Laboratorium z fotofizyki i fotochemii 

 

 

 
 
 

Ćwiczenie 52

 

 

Charakterystyka widmowa diod 

elektroluminescencyjnych (LED) 

 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

Opracowali: 

 

Dr inż. Jarosław Jung 

 

Dr inż. Marcin Kozanecki 

 
 
 

Łódź 2010 

 

 

1. Cel ćwiczenia:  

Celem  ćwiczenia  jest  zapoznanie  się  z  charakterystykami  widmowymi  kilku  diod 

elektroluminescencyjnych  emitujących  światło  o  różnej  barwie.  Porównanie  doznań  oka 

ludzkiego z rzeczywistym widmem emisyjnym diod, w których barwę uzyskano poprzez dobór 

bariery energetycznej złącza p-n, lub poprzez użycie odpowiednich filtrów optycznych. 

2. Wstęp 

Jedną  z  podstawowych  charakterystyk  sporządzanych  dla  źródeł  światła  jest  ich  widmo 

emisyjne.  W  zależności  od  zastosowania  celem  inżynierów  jest  uzyskanie  źródeł  światła  o  jak 

najszerszym  widmie,  dodatkowo  zbliżonym  do  widma  światła  naturalnego  (np.  oświetlenie 

pomieszczeń),  bądź  też  diod  emitujących  w  wąskim  zakresie  długości  fal  (m.in.  lampy 

sygnalizacyjne,  fotokomórki,  urządzenia  zdalnego  sterowania  i  inne).  W  przypadku 

konwencjonalnych  źródeł  światła  (żarówki,  świetlówki)  możliwość  „sterowania”  barwą 

emitowanego  światła  ograniczona  jest  praktycznie  tylko  do  stosowania  odpowiednich  filtrów. 

Bez  wątpienia  zaletą  diod  elektroluminescencyjnych  LEDs  (z  ang.  Light  Emitting  Diodes)  w 

porównaniu  z  żarówkami,  bądź  świetlówkami  jest  możliwość  uzyskania  określonej  barwy 

ś

wiatła  nie  tylko  poprzez  użycie  filtrów,  lecz  również  na  drodze  odpowiedniego  doboru 

półprzewodników, z którego dioda jest wykonana (dobór bariery potencjału na złączu p-n).  

  
2.1. Fotometria. Podstawowe pojęcia i zależności. 
 
 

Postrzeganie  świata  jest  cech  osobniczą  i  może  dość  znacznie  różnić  się  w  ramach 

jednego  gatunku, nie mówiąc już o porównaniu międzygatunkowym, np. oczy wielu  gatunków 

ptaków aktywnych w ciągu dnia bardzo wrażliwe są na promieniowanie z zakresu UV, podczas 

gdy  zwierzęta  prowadzące  nocny  tryb  życia  mają  wzrok  wyczulony  na  zakres  podczerwieni. 

Znane są gatunki zwierząt nie posiadające zdolności rozróżniania barw. Czułość ludzkiego oka 

(przyjmuje  się,  że  oko  ludzkie  aktywne  jest  w  zakresie  380-760  nm)  bardzo  silnie  zależy  od 

długości  fali  promienowania  oraz  natężenia  światła,  w  związku  z  czym  proste  wielkości 

radiometryczne są słabo przydatne do oceny efektów działania danego promieniowania z zakresu 

fal  widzialnych  na  ludzkie  oko.  Działem  optyki,  który  zajmuje  się  pomiarem  światła  w 

odniesieniu do wrażenia, jakie wywołuje na ludzkie oko jest fotometria. Można zatem uznać, że 

jest to dość specyficzny, „subiektywny” dział fizyki. W związku z tym fotometria wypracowała 

swój system pojęć i jednostek, odbiegający nieco od standardowych pojęć radiometrii i jednostek 

układu SI, wygodnych jednak z praktycznego punktu widzenia.  

Podstawową  wielkością  fotometrii  jest  światłość  (natężenie  źródła  światła)  I

ν

 

zdefinowana  jako  stosunek  strumienia  świetlnego  (

φ

)  (wyrażonego  w  lumenach)  do  kąta 

bryłowego (

Ω

). Jednostką światłości w układzie SI jest kandela (cd), przy czym 1cd to światłość 

ciała  doskonale  czarnego  o  powierzchni  1/6  10

-5

  m

2

  w  temperaturze  krzepnięcia  platyny  pod 

normalnym  ciśnieniem.  Należy  pamiętać  jednak,  że  pomiary  radiometryczne  są  mam  w  stanie 

dostarczyć  jedynie  wartości  natężęnia  promieniowania  (I)  wyrażonego  w  W/sr,  bez 

uwzględniania  czułości  ludzkiego  oka.  Na  użytek  fotometrii  warto  znać  zatem  zależność 

pomiędzy światłością źródła, a natężeniem promieniowania: 

)

(

)

(

)

(

λ

λ

χ

λ

ν

I

K

I

m

=

  

 

 

 

 

(1) 

gdzie: 

χ

(

λ

)

  jest  współczynnikiem  uwzględniającym  średnią  czułość  ludzkiego  oka  w  funkcji 

długości  fali  promieniowania  (patrz  rysunek  1),  zaś  stały  współczynnik  K

m

  =  683  lm/W  (tzw. 

fotometryczny  równoważnik  promieniowania)  pochodzi  z  „fotometrycznej”  definicji  kandeli 

definiującej ją jako światłość, jaką ma w określonym kierunku źródło emitujące promieniowanie 

monochromatyczne  o  częstości  5,4×10

14

  Hz  (ok.  555nm)  i  którego  energetyczne  natężenie 

promieniowania  w  tym  kierunku  wynosi  1/683  W/sr.  Średnia  względna  czułość  ludzkiego  oka 

zależy  silnie  od  natężenia  światła  i  związana  jest  z  aktywnością  światłoczułych  receptorów 

znajdujących  się  na  siatkówce  naszego  oka:  czopków  i  pręcików.  Czopki  są  receptorami 

umożliwiającymi  widzenie  barwne  i  są  odpowiedzialne  przede  wszystkim  za  tzw.  widzenie 

fotopowe (dzienne).  Ludzkie oko zawiera trzy rodzaje czopków różniących się charakterystyką 

widmową – patrz rysunek 2. Oznacza to, że reagują one w różny sposób na daną barwę światła. 

Jak widać z rysunku 2 maksima ich absorpcji przypadają dla światła o długości fali około 700, 

530 nm  i  420 nm,  co  odpowiada  barwie  czerwonej,  zielonej  i  niebieskiej.  Wyseparowanie 

poszczególnych  czopków  oraz  określenie  ich  charakterystyk  widmowych  stało  się  podstawą 

stworzenia modelu barw RGB – omówionego w dalszej części instrukcji. Analiza sygnałów od 

poszczególnych  rodzajów  czopków  wzbogacona  odpowiednio  o  sygnał  z  pręcików  pozwala  na 

ocenę  barwy  i  intensywności  promieniowania  widzialnego  docierającego  do  ludzkiego  oka. 

Pręciki  są  receptorami  około  trzykrotnie  bardziej  czułymi  niż  czopki  i  są  odpowiedzialne  za 

ocenę  zmian  intensywności  promieniowania.  Biorą  udział  w  widzeniu  skotopowym  (nocnym). 

Maksimum  ich  absorpcji  przypada  na  zakres  około  500  nm.  Porównując  rysunki  1  i  2  łatwo 

zauważyć  zatem,  że  czułość  ludzkiego  oka  w  widzeniu  skotopowym  odpowiada  maksimum 

absorpcji pręcików, podczas gdy w widzeniu fotopowym jest superpozycją absorpcji wszystkich 

fotoreceptorów. 

 

Rys.1. Krzywe czułości względnej oka ludzkiego w widzeniu skotopowym (krzywa szara) i fotopowym (krzywa 

zielona). Krzywe te odpowiadają widzialności względnej (skuteczności względnej) promieniowania. 

Rys.2. Krzywe czułości pręcików(krzywa czarna) i czopków(krzywe barwne) oka ludzkiego (zaczerpnięto z 

http://pl.wikipedia.org/). 

Kolejną  podstawową  wielkością  charakteryzującą  źródło  promieniowania  w  fotometrii 

jest  strumień  świetlny  (

φ

)  –  ilość  energii  przenoszonej  przez  falę  elektromagnetyczną  przez 

dowolną powierzchnię w jednostce czasu. Jednostką strumienia świetlnego jest lumen [1 lm = 1 

cd—1 sr]. Całkowity strumień świetlny wyrażony jest wzorem: 

λ

λ

χ

λ

φ

λ

λ

d

W

K

m

)

(

)

(

1

2

∫

=

 

 

 

 

 

(2) 

gdzie: W(

λ

)

 moc promieniowania wyrażona w watach. Przyjmuje się, że dla światła o długości 

555 nm jednemu lumenowi odpowiada promieniowanie o mocy 0,00147 W.  

 

Ważnymi  parametrami  charakteryzującymi  źródła  światła  są  emitancja  świetlna  (M)  i 

luminancja  (L)  zdefiniowane  odpowiedno  jako  strumień  świetlny  wypromieniowywany  przez 

dany  element  powierzchni  (dS)  oraz  jako  natężenie  promieniowania  w  danym  kierunku  przez 

dany element powierzchni: 

dS

d

M

φ

=

 

 

 

 

 

 

(3) 

θ

ν

cos

dS

dI

L

=

   

 

 

 

 

(4) 

gdzie 

θ

  jest  to  kąt  zawarty  pomiędzy  wybranym  kierunkiem,  a  normalną  do  powierzchni  dS. 

Jednostką emitancji w fotometrii jest lmm

-2

, zaś luminancji nit [1 nt = 1 cd—1 m

-2

]. 

Ważnymi parametrami opisujące źródła emitujące światło o różnych długościach fali (

λ) są 

również  pojęcia  gęstości  monochromatycznych:  strumienia  energetycznego  (

φ

λ

),  natężenia 

promieniowania (I

λ

), emitancji (M

λ

) i luminancji (L

λ

), zdefiniowane następująco:  

λ

φ

φ

λ

d

d

=

 

 

 

 

 

 

(5) 

λ

ν

λ

d

dI

I

=

 

 

 

 

 

 

(6) 

λ

λ

d

dM

M

=

 

 

 

 

 

 

(7) 

λ

λ

d

dL

L

=

 

 

 

 

 

 

(8) 

Bardzo  istotnym  pojęciem  w  fotometrii  jest  natężenie  oświetlenia  E

ν

  zdefiniowane  jako 

stosunek strumienia świetlnego do wielkości oświetlanej powierzchni (

∆S): 

S

E

∆

=

)

(

)

(

λ

φ

λ

ν

  

 

 

 

 

(9) 

Jednostką natężenia oświetlenia jest luks [1lx = 1lm—1 m

-2

]. 

Z punktu widzenia oświetlenia pomieszczeń bardzo istotny jest rozkład widmowy źródła 

ś

wiatła  (charakterystyka  widmowa),  czyli  zależność  natężenia  promieniowania  dla  danej 

długości fali. W przypadku LED-ów możliwe jest dość dokładne zaprojektowanie tego rozkładu 

pod  warunkiem  znajomości  struktury  pasmowej  półprzewodników  wykorzystywanych  do 

budowy diody elektroluminescencyjnej – patrz rozdział 2.3. 

 

Dobrym wzorcem dla porównania rozkładów spektralnych różnych źródeł światła może 

być  promieniowanie  ciała  doskonale  czarnego.  Rys.  3  przedstawia  widma  emisyjne  ciała 

doskonale czarnego w różnych temperaturach. Zgodnie z prawem Stefana-Boltzmana emitancja 

ciała doskonale czarnego rośnie z czwartą potęgą temperatury:  

4

T

M

σ

=

 

 

 

 

 

 

(10) 

gdzie: 

σ

 jest stałą Stefana-Boltzmana równą 5,669 10

-8

 Wm

-2

K

-4

. Należy zauważyć również, że 

wzrost  temperatury  ciała  doskonale  czarnego  skutkuje  przesunięciem  maksimum  emisji  w 

kierunku  fal  krótszych.  Przesunięcie  to  opisuje prawo  Wiena,  głoszące,  że  iloczyn  temperatury 

oraz długości fali odpowiadającej maksymalnej emitancji jest wielkością stała równą 2,898 10

-3

 

mK (tzw. stała Wiena). Jak wcześniej wspomniano maksymalną czułość  ludzkie oko wykazuje 

dla  światła  o 

λ

  ≈  555  nm,  co  odpowiada  promieniowaniu  ciała  doskonale  czarnego  w 

temperaturze około 5500 K. Jest to wartość zbliżona do temperatury powierzchni słońca, którego 

widmo  emisyjne  zbliżone  jest  do  widma  ciała  doskonale  czarnego.  Jest  to  doskonały  przykład 

ewolucyjnego  dostosowywania  się  organizów  żywych  do  warunków  środowiska.  Sztuczne 

ź

ródła  światła  żarówki  i  świetlówki  mimo  szerokiego  widma  emisji  dają  rozkłady  spektralne 

znacznie  odbiegające  od  widm  źródeł  naturalnych.  Maksimum  emitancji  wolframu  będącego 

podstawowym 

składnikiem 

ż

arnika 

w 

temperaturze  pracy  żarówki  (tj.  około  3000 

K)  przypada  na  zakres  podczerwieni, 

dodatkowo  silnie  absorbowany  jest  zakres 

ultrafioletu  przez  szklaną  bańkę  żarówki. 

Wadą świetlówek jest ich dyskretne widmo, 

przez  co  nie  oddają  one  poprawnie  barw. 

Również  widma  obecnie  produkowanych 

LED-ów  dalekie  są  od  ciągłego  spektrum 

ciała  doskonale  czarnego.  Dotyczy  to 

zarówno  diod  RGB,  ARGB,  jak  i  diod 

wykorzystujących  fosfory  (diody  te  zostaną 

omówione w dalszej części instrukcji).  

Rys. 3. Emitancja ciała doskonale czarnego w funkcji 

temperatury. Zaczerpnięto z http://pl.wikipedia.org/ 

2.2. Przestrzenie barw.  
 

 
Opis  światła  w  postaci  widma  jest  wystarczający  z  punktu  widzenia  wielu  dziedzin 

aktywności  człowieka.  Istnieje  jednak  wiele  dziedzin,  gdzie  widmo  przestaje  być  użyteczne, 

szczególnie  tam,  gdzie  niezbędne  jest  „odtworzenie”  konkretnej  barwy.  Technologia  wymaga 

automatyzacji i powtarzalności, co zapewnić może jedynie liczbowy opis  zjawisk i obiektów – 

dotyczy  to  przede  wszystkim  technologii  drukarskich  i  poligraficznych,  produkcji  sprzętu 

audiowizualnego  oraz  technologii  produkcji  fabr  i  barwników  (wraz  z  dziedzinami 

wykorzystującymi  produkty  tej  gałęzi  przemysłu  –  przemysłem  tekstylnym,  spożywczym  itd.), 

grafiki  komputerowej,  fotografii,  itp.  Z  tego  właśnie  powodu  dla  widma  fal 

elektromagnetycznych  z  zakresu  światła  widzialnego  opracowano  matematyczne  modele  w 

postaci  trójwymiarowych  przestrzeni  barw.  Modele  takie  pozwalają  nie  tylko  opisać  liczbowo 

widmo,  ale  uwzględniają  często  również  czułość  ludzkiego  oko.  O  ważkości  tego  zagadnienia 

może  świadczyć  fakt,  że  najważniejsze  przestrzenie  barw  ujęte  są  w  normach 

międzynarodowych.  

 

Model  RGB  zbudowany  został  w 

oparciu  o  czułość  różnych  fotoreceptorów 

ludzkiego oka (czopków) i o odpowiadjące im 

maksima  absorpcji.  Podstawą  tego  modelu  są 

zatem  barwy:  czerwona,  zielona  i  niebieska 

(red,  greek,  blue),  których  poziom  jasności 

(intensywność) zmiania się wzdłuż określonej 

ś

ciany  sześcianu,  jak  pokazuje  to  rysunek  4a. 

Wierzchołek  odpowiadający  maksymalnej 

intensywności 

wszystkich 

podstawowych 

kolorów  otrzymujemy  czerń  (co  odpowiada 

wartościom liczbowym R 255; G 255; B 255), 

podczas 

gdy 

wierzchołek 

przeciwległy 

odpowiada  barwie  białej  (R  0;  G  0;  B  0). 

Urządzenia  wykorzystujące  systemy  RGB 

(monitory,  skanery,  aparaty  fotograficzne 

oferują zatem 256 poziomów jasności każdej z 

barw podstawowych i około 16,8 mln odcieni 

(jest  to  system  24  bitowy  nazywany  czasem 

True Color).  

Rys.4Modele barw: a) RGB; b) CMYK. . Zaczerpnięto z 

http://pl.wikipedia.org/ 

a 

b 

 

Podobnym  modelem  jest  system  CMYK.  Bazuje  on  na  trzech  barwach  subtraktywnych 

zwanych:  cyjan  (w  systemie  RGB  kolor  odpowiadający  barwie  powstałej  przez  zmieszanie 

zieleni  i  niebieskiego),  magenta  (mieszanina  czerwonego  i  niebieskiego),  yellow  (połączenie 

czerwieni  i  zieleni)  również  umieszonych  w  sześcianie  –  patrz  rysunek  4b.  Dopełnieniem  do 

gamy CMYK jest czerń. System ten jest najczęściej wykorzystywany w drukarstwie i poligrafii. 

Jest  to  system  oferujący  szerszą  paletą  odcieni.  Mimo  to  nie  wszystkie  odcienie  dostępne  w 

systemie  RGB  udaje  się  „odtworzyć”  w 

systemie CMYK i vice versa. 

 

Jednym  z  najstarszym  modeli 

barw jest przestrzeń CIEXYZ (CIE1931). 

Model  ten  stworzony  został  przez 

Międzynarodową 

Komisję 

Oświetleniową  (Comission  Internationale 

de  l'Eclairage)  już  w  1931  roku,  a  jako 

punkt odniesienia przyjęto paletę kolorów 

zbudowaną  na  podstawie  subiektywnego 

odczucia  barw.  Przebadano  grupę  ludzi, 

których 

zadaniem 

było 

znalezienie 

odcieni,  które  najbliższe  są  w  ich 

odczuciu  podstawowej  barwie  zielonej, 

czerwonej  i  niebieskiej.  Na  podstawie 

sporządzonej  statystyki  określono  w 

trójwymiarowej 

przestrzeni 

punkty 

odpowiadające  barwom  podstawowym. 

Równocześnie  stworzono  również  dwuwymiarową  wersję  opisanego  modelu  (CIE  yxY)  – 

prezentowaną na rysunku 5 – przeliczając według określonego algorytmu współrzędne z układu 

trójwymiarowego  na  dwuwymiarowy.  Następcami  modelu  CIE  XYZ  są  modele  CIELUV  i 

CIELab. Z punktu widzenia grafiki komputerowej nawajważniejszym modelem jest model CIE 

La*b*. W tym przypadku przestrzeń barw jest elipsoidą o trzech prostopadłych osiach, wzdłuż 

których  zmieniają  barwy  według  następujących  zasad:  wzdłuż  osi  a  a  barwy  przechodzą  od 

zielonej  do  czerwonej,  wzdłuż  osi  b  od  żółtej  do  niebieskiej,  zaś  wzdłuż  osi  L  tzw.  barwy 

achromatyczne  (szaroście)  od  bieli  do  czerni.  Oznacza  to,  że  w  punkcie  przecięcia  osi 

umieszczona  jest  biel,  zaś  oś  L  stanowi  oś  reprezentującą  jaskrawość.  System  ten  oferuje 

Rys.5 Model CIEyxY zwany trójkątem barw. Na model 

naniesiono krzywą obrazującą zależność maksimum emitancji 

ciała doskonale czarnego w funkcji temperatury. Zaczerpnięto z 

http://pl.wikipedia.org/ 

 

najszerszą paletę barw i każdy inny system da 

się 

przetransformować 

zgodnie 

z 

odpowiednimi  algorytmami  do  przestrzeni 

Lab. 

Dość  wygodnym  modelem  barw  jest 

system  HSV  (HSB),  którego  nazwa  wywodzi 

się od angielkich słów hue – barwa, saturation 

–  nasycenie,  value  –  ilość  (w  domyśle  moc), 

lub  brightness.  Model  ten  budowany  jest  w 

oparciu o analizę światła odbitego, tzn zakłada, 

ż

e pierwotnym źródłem barw jest światło białe 

„modyfikowane”  na  skutek  oddziaływania  z 

materią.  Graficzną  reprezentacją  tego  modelu 

jest  stożek,  podstawą  którego  jest  koło  barw. 

Barwa światła opisana jest kątem na kole barw 

(barwie czerwonej odpowiada kąt 0° lub 360°, zielonej 120°, zaś niebieskiej 240). 

 

Na koniec warto wspomnieć jeszcze o dość nietypowym modelu – przestrzeni Munsella. 

Model ten oparty jest na 5 barwach:  purpurowej, niebieskiej, zielonej, żółtej i czerwonej. Model 

ten stał się podstawą stworzenia koła barw wykorzystywanego w wielu programach graficznych 

i  innych  systemach  (np.  HSV).  Jego  specyfiką  jest  nieregularność  graficznej  prezentacji 

przestrzeni Munsella – patrz rysunek 6. Zaletą tego systemu jest prostota. 

 

2.3. Budowa i zasada działania diody elektroluminescencyjnej. 

 

Diody elektroluminescencyjne są półprzewodnikowymi urządzeniami mającymi zdolność 

emisji  fal  elektromagnetycznych  w  zakresie  światła  widzialnego,  bliskiej  podczerwieni  lub 

bliskiego ultrafioletu. Podobnie, jak u innych typów diod podstawowym elementem ich budowy 

jest  złącze  p-n,  tzn.  układ  dwóch  połączonych  półprzewodników,  z  których  jeden  jest  typu  n 

(katoda), drugi zaś typu p (anoda) – patrz rysunek 7. Przez granicę zetknięcia zarówno elektrony, 

jak i dziury mogą swobodnie dyfundować jedynie w kierunku odwrotnym do kierunku wzrostu 

ich  koncentracji.  Elektrony  dyfundują  zatem  z  obszaru  n  do  obszaru  p,  natomiast  dziury  w 

przeciwnym  kierunku,  skutkiem  czego  jest  pojawienie  się  nieskompensowanego  ładunku 

dodatniego  w  warstwie  granicznej  półprzewodnika  n  oraz  nieskompensowanego  ładunek 

ujemnego  w  warstwie  granicznej  półprzewodnika  p.  Wytowrzone  w  obszarze  złącza  p-n  pole 

elektryczne  nazywane  jest  warstwą  zaporową,  a  związane  z  nim  napięcie  napięciem 

Rys. 6. Przestrzeń Munsella. Zaczerpnięto z 

http://www.portaldtp.pl/ 

kontaktowym. Napięcie kontaktowe stanowi barierę potencjału przeciwdziałając dalszej dyfuzji 

nośników  prądu.  Umieszczenie  złącza  p-n  w  zewnętrznym  polu  elektrycznym  prowadzi  do 

poszerzenia  lub  zwężenia  warstwy  zaporowej  w  zależności  od  kierunku  przyłożonego  napięcia 

zewnętrznego  –  patrz  rys.  8.  W  przypadku  spolaryzowania  złącza  w  kierunku  zaporowym 

szerokość  bariery  potencjału  wzrośnie  na  skutek  zsumowania  się  zgodnych  pod  względem 

kierunku: zewnętrznego pola elektrycznego oraz pola elektrycznego w warstwie zaporowej (rys. 

8A).  Polaryzacja  złącza  w  kierunku  przewodzenia  (rys  8B)  prowadzi  do  zmniejszenia  się 

szerokości  bariery  potencjału  ze  względu 

na 

przeciwnie 

skierowane 

pola 

elektryczne.  Sprzyja  to  przepływowi 

elektronów  i  dziur  w  kierunku  złącza, 

gdzie  może  następować  ich  rekombinacja 

z  wydzieleniem  kwantu  promieniowania 

elektromagnetycznego 

(rekombinacja 

promienista),  zjawisko  takie  nazywane 

jest  elektroluminescencją  (rys  9).  Energia 

wypromieniowanego 

fotonu 

jest 

bezpośrednio 

związana 

ze 

strukturą 

energetyczną  materiałów  użytych  do 

budowy złącza p-n i równa różnicy energii 

(

∆E) 

pomiędzy 

najniższym 

nieobsadzonym 

poziomem 

(LUMO) 

materiału  typu  p  oraz  najwyższym 

poziomem 

obsadzonym 

(HOMO) 

materiału  typu  n.  Wynika  z  tego,  że 

poprzez  dobór  materiału,  z  którego 

wykonane  jest  złącze  p-n  możliwe  jest 

uzyskanie 

urządzenia 

emitującego 

promieniowanie o różnej długości fali (

λ), 

zgodnie ze wzorem Plancka:  

E

hc

∆

=

λ

  

(1) 

gdzie c - prędkość światła w próżni, zaś h 

stała Plancka. 

materiał typu n 

materiał typu p 

+ 

– 

– 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

 

– 

– 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

 

– 
 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

 

+ 

+ 

+ 

 

+ 

+ 

+ 

 

+ 

– 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 
 

– 
 

– 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

warstwa 

zaporowa 

∆

∆

∆

∆E 

+ 

+ 

+ 

+ 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

Rys.7. Schemat złącza p-n. Symbole oznaczają odpowiednio: 
      - domieszkę donorową;      - domieszkę akceptorową;    -  
Elektron,;      -  dziurę.  Strzałkami  zaznaczono  kierunek 
samoistnej dyfuzji nośników 
  

+ 

–

 

+ 

– 

+ 

– 

 

 

A 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
B 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.8. Złącza p-n w zewnętrznym polu elektrycznym podłączone w kierunku: (A) -  zaporowym; (B) – przewodzenia. 
Symbole oznaczają odpowiednio:     - domieszkę donorową;      - domieszkę akceptorową;    - elektron;   - dziurę. 
Strzałkami zaznaczono kierunek samoistnej przepływu nośników. 
  

+ 

–

 

+ 

– 

+ 

 

materiał typu n 

(katoda) 

materiał typu p 

(anoda) 

– 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 
 

– 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

warstwa 

zaporowa 

∆

∆

∆

∆

 

+ 

– 
 

– 
 

+  – 

+ 

– 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 
 

– 
 

– 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

warstwa 

zaporowa 

∆

∆

∆

∆

+ 

+ 

+ 

+ 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

+ 

– 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

materiał typu n 

(katoda) 

materiał typu p 

(anoda) 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
2.4. Technologia diod elektroluminescencyjnych.  
 

Rysunek 

10 

przedstawia 

budowę 

typowej 

diody 

elektroluminescencyjnej. 

Jak 

już 

wspomniano podstawowym elementem 

jest złącze p-n umieszczone zazwyczaj 

na  katodzie  w  specjalnej  wnęce 

spełniającej  rolę  odbłyśnika.  Materiał 

typu  p  złącza  p-n  połączony  jest  z 

anodą  cienkim  drucikiem.  Całość 

zatopiona 

jest 

w 

epoksydowej 

obudowie  chroniącej  złącze  przed 

kontaktem  z  tlenem,  bądź  wilgocią, 

+ 

– 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 

– 
 

– 
 

– 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

∆

∆

∆

∆E 

+ 

+ 

+ 

+ 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

+ 

– 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

materiał typu n 

(katoda) 

materiał typu p 

(anoda) 

+ 

– 
 

– 
 

– 
 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

– 

– 
 

– 
 

– 
 

– 
 

Poziom HOMO 
materiału typu n 

Poziom LUMO 
materiały typu p 

Rys.9.  Zasaada  działania  diody  elektroluminescencyjnej.  Symbole  oznaczają  odpowiednio:          -  domieszkę 
donorową;      - domieszkę akceptorową;    - elektron;   - dziurę. Strzałkami zaznaczono kierunek ruchu nośników. 
Czerwone,  faliste  strzałki  ilustrują  emisję  fotonu.  N  fioletowo  zaznaczono  obszar  złączowy,  w  którym  następuje 
rekombinacja nośników.   
  

+ 

–

 

+ 

– 

 

 

Epoksydowa obudowa 
pełniąca rolę soczewki 

Złącze p-n umieszczone we 
wnęce pełniącej rolę odłyśnika 

Drut łączący anodę z 
materiałem typu  

Katoda 

 

Anoda 

Rys.10. Schemat budowy diody elektroluminescencyjnej. 

Na podstawie  http://pl.wikipedia.org/ 

 

które  powodowałyby  błyskawiczną  korozję  złącza.  Obecnie  najbardziej  popularne  na  rynku  są 

diody,  w  których  epoksydowa  obudowa  pełni  również  rolę  soczewki,  a  często  również 

odpowiedniego filtra pozwalającego modyfikować barwę światła emitowanego przez złącze.  

Diody  monochromatyczne  zawierają  jedno  złącze  p-n,  którego  bariera  energetyczna 

odpowiada  energii  emitowanego  promieniowania.  Typowe  widma  emisyjne  (charakterystyki 

widmowe) tego typu diod przypominają krzywe Gaussa o szerokości połówkowej od kilkunastu 

do  kilkudziesięciu  nanometrów.  Większość  diod  elektroluminescencyjnych  wykonuje  się 

obecnie  z  materiałów  nieorganicznych,  z  których  najbardziej  popularne  przedstawiono  na 

rysunku  11.  Oprócz  wymienionych  warto  wspomnieć  jeszcze  o  diamencie,  azotku  boru  oraz 

azotku  glinu  pozwalającyh  uzyskać  diody  świecące  w  UV  (maksima  emisji  odpowiednio  przy 

235,  215  i  210   nm.  Jednak  w  wielu  przypadkach,  barwa  emitowanego  światła  z  różnych 

względów nie odpowiada oczekiwaniom. Można ją modyfikować zasadniczo na trzy sposoby: 

- używając różnego typu filtrów optycznych, 

- stosując odpowiednie fosfory tj. związki zdolne do silnej fosforescencji, 

- budując diody wielozłączowe. 

W  pierwszym  najprostszym  przypadku  rolę  filtra  pełni  najczęściej  zdysperowany  w 

ż

ywicy  epoksydowej  barnik  lub  pigment.  Mimo  niskich  kosztów  takiego  rozwiązania  ma  on 

wiele  wad,  do  których  zaliczyć  należy  przede  wszystkim  osłabienie  emitowanego  strumienia 

ś

wietlnego i tym samym zmniejszenie sprawności diody oraz często pojawiające się poszerzenie 

widma emisji. Typowymi przykładami diod zawierającymi fosfory są diody białe. Budowane są 

one  z  półprzewodników  emitujących  promieniowanie  z  zakresu  światła  niebieskiego  lub 

ultrafioletu  np.  (GaN,  InGa),  które  stanowi  jednocześnie  źródło  wzbudzenia  substancji 

fosforyzującej.  Na  warstwę  półprzewodnika  nanosi  się  cienką  warstę  zdolnego  ddo 

fosforescencji materiału, np. domieszkowanego jonami Ce

3+

 kryształu YAG. W tym przypadku 

oczekiwane  jest  znaczne  poszerzenie  charakterystyki  widmowej  LED-a,  a  wymienony  fosfor 

oferuje  właśnie  szerokie  ciągłe  pasmo  w  zakresie  500-700  nm.  Z  punktu  widzenia  fotometrii, 

widmo tak skonstruowanej diody jest superpozycją widma emisji złącza i fosforu. Ze względu na 

niską  cenę  takiego  rozwiązania  większość  białych  LED-ów  jest  obecnie  produkowanych  na 

bazie  fosforów  mimo,  że  ich  wydajność  jest  niższa  w  porównaniu  do  diod  wielozłączowych. 

Spadek  wydajności  związany  jest  z  procesami  dyssypacji  energii  w  warstwi  fosforyzującej. 

Innym  przykładem  tego  typu  diod  elektroluminescencyjnych  są  układy  na  bazie  złącza 

emitującego  promieniowanie  UV  pokrywane  niebieskimi  i  czerwonymi  fosforami  –  oferujące 

ś

wiatło  fioletowe  (purpurowe).  Dołożenie  dodatkowo  zielonego  fosforu  np.  domieszkowanego 

glinem i miedzią selenku cynku prowadzi do uzyskania diody białej.   

 

700           650           600           550            500            450           400

1.77           1.91          2.07           2.25            2.48            2.76           3.10

[nm]

[eV]

Długość fali

Energia

 

Rys. 11. Konwencjonalne (nieorganiczne) materiały półprzewodnikowe używane do produkcji diod 

elektroluminescencyjnych wraz z zaznaczonym zakresem emisji. 

 

Największe  możliwości  „sterowania”  barwą  dają  LED-y  wielozłączowe.  Zamknięcie  w 

jednej  obudowie  więcej  niż  jednego  złącza  umożliwia  emisję  różnych  barw  światła  z  jednego 

urządzenia. Typowym przykładem są tzw. diody RGB – będące kombinacją złączy emitujących 

ś

wiatło  czerwone,  zielone  i  niebieskie.  W  efekcie  otrzymujemy  źródło  o  dyskretnym  widmie 

będącym superpozycją widm poszczególnych złączy, odbieranym jednak przez ludzkie oko, jako 

ś

wiatło  białe.  W  takich  rozwiązaniach  złącza  emitują  światło  jednocześnie,  choć  zazwyczaj 

istnieje  możliwość  niezależnego  sterowania  prądem  (a  tym  samym  intensywnością  emisji) 

poszczególnych złącz, co pozwala na dynamiczne zmiany barwy emitowanego przez urządzenie 

ś

wiatła.  Oprócz  diod  RGB  produkowanych  jest  wiele  diod  dwuzłączowych,  w  przeróżnych 

kombinacjach  barwnych.  Wadą  takich  urządzeń  jest  dość  niska  sprawność,  jednak  możliwość 

„przełączania”  barw  i  sterowania  kolorem  powoduje  ciągły  wzrost  zainteresowania  tego  typu 

układami.  Warto  też  wspomnieć  o  diodzie  czterozłączowej  RGBA,  gdzie  do  omawianego  już 

układu  RGB  dołączono  złacze  emitujące  światło  żółto  pomarańczowe  (bursztynowe),  co 

pozwala na lepsze „wypełnienie” widma w zakresie widzialnym.  

Innym przykładem diod wielozłaczowych są urządzenia emitujące alternatywnie światło 

o  dwóch  różnych  długościach  fali  –  t.j.  diody  bipolarne.  O  ile  w  układach  omawianych 

poprzednio  złącza  miały  wspólną  jedną  elektrodę  (najczęściej  katodę),  o  tyle  w  diodach 

bipolarnych barwa emitowanego światła zależy od polaryzacji diody.  

 

Warto na koniec tego rozdziału wspomnieć jeszcze o dwóch bardzo istotnych problemach, 

stanowiących  poważne  wyzwanie  dla  inżynierów:  bardzo  wysokim  współczynniku  załamania 

ś

wiatła  charakterystycznym  dla  materiałów  półprzewodnikowych  oraz  ukierunkowanej  emisji 

ś

wiatła. Jak wiadomo współczynnik załamania światła ściśle związany jest ze strukturą pasmową 

materii.  W  przypadku  izolatorów  elektrycznych  tj.  materiałów  charakteryzujących  się  dużą 

szerokością  pasma  wzbronionego,  względne  współczynniki  załamania  światła  zazwyczaj 

mieszczą  się  w  granicach  1-2  (są  to  wielkości  charakterystyczne  również  dla  żywic 

InGaN 

fiolet 

niebieski 

ZnSe 

zielony 

GaP 

InGa/GaN 

ż

ółty 

czerwony 

pomarańczowy 

AlGaInP 

AlGaP 

GaAsP 

AlGaAs 

GaS 

AlGaN 

AlGaInN 

epoksydowych  stosowanych  jako  obudowa  diod).  Zawężanie  przerwy  energetycznej  skutkuje 

wzrostem  współczynnika  załamania  światła.  Dla  półprzewodników  są  to  wartości  od  kilku  do 

kilkunastu.  Powoduje  to  problemy  z  „wyprowadzeniem”  światła  z  warstwy  półprzewodnika, 

gdyż  większa  część  światła  ulega  całkowitemu  wewnętrznemu  odbiciu  na  granicy 

półprzewodnik-obudowa i skutkuje znacznym obniżeniem skuteczności świetlnej LED-a. Z praw 

optyki  geometrycznej  wynika,  że  tylko  promieniowanie  emitowane  pod  niewielkimi  kątami  w 

stosunku  do  normalnej  do  powierzchni  warstwy  półprzewodnika  nie  zostanie  odbite. 

Zastosowanie  sferycznie  ukształtowanych  odbłyśników  pozwala  na  zwiększenie  natężenia 

emitowanego przez diodę światła, pociąga jednak za sobą ograniczenie kąta świecenia (dla wielu 

diod  elektroluminescencyjnych  kąt  ten  wynosi  jedynie  około  60°).  Oznacza  to  bardzo 

nierównomierny  rozkład  natężenia  światła  na  oświetlanych  powierzchniach.  Stosowanie 

„mlecznych”  obudów  jedynie  częściowo  rozwiązuje  wspomniany  problem.  W  przypadku  diod, 

w których obudowa jest jednocześnie barwnym filtrem, problem ten ma niebagatelne znaczenie, 

gdyż  oprócz  niejednorodnego  rozkładu  strumienia  świetlnego  w  przestrzeni  można  oczekiwać 

również różnic w charakterystyce spektralnej promieni emitowanych pod różnymi kątami.    

2.5. Zastosowania LED-ów. 

Jak  wspomniano  we  wstępie  w  niedalekiej  przyszłości  LED-y  mogą  praktycznie 

całkowicie wyprzeć z rynku dotychczas używane źródła światła. Bez wątpienia to efekt licznych 

zalet  tych  źródeł  światła,  do  których  zaliczyć  należy  przede  wszystkim:  wysokie  wartości 

luminacji, dużą sprawność (niezależną od kształtu i rozmiaru diody), przekładającą się na mały 

pobór  mocy  oraz  niskie  napięcie  zasilania,  a  co  za  tym  idzie  wysoki  poziom  bezpieczeństwa 

użytkowników, małe rozmiary, dużą trwałość i żywotność oraz niską emisję ciepła. Wspomniane 

cechy  istotne  są  praktycznie  z  punktu  widzenia  każdej  aplikacji  LED-ów.  Warto  wymienić  tu 

jednak jeszcze inne istotne cechy, dzięki którym LED-y stanowią alternatywę dla tradycyjnych 

rozwiązań.  

Możliwość  emisji  światła  o  konkretnej  długości  fali  bez  konieczności  użycia  filtrów 

optycznych  oraz  ich  bardzo  wysoka  odporność  na  czynniki  zewnętrzne  powodują,  że  diody 

elektroluminescencyjne  coraz  częściej  znajdują  zastosowanie  jako  światła  sygnalizacyjne 

(sygnalizacja uliczna, lampy samochodów, samolotów i okrętów) oraz światła sceniczne. W tym 

drugim  przypadku  wykorzystuje  się  również  łatwe  sterowaniem  natężeniem  światła  (poprzez 

regulację prądu diody). Wymienione powyżej cechy, krótkie czasy włączenia/wyłączenia (rzędu 

mikrosekund),  fakt,  że  częste  włączanie  i  wyłączanie  diod  nie  skraca  ich  żywotności,  małe 

rozmiary, oraz możliwość emisji różnych barw (diody wielozłączowe) powodują, że  LED-y na 

szeroką  skalę  wykorzystuje  się  w  produkcji  paneli  informacyjnych,  tablic  ogłoszeniowych, 

ekranów  i  wyświetlaczy.  LED-y  wykorzystuje  się  również  w  produkcji  latarek,  wskaźników 

ś

wietlnych,  zabawek,  i  różnego  typu  „gadżetów”.  Coraz  większe  moce  świetlne  uzyskiwane  z 

LED-ów  oraz  wąskie  zakresy  widmowe  powodują,  że  LED-y  zaczęto  traktować,  jako 

potencjalną  alternatywę  dla laserów małej mocy  (tzw. lasery półprzewodnikowe stosowane np. 

w czytnikach DVD).     

Małe moce świetlne uzyskiwane z diod elektroluminescencyjnych przez lata ograniczały 

ich  zastosowanie  w  oświetlaniu  pomieszczeń  i  wykorzystywane  były  głównie,  jako  elementy 

sygnalizacyjne w elektrotechnice i elektronice (nadal jest to ważna aplikacja LED-ów). Obecnie 

uzyskiwane moce powodują, że LED-y coraz śmielej wypierają żarówki i świetlówki można je 

nabyć zazwyczaj w postaci kompaktowego elementu zawierającego od kilku do kilkudziesięciu 

diod. Biorąc pod uwagę prawo Haitz’a należy oczekiwać dalszego rozwoju tego typu urządzeń. 

Prawo 

to 

głosi, 

ż

e 

maksymalny 

strumień 

ś

wietlny 

generowany 

przez 

diodę 

elektroluminescencyjną  rośnie  dwudziestokrotnie  w  ciągu  dekady,  przy  jednoczesnym 

dziesięciokrotnym  spadku kosztów jednego wyemitowanego lumena – patrz rysunek 12.  

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Warto  wspomnieć  również  o  LED-ach  emitujących  światło  podczerwone  powszechnie 

stosowanych  w  fotokomórkach,  łączach  światłowodowych,  urządzeniach  zdalnego  sterowania,  

czy czytnikach kodów kreskowych.    

Mimo  ogromnego  postępu  technologicznego  zarówno  w  zakresie  materiałów 

półprzewodnikowych,  jak  i  ich  przetwarzania,  który  miał  miejsce  w  ostatnich  latach,  nadal 

Rys. 12. Graficzna ilustracja prawa Haitz’a. 

Nature Photonics 1, 23 (2007) doi:10.1038/nphoton.2006.78s 

poszukiwane  są  nowe  układy  pozwalające  obniżyć  koszty  produkcji,  zwiększyć  znacząco 

wydajność,  lub  emitowaną  moc  świetlną.  Innym  kierunkiem  rozwoju,  do  którego  przywiązuje 

się dużą wagę jest rozwój urządzeń pracujących w oparciu o materiały organiczne (tzw. OLED – 

organic  light  emitting  diods)  w  tym  również  polimery.  Produkowane  są  prototypy  takich 

urządzeń  (również  w  Katedrze  Fizyki  Molekularnej  PŁ),  jednak  obecnie  koszt  organicznych 

półprzewodników, jak i specyficzna technologia ich przetwarzania nie pozwala im konkurować 

na rynku z klasycznymi diodami produkowanymi ze związków nieorganicznych. Należy również 

podkreślić  niskie  wydajności  OLED-ów.  Jednak  możliwość  tworzenia  w  pełni  elastycznych 

ź

ródeł światła (również innych elementów elektronicznych) w postaci  świecących włókien, lub 

folii powinna wkrótce wytyczyć nowe kierunki rozwoju całej optoelektroniki.   

Na  koniec  warto  wspomnieć  o  wadach  diod  elektroluminescencyjnych.  Do 

najważniejszych należy zaliczyć znaczną czułość LED-ów na temperaturę zewnętrzną i napięcie 

zasilania,  które  musi  przekroczyć  wartość  napięcia  progowego.  Należy  zaznaczyć  również,  że 

wzrost  prądu  diody  powoduje  jednocześnie  spadek  wydajności  świetlnej,  co  podnosi  koszty 

eksploatacji  LED-ów  dużej  mocy.  Z  punktu  widzenia  ekonomii  istotną  wadą  LED-ów  jest 

również  konieczność  zasilania  ich  prądem  stałym.  Podnosi  to  koszty  instalacji  oraz  obniża 

sprawność  energetyczną  (dodatkowe  układy  prostownicze  i  transformatory)  całego  systemu. 

Powoduje  to,  że  cena  jednego  lumena  światła  uzyskanego  z  LED-a  nadal  jest  wyższa  niż  w 

przypadku  żarówek,  czy  świetlówek.  Przełomem  mogą  okazać  się  dwuzłączowe  diody 

elektroluminescencyjne  zasilane  prądem  przemiennym  opracowane  przez  firmę  Seoul 

Semiconductor.  Gdy  wartości  prądu  przyjmują  umownie  wartości  dodatnie,  wówczas  „świeci” 

część  diody  (złącze  spolaryzowane  w  kierunku  przewodnictwa),  podczas  gdy  pozostała  część 

(spolaryzowana  zaporowo)  nie  emituje  światła.  Zmiana  kierunku  przepływu  prądu  powoduje 

zmianę polaryzacji złącz, a tym samym zmianę obszaru diody, z którego następuje emisja. 

Istotną  wadą  białych  LED-ów  jest  ich  charakterystyka  widmowa,  znacznie  odbiegająca 

od  widma  słońca.  Powoduje  to,  że  LED-y  mogą  mieć  negatywny  wpływ  na  wzrok,  choć  z 

drugiej  strony  ograniczenie  emisji  promieniowania  UV  i  IR  w  porównaniu  z  żarówkami,  czy 

ś

wietlówkami stanowi ich zaletę.  

 
 
 

 

 

 

 

 

 

3. Stanowisko pomiarowe: 

Pomiary  przewidziane  w  punktach  4.1  wykonane  zostaną  na  spektrofluorymetrze 

Fluorolog  11  (Jobin-Yvon)  wyposażonym  w  specjalnie  skonstruowaną  przystawkę  zawierającą 

zestaw diod przewidzianych do badania. Zestaw ten składa się z diody białej, 5 diod barwnych 

bez  filtrów  optycznych  (niebieskiej,  zielonej,  żółtej,  pomarańczowej  i  czerwonej)  oraz  5  diod 

barwnych  z  filtrami  optycznymi  (niebieskiej,  zielonej,  żółtej,  pomarańczowej  i  czerwonej). 

Włączanie  poszczególnych  diod  odbywa  się  za  pomocą  układu  zasilająco-sterującego, 

przedstawionego  na  rysunku  13.  Omawiany  układ  służy  również  do  realizacji  celów 

postawionych w punkcie 4.2. 

 

a) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b) 

 

 

Rys. 13. Widok układu zasilająco-sterującego: a) z góry; b) z przodu. 

 

 

Dodatkowym  wyposażeniem  stanowiska  jest  przesłona  szczeliny  wejściowej  światła  do 

komory  pomiarowej  spektrofluorymetru,  matówka  wyposażona  w  „celownik”,  zestaw  śrubek 

oraz śrubokręt. 

Pomiary absorpcji filtrów barwnych użytych do produkcji LED-ów wykonane zostaną na 

spektrometrze  absorpcyjnym  Cary  5000  (Varian).  Filtry  należy  kolejno  osadzać  w  specjalnie 

przygotowanym uchwycie.  

 

 

P2 

P1 

Przełącznik:P1  -  wybów  zestawu  diod 
przeznaczonych 

do 

oceny 

wizualnej 

umieszonych 

na 

pokrywie 

urządzenia 

kontrolno-sterującego 

lub 

identycznego 

zestawu LED-ów umieszonego w przystawce 
do pomiarów spektrofluorymetrycznych. 
 
Zestaw  do  oceny  wizualnej  (patrz  punkt 
4.2). Diody włączane są rzędami za pomocą 
przełącznika  P4.  Możliwe  jest  również 
włączenie  wszystkich  diod  (skrajna  prawa 
pozycja) 
  
Zestaw  do  pomiarów  fotometrycznych 
(mierzone 

diody 

umieszczone 

są 

w 

odpowiedniej  przystawce  do  spektroflury-
metru).  Przełącznik  P2  pozwala  wybrać 
pomiędzy  zestawem  diod  bez  filtra  (plus 
dioda  biała)  lub  zestawem  diod  z  filtrem 
barwnym. 

Wybór 

sygnalizowany 

jest 

odpowiednio 

zapaleniem 

się 

diod 

kontrolnych  DBF  lub  DF.  Przełącznik  P4 
umożliwia wybór diody o barwie wskazanej 
przez  małe  diody  kontrolne  D1-D6,  które 
informują o dokonanym wyborze. 
 

P3 

P4 

DBF 

DF 

D1 

D2 

D4 

D3 

D6 

D5 

4. Wykonanie pomiarów: 

 

4.1. Wyznaczenie charakterystyk widmowych diod elektroluminescencyjnych. 

a.  pod  nadzorem  prowadzącego  pracownię  włącz  spektrofluorymetr  według  instrukcji 

umieszczonej na obudowie urządzenia oraz uruchom program sterujący spektroflurymetrem. 

b.  po  zakończeniu  procesu  inicjalizacji,  pod  nadzorem  prowadzącego  umieść  w  komorze 

pomiarowej  przełonę  szczeliny  wejściowej  oraz  matówkę  wyposażoną  w  „celownik” 

umożliwiającą właściwe pozycjonowanie diod.  

c.  umieść  w  komorze  pomiarowej  przystawkę  z  diodami  w  taki  sposób,  aby  blokada  pozycji 

znajdowała się po twojej prawej stronie.  

d.  podłącz  przystawkę  z  gniazdem  przejściowym  znajdującm  się  na  ścianie  komory 

spektroflurymetru. 

e. włącz układ sterująco-kontrolny do sieci. 

f. przełącznik P1 ustaw w pozycji „w lewo”, przełącznik P2 ustaw w pozycji „w lewo” (powinna 

zapalić się dioda kontrolna DBF (dioda z przeźroczystą obudową). 

g. przełącznik P3 ustaw w pozycji D6 (powinna zapalić się biała dioda kontrolna D6.  

h.  odciągnij  blokadę  pozycji  na  przystawce  z  zestawem  diod  i  obróć  go  za  pomocą  górnego 

uchwytu  w  taki  sposób,  aby  światło  z  włączonej  diody  padało  centralnie  na  matówkę  (rozkład 

ś

wiatła wokół pionowej linii powinien być symetryczny). 

i. przykryj komorę pomiarową spektrofluorymetru. 

j. pod nadzorem prowadzącego wprowadź wskazane przez niego parametry pomiaru (zanotuj je). 

k. powtarzając odpowiednio kroki opisane w punktach g-j przeprowadź pomiary dla pozostałych 

LED-ów  bez  filtrów  optycznych.  UWAGA  prądy  sterujące  strumienień  świetlnym  diod  są  tak 

dobrane, aby maksymalne intensywności emisji diod były zbliżone i wynosiły około 1 000 000 

zliczeń na sekundę (cps) . 

l.  przełącz  przełącznik  P2  w  pozycję  w  prawo  (powinna  zapalić  dioda  kontrolna  DF  –  z 

pomarańczową obudową). 

m. zgodnie z procedurą opisaną w punktach g-j zarejestruj charakterystyki widmowe dla diod z 

filtrami optycznymi.  

m. pozakończeniu pomiarów przełącz przełącznik P1 ustaw w pozycję „w pwawo” . 

n.  wyłącz  spektroflurymetr  zgodnie  z  instrukcją  zamieszoną  na  obudowie  urządzenia  i  usuń 

wszytkie montowane elementy z komory pomiarowej. 

 

 

4.2. Ocena efektu wizualnego wywołanego przez diody emitujące światło o tym samym 

natężeniu promieniowania. 

 

a.  przełącznik  P4  ustaw  w  skrajnej  prawej  pozycji  (powinny  zapalić  się  wszystkie  diody 

umieszczne po prawej stronie na górnej płycie urządzenia kontrolno-sterującego).  

b.  przyjrzyj się uważnie wszystkim diodom oceń wstępnie ich barwę i jasność. Zanotuj uwagi. 

c.  przełącznik P4 przekręć o jedną pozycję w lewo. powinny zapalić się trzy diody – w dolnym 

rzędzie. Oceń ich barwę i jasność. Zanotuj uwagi dotyczące swoich obserwacji. Patrz na diody 

pod różnymi kątami. Oceń emisję światła dla różnych kątów obserwacji. Zanotuj uwagi. 

d.  analogicznie  jak  w  punkcie  c  postępuj  z  dwoma  kolejnymi  zestawami  diod  wybierając  je 

przełącznikiem P4. 

e.  po zakończonych pomiarach wyłącz urządzenie kontrolno-pomiarowe z sieci. 

 

UWAGA prądy sterujące strumienień świetlnym diod są dobrane identycznie, jak w przypadku 

diod badanych w spektrofluorymetrze. 

  

4.3. Pomiar absorbancji filtrów użytych do produkcji badanych LED-ów. 

UWAGA: Wszystkie czynności prowadzić tylko i wyłącznie pod nadzorem prowadzącego  

a. włącz spektrometr absorpcyjny, a następnie komputer nim sterujący. 

b. włącz program sterujący spektrometrem. 

c. w komorze pomiarowej umieść jeden z badanych filtrów barwnych w secjalnym uchwycie. 

d. włącz pomiar wprowadzając parametry zgodnie ze wskazówkami prowadzącego ćwiczenie. 

e. przeprowadź pomiary dla pozostałych filtrów. 

 

5. Analiza wyników 

a. zestaw na jednym rysunku widma emisyjne diody białej oraz diod niebieskich, a także widmo 

absorpcyjne  filtru  niebieskiego.  Porównaj  uzyskane  wyniki  z  obserwacjami  przeprowadzonymi 

w  punkcie  4.2.c  W  razie  konieczności  przeskaluj  widmo  absorpcyjne,  tak  by  było  dobrze 

widoczne na rysunku. 

b.  zestaw  na  jednym  rysunku  widma  emisyjne  diod  żółtych  i  zielonych,  a  także  widma 

absorpcyjne  filtrów  żółtego  i  zielonego.  Porównaj  uzyskane  wyniki  z  obserwacjami 

przeprowadzonymi w punkcie 4.2.d. W razie konieczności przeskaluj widma absorpcyjne, tak by 

były dobrze widoczne na rysunku. 

c.  zestaw  na  jednym  rysunku  widma  emisyjne  diod  czerwonych  i  pomarańczowych,  a  także 

widmo  absorpcyjne  filtrów  pomarańczowego  i  czerwonego.  Porównaj  uzyskane  wyniki  z 

obserwacjami  przeprowadzonymi  w  punkcie  4.2.d.  W  razie  konieczności  przeskaluj  widma 

absorpcyjne, tak by były dobrze widoczne na rysunku. 

 

6. Przygotowanie sprawozdania. 

Sprawozdanie powinno zawierać obserwacje sporządzone w punkcie 4.2. Rysunki sporządzone 

zgodnie z punktami 5a, 5b i 5c oraz samodzielnie sformułowane wnioski.