Image57 (8)

To warto wiedzieć

700 nm

Anoda

	Materiał
	typt p	Obszar
		aktywny

Katoda

Rys. 40

coraz większa energia

podczłfwtoń

500 nm

4001

związane są z innym materiałem - arsenkiem galu (GaAs).

Po wynalezieniu tranzystora, na początku lat 50., poszukiwano innych półprzewodników niż german i krzem. Okazało się, że interesujące właściwości mają związki arsenu (As), galu (Ga), indu (In), fosforu (P), glinu (Al) i antymonu (Sb) - pierwiastków z grup III ... V tablicy Mcndelejewa. W połowie lat 50. XX wieku opanowano produkcję monokryształów arsenku galu, a na wypolerowanej powierzchni kryształu GaAs potrafiono wykonać złącza p-n. Okazało się, że arsenek i fosforek galu jako półprzewodniki wykazują bardzo dużą ruchliwość elektronów, dzięki czemu obecnie są stosowane przy bardzo dużych częstotliwościach, rzędu gigaherców. Tranzystory z arsenku galu, wzmacniające sygnały o częstotliwościach rzędu kilkunastu gigaherców (a nawet większych), pozwoliły na szybki rozwój techniki mikrofalowej, gdzie wcześniej królowały specjalizowane lampy elektronowe (klistrony, magnetrony, ...). Wychodzi na to, iż diody LED to odmienne, wydawałoby się - proste i uboczne wykorzystanie omawianych interesujących półprzewodników, które oprócz dużej ruchliwości elektronów, mają też niecodzienne właściwości optyczne.

Prace nad diodami i innymi strukturami na podłożu GaAs były prowadzone w kilku amerykańskich firmach i laboratoriach, w tym przez GE, RCA, HP, Bell Labs, Monsanto, IBM i MIT. Badano też fosforek galu (GaP).

Pierwsze doniesienia o diodach świecących, a nawet laserach, pojawiły się na samym początku lat 60., przy czym po części chodziło o elementy pracujące w temperaturach poniżej 100K. Choć interesujące wyniki uzyskano w kilku laboratoriach, najczęściej wymienia się nazwisko Nicka Holonyaka jr, który pracując dla General Electric (GE), w roku 1962 zademonstrował podczerwoną diodę LED. która w temperaturze ciekłego azotu (77IC, czyli -195°C) pracowała jako laser. Według niektórych doniesień, już w roku 1962 można było kupić diody LED były to jednak laboratoryjne próbki, wytwarzające niewidzialne promieniowanie podczerwone (870nm) i kosztowały 130 dolarów za sztukę. W pierwszej połowie lat 60 w ofercie GE (General Electric Corporation) pojawiły się też czerwone diody LED, jednak ich jasność była bardzo mała, a cena wynosiła 260 dolarów za sztukę. Dopiero w roku 1968 firma Monsanto uruchomiła nową fabrykę do masowej produkcji względnie

tanich diod LED (czerwonych - 655nm). Fotografia 41 pokazuje wczesne diody LED w metalowych obudowach.

Diody LED zaczęto stosować w sprzęcie elektronicznym jako wskaźniki zamiast lampek neonowych (najpierw w komputerze IBM 360) Nieformalna współpraca Monsanto z HP (Hewlett-Packard Corporation) zakończyła się usamodzielnieniem się HP. Co bardzo istotne dla tematu artykułu, firma Hewlett-Packard już pod koniec lat 60. zaczęła wytwarzać wyświetlacze LED, a pierwszy przyrząd pomiarowy z siedmiosegmentowymi wyświetlaczami LED wypuściła w roku 1971 właśnie firma HP. Wyświetlacze LED niebawem znalazły miejsce w kalkulatorach i zegarkach (1972) -fotografia 42 pokazuje wyświetlacz dawnego kalkulatora. Najpierw były to wyświetlacze siedmiosegmentowe, później segmentowe alfanumeryczne oraz matrycowe, umożliwiające wyświetlenie dowolnych napisów czy obrazów.

Dioda LED

Podstawowa zasada działania LED-ów jest bardzo prosta. Dioda LED to w zasadzie „zwykła’’ dioda półprzewodnikowa, zawierająca złącze p-n - patrz rysunek 39. Mechanizm wytwarzania światła też jest w sumie łatwy do zrozumienia. Kwant promieniowania -foton, jest wytwarzany, gdy elektron oddaje część swojej energii. W półprzewodnikowych diodach LED następuje to, gdy elektron przechodzi przez złącze p-n. Swobodne elektrony z jednej strony złącza, w obszarze typu n, mają wyższą energię. Natomiast w obszarze typu p nie tylko istniejące tam elektrony mają niższą energię, ale też w atomowej siatce krystalicznej brakuje niektórych elektronów, co nazywane jest dziurami.

Elektron o wyższej energii, „spadając” w taką dziurę, oddaje

część swojej energii właśnie w postaci fotonu - kwantu światła. Aby to zobrazować, mówi się o dozwolonych i zabronionych poziomach (pasmach) energetycznych, a budowę diody, w tym diody świecącej, wyjaśnia się w sposób pokazany na rysunku 40a. Kolor uzyskiwanego światła zależy od różnicy energii, czyli szerokości przerwy energetycznej, Czym większą porcję energii traci elektron „spadaj ący*’ w dziurę, tym bardziej kolor światła przesuwa się od podczerwieni i czerwieni do fioletu i ultrafioletu - patrz rysunek 40b. Swobodne elektrony, będące nośnikami ładunku, mają w poszczególnych pierwiastkach i zw iązkach ściśle określoną energię. Przez odpowiedni dobór półprzewodników typu p i n można uzyskać potrzebny kolor świecenia. Obecnie dostępne są nie tylko diody LED wytwarzające światło widzialne. Niektóre emitują promieniowanie podczerwone, inne ultrafioletowe. Warto zauważyć, że czym większa szerokość przerwy energetycznej i krótsza fala świetlna, tym większe napięcie pracy diody LED. W praktyce diody podczerwone 1RED mają napięcie przewodzenia około 1,2V, diody czerwone 1,6... 2V. żółte i zielone 2... 2,3 V, a niebieskie - około 3V.Tu dociekliwym Czytelnikom można wspomnieć, że najzwyczajniejsze diody prostownicze też w zasadzie świecą. Ale generalnie jest to promieniowanie cieplne, będące przecież rodzajem podczerwieni.

Hi

Rys. 39

600 nn

V/WuvW

coraz mniejsza długoSĆ fali

Elektronika dla Wszystkich Styczeń 2006 67