak na przykład amber) aby poszerzyć widmo i poprawić jakość światła oraz jego współczynnik oddawania barw.

Krzysztof Ratyński