Tekst źródłowy strony Dioda elektroluminescencyjna

{{dopracować|źródła=2012-10}}
{{Element elektroniczny infobox
 |nazwa                 = Dioda elektroluminescencyjna
 |grafika               = RBG-LED.jpg
 |opis grafiki          = Czerwona, zielona i niebieska – pięciomilimetrowe diody elektroluminescencyjne (LED)
 |typ                   = [[optoelektronika|optoelektroniczny]]
 |zasada_działania      = [[elektroluminescencja]]
 |wynalazca             = [[Nick Holonyak Jr.]], [[Oleg Łosiew]]
 |rok_wynalezienia      = 1962
 |wprowadzenie_na_rynek = 
 |wyprowadzenia         = [[anoda]] i [[katoda]]
 |symbol                = LED-EN A-K.svg
 |opis symbolu          = Symbol diody elektroluminescencyjnej
 |commons               = LED
 |wikisłownik           = LED
}}
[[Plik:RYG LEDs.JPG|thumb|Zielona, żółta i czerwona dioda elektroluminescencyjna]]
[[Plik:2007-07-24 Light emiting diode (LED).jpg|thumb|Struktura wewnętrzna diody elektroluminescencyjnej: anoda (+) po lewej, katoda (–) po prawej stronie]]
[[Plik:Lysdioder2.jpg|thumb|Różne diody elektroluminescencyjne]]
[[Plik:Various size LEDs.JPG|thumb|Różnice pomiędzy diodami LED 3, 5 i 10 mm]]
[[Plik:3mm LEDs.JPG|thumb|Trzymilimetrowe diody elektroluminescencyjne]]
[[Plik:LED-Leuchtmittel als Halogen-Ersatz, 1.jpeg|thumb|Diody płaskie (typ [[montaż powierzchniowy|SMD]])]]
[[Plik:2007-07-24 High-power light emitting diodes (Luxeon, Lumiled).jpg|thumb|Diody dużej mocy (tutaj przykład diod marki [[Luxeon]])]]
[[Plik:2014 Wentylator komputerowy Enermax.jpg|thumb|Diody LED podświetlające wentylator komputerowy]]
'''Dioda elektroluminescencyjna''', '''dioda świecąca''', '''dioda emitująca światło''', '''LED''' ([[język angielski|ang.]] ''light-emitting diode'') – [[dioda]] zaliczana do [[Półprzewodniki|półprzewodnikowych]] przyrządów optoelektronicznych, emitujących [[promieniowanie]] w zakresie [[światło widzialne|światła widzialnego]], [[podczerwień|podczerwieni]] i [[ultrafiolet]]u.

== Wynalezienie diody ==
Do produkcji weszła w latach 60. XX w. w formie opracowanej przez amerykańskiego inżyniera [[Nick Holonyak Jr.|Nicka Holonyaka juniora]], który jest uważany za jej wynalazcę.

Jednak już w latach 20. XX wieku, radziecki technik radiowy [[Oleg Łosiew]] w trakcie badań półprzewodników zauważył, że [[Dioda ostrzowa|diody ostrzowe]] ze złączem wykonanym z węgliku krzemu emitują [[światło]], w latach 1927–1930 opublikował łącznie 16 artykułów opisujących działanie diod elektroluminescencyjnych<ref>{{Cytuj stronę |url = https://www.newscientist.com/blog/technology/2007/04/led-older-than-we-thought.html |tytuł = The LED – older than we thought |opublikowany = newscientist.com |archiwum = https://web.archive.org/web/20070609185446/https://www.newscientist.com/blog/technology/2007/04/led-older-than-we-thought.html |zarchiwizowano = 2007-06-09}}</ref>, co czyni go prawdziwym odkrywcą efektu elektroluminescencji.

== Działanie ==
Działanie diody elektroluminescencyjnej (LED) opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku ([[rekombinacja (fizyka)|rekombinacja promienista]]). Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony, przechodząc z wyższego [[poziom energetyczny|poziomu energetycznego]] na niższy, zachowują swój [[pseudopęd]]. Jest to tak zwane przejście proste. Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje zamieniona na [[kwant]] promieniowania elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju dominują w półprzewodnikach z prostym układem pasmowym, w którym minimum pasma przewodnictwa i wierzchołkowi [[pasmowa teoria przewodnictwa|pasma walencyjnego]] odpowiada ta sama wartość [[pęd (fizyka)|pędu]].

Półprzewodnikiem cechującym się tego rodzaju przejściami jest [[arsenek galu]] (GaAs) i między innymi dzięki tej właściwości głównie ten związek stosuje się do produkcji źródeł promieniowania. Drugim powodem popularności arsenku galu jest jego bardzo duża sprawność kwantowa – parametr określający udział przejść rekombinacyjnych, w wyniku których generowane są [[foton]]y, do ilości nośników [[ładunek elektryczny|ładunku]] przechodzących przez [[warstwa zaporowa|warstwę zaporową]] złącza p-n (przejścia rekombinowane zachodzą w obszarze czynnym złącza).
:: <math>\eta_{qw}=\frac{N_{fot}}{N_{noso}}=\frac{\frac{P_{prom}}{h \nu}}{\frac{I}{e}},</math>

gdzie:
: <math>N_{fot}</math> – całkowita ilość fotonów generowanych wewnątrz obszaru czynnego,
: <math>N_{noso}</math> – całkowita ilość nośników wstrzykiwanych do obszaru czynnego złącza,
: <math>P_{prom}</math> – moc promieniowania generowanego wewnątrz półprzewodnika,
: <math>h</math> – stała Plancka,
: <math>v</math> – częstotliwość generowanego promieniowania,
: <math>I</math> – prąd elektryczny doprowadzony do diody,
: <math>e</math> – ładunek elektronu.

W krzemie i germanie dominują przejścia skośne.

[[Luminescencja]] jest zjawiskiem fizycznym polegającym na emitowaniu przez [[materia (fizyka)|materię]] promieniowania elektromagnetycznego pod wpływem czynnika pobudzającego, które dla pewnych [[długość fali|długości fali]] przewyższa emitowane przez tę materię promieniowanie temperaturowe. W diodzie elektroluminescencyjnej (LED) mamy do czynienia z [[elektroluminescencja|elektroluminescencją]], przy wytworzeniu której źródłem energii pobudzającej jest prąd elektryczny dostarczony z zewnątrz, czasami [[pole elektryczne]]. Najefektywniejsza elektroluminescencja w półprzewodniku powstaje w wyniku rekombinacji swobodnych nośników ładunku w [[złącze p-n|złączu p-n]], gdy jest ono spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Intensywność świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu, przy czym zależność ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. Zjawiska przeszkadzające elektroluminescencji to pochłanianie wewnętrzne i całkowite odbicie wewnętrzne. Długość fali generowanego promieniowania:
:: <math>\lambda=\frac{hc}{W_g},</math>

gdzie:
: <math>h</math> – [[stała Plancka]],
: <math>c</math> – [[prędkość światła]],
: <math>W_g = W_c - W_v</math> – [[przerwa energetyczna|szerokość pasma zabronionego]] lub różnica energii poziomów, między którymi zachodzi rekombinacja.

Miarą strat na odbicie wewnętrzne i pochłanianie jest stosunek zewnętrznej do wewnętrznej sprawności kwantowej <math>n_{qz}/n_{nw}.</math> O ile wewnętrzna sprawność kwantowa <math>n_{qw}</math> jest zależna od technologii procesu wytwarzania złącza oraz właściwości zastosowanego półprzewodnika, o tyle na zewnętrzną sprawność kwantową ma także wpływ kształt diody.

Kąt krytyczny, przy którym występuje pełne odbicie wewnętrzne
:: <math>q_{kr} = \arcsin\frac{1}{n^*},</math>

gdzie <math>n^*</math> jest współczynnikiem załamania.

Pochłanianie wewnętrzne może być wyrażane za pomocą funkcji <math>\exp[-a(l)x],</math> gdzie <math>a(l)</math> jest współczynnikiem absorpcji dla danej długości fali, <math>x</math> zaś określa odległość od miejsca rekombinacji promienistej do powierzchni emitującej promieniowanie diody na zewnątrz.

Całkowitą sprawność zamiany energii elektrycznej na energię promienistą w przypadku diody płaskiej określa zależność:
:: <math>\mu_{qz}=\frac{q}{P}\frac{4n^*}{(n^*+1)^2}(1-\cos\phi_{kr})\frac{\int\Phi(\lambda)[1+R~\exp(-2\alpha_n(\lambda)\chi_n)]~\exp(\alpha_p(\lambda)\chi_p)d\lambda}{\int\Phi(\lambda)d\lambda},</math>

gdzie:
: <math>P</math> – moc wejściowa elektryczna,
: <math>4n^*/(n^*+1)^2</math> – współczynnik transmisji (przepuszczalności) promieniowania z wnętrza półprzewodnika do powietrza,
: <math>f(l)</math> – strumień fotonów,
: <math>R</math> – współczynnik odbicia od kontaktu tylnego,
: <math>\alpha_n,</math> <math>\alpha_p</math> – współczynnik absorpcji w obszarze n lub p diody,
: <math>x_n,</math> <math>x_p</math> – grubość obszaru n lub p diody.

Złącza p-n diod elektroluminescencyjnych z GaAs wykonuje się zazwyczaj techniką [[dyfuzja|dyfuzyjną]], co zapewnia im wysoką sprawność kwantową.

Promieniowanie diod elektroluminescencyjnych z GaAs można uczynić widzialnym za pomocą [[przetwornik]]ów podczerwieni, na przykład przez pokrycie powierzchni diody odpowiednim luminoforem. Promieniowanie widzialne emitują diody elektroluminescencyjne z półprzewodników trójskładnikowych, na przykład [[arsenofosforek galu|GaAsP]], w których są spełnione warunki dla prostych przejść rekombinacyjnych. Diody z GaAsP emitują światło czerwone o długości fali <math>l</math> = 650 [[nanometr|nm]].

Długość fali emitowanego promieniowania zwiększa się ze wzrostem temperatury złącza. Diody emitują promieniowanie w bardzo wąskim przedziale widma: od 490&nbsp;nm – kolor niebieski do 950&nbsp;nm – bliska podczerwień.

Diody elektroluminescencyjne są wytwarzane z materiałów półprzewodnikowych (pierwiastki z III i V grupy układu okresowego, na przykład arsenek galu, fosforek galu, arsenofosforek galu, o odpowiednim domieszkowaniu). Barwa promieniowania emitowanego przez diody elektroluminescencyjne zależy od materiału półprzewodnikowego; są to barwy: niebieska, żółta, zielona, pomarańczowa, czerwona.

{| class="wikitable"
! Nazwa
! Materiał
! Barwa
|-
| [[arsenek galu]]
| GaAs
| [[podczerwień]]
|-
| [[fosforek galu]]
| GaP
| czerwona, zielona, żółta
|-
| [[arsenofosforek galu]]
| GaAs<sub>1-x</sub>P<sub>x</sub>
| czerwona, pomarańczowa, żółta
|-
| [[galoarsenek glinu]]
| Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>As
| czerwona, podczerwień
|-
| [[azotek galu]]
| GaN
| niebieska, biała (gdy dioda jest pokryta luminoforem, który wzbudzany przez niebieskie światło diody z azotku galu świeci przykładowo na żółto, co w efekcie daje barwę białą z widocznym lekkim niebieskim odcieniem)
|}

Średni [[natężenie prądu elektrycznego|prąd]] przewodzenia <math>I_F</math> nie powinien przekraczać 20–1500 m[[amper|A]], zależnie od typu diody. Często ogranicza się go za pomocą odpowiednio dobranego [[opornik]]a połączonego szeregowo z diodą lub [[Stabilizator (elektronika)|stabilizatora prądu]]. Stabilizatory prądu są zwykle stosowane do zasilania diod dużej mocy, gdzie istotna jest sprawność układu zasilania diody.

Zalety diod elektroluminescencyjnych to:
* duża [[sprawność]]
* duża trwałość
* duża wartość luminacji
* mały pobór prądu
* małe rozmiary
* małe straty energii
* mała wartość napięcia zasilającego.

== Parametry diod elektroluminescencyjnych (LED) ==
* czas narastania lub opadania
* częstotliwość graniczna
* długość fali emitowanego światła
* maksymalne [[napięcie wsteczne]] (do kilku [[wolt|V]])
* maksymalny prąd (przewodzenia) zasilający (w mA)
* moc wyjściowa
* [[skuteczność świetlna]]
* [[sprawność kwantowa]] (zewnętrzna)
* szerokość widmowa.

== Odmiany i zastosowania LED ==
{{osobny artykuł|Lampa LED}}
[[Plik:Verschiedene LEDs.jpg|thumb|450px|Diody elektroluminescencyjne produkowane są w różnych wielkościach i kształtach obudowy. W większości przypadków kolor obudowy odpowiada barwie emitowanego światła. Wyjątek stanowią obudowy bezbarwne, które stosuje się do diod światła białego, jak i innych barw – również wielokolorowe oraz diod emitujących podczerwień.]]
* '''Cool white LED''' – dioda generująca światło białe zimne (według normy PN-EN 12464-1 jest to temperatura barwowa powyżej 5300 K)
* '''HBLED''', ''High Brightness LED'' – diody o wysokiej jasności świecenia. Za takie uważa się diody, których jasność przekracza 0,2&nbsp;[[Kandela|cd]]. Znajdują one zastosowanie w miejscach, gdzie zwykle używa się tradycyjnych źródeł światła: w [[Sygnalizacja świetlna|sygnalizacji ulicznej]], w oświetleniu pojazdów, w latarkach.
* '''High Power LED''' lub '''Power LED''' – dioda wysokiej mocy. Do poprawnej pracy wymaga zapewnienia odpowiedniego chłodzenia i [[Źródło prądowe|źródła prądowego]] do zasilania. Białe diody tego typu mają najczęściej emiter wielkości kilku mm², jasność 80–200 [[Lumen|lm]] przy prądzie 350&nbsp;mA i pobieranej mocy około 1&nbsp;[[Wat|W]]. Maksymalny prąd podawany przez producentów to zazwyczaj 0,7–1,5&nbsp;[[Amper|A]] na 1&nbsp;mm² struktury (maksymalny prąd zależy w głównej mierze od chłodzenia struktury świecącej diody). Firmy produkujące tego typu LED-y to (przykładowe modele w nawiasach):
** CREE (XR-C, XR-E, XP-C, XP-E, XP-G, MC-E)
** Luminus Devices (SST-50, SST-90)
** Nichia
** Osram Opto Semiconductors GmbH (Ostar, Oslon)
** Philips Lumileds Lighting Company (Luxeon K2, Luxeon Rebel)
** Seoul Semiconductors (SSC-P4, SSC-P7)
* '''IR''' – emitujące promieniowanie podczerwone, stosowane w łączach [[światłowód|światłowodowych]], a także w urządzeniach zdalnego sterowania
* '''Neutral white LED''' – dioda generująca światło białe neutralne (według normy PN-EN 12464-1 jest to temperatura barwowa 3300–5300 K)
* '''RGB LED''' – dioda mająca struktury do generowania trzech podstawowych barw (czerwony, zielony, niebieski) i, przez możliwość ich mieszania, praktycznie dowolnej barwy
* '''RGBA LED''' – rozszerzenie struktury RGB o dodatkową diodę o kolorze bursztynowym, powiększającą osiągalną przestrzeń barw
* '''RGBW LED''' – rozszerzenie struktury RGB o dodatkową diodę o kolorze białym. Przykładem diody RGBW jest dioda firmy CREE model MC-E RGBW.
* '''Warm white LED''' – dioda generująca światło [[Barwa biała|białe]] ciepłe (według normy PN-EN 12464-1 jest to [[temperatura barwowa]] poniżej 3300 [[Kelwin|K]]). Diody ciepłe mają najbardziej zbliżoną temperaturę barwową do światła żarówki.

Zespoły diod elektroluminescencyjnych są stosowane w różnego rodzaju wyświetlaczach, na przykład [[wyświetlacz siedmiosegmentowy|siedmiosegmentowych]].

== Zobacz też ==
* [[laser półprzewodnikowy|dioda laserowa]]
* [[lampa LED]]
* [[organiczna dioda elektroluminescencyjna]] (OLED)

== Przypisy ==
{{Przypisy}}

{{wikibooks|Zastosowanie LED w oświetleniu}}
{{lampy}}

{{Kontrola autorytatywna}}

[[Kategoria:Diody elektroluminescencyjne| ]]