Image58 (8)

i To warto wiedzieć

Takie promieniowanie nie jest jednak światłem o określonej długości fali, tylko bezużyteczną mieszaniną cieplnego promieniowania podczerwonego o różnych (znacznych) długościach fal. W diodach LED odpowiedni dobór materiałów pozwala, po pierwsze, wytworzyć w złączu promieniowanie o ściśle określonej długości fali (wyznaczonej wielkością przerwy energetycznej użytych półprzewodników'), a po drugie, co równic ważne - specyficzna konstrukcja diody umożliwia wypro-micniowanie na zewnątrz tego światła powstającego w złączu.

Niełatwym zadaniem konstruktorów jest nie tylko znaleźć półprzewodniki, zapewniające odpowiednią różnice energii i wynikający stąd kolor świecenia, ale też sposoby wytwarzania użytecznych struktur. Głównym problemem jest fakt, że większość półprzewodników jest nieprzezroczysta i wykonanie struktury w postaci klasycznej diody spowodowałoby, żc powstające światło byłoby uwięzione wewnątrz złącza i nigdy by go nie opuściło. Diody LED muszą mieć specyficzną budowę, żeby możli we było uwolnienie na zewnątrz jak największej ilości światła wytwarzanego w złączu.

Zaczęło się od GaAs

Należy pamiętać, żc wczesne diody i wyświetlacze świeciły na czerwono i zbudowane były z GaAsP na podłożu GaAs. Okazało się. żc zastosowanie fosforku galu (GaP) jako podłoża znacząco polepsza parametry i umożliwia uzyskanie światła pomarańczowego. Z czasem wynaleziono diody w^r innych kolorach: zielonym (1968) i żółtym. Obszary o przewodnictwie p i n uzyskiwano w różny sposób, między innymi przez domieszkowanie arsenku galu takimi pierwiastkami jak krzem (Si), cynk (Zn), glin (Al) czy fosfor (P). Dodatek fosforu dał potrójne związki oznaczane GaAsP. a dodatek glinu - AlGaAs.

Następnym bardzo ważnym krokiem było wprowadzenie w pierwszej połowie lat 80. superjasnych diod opartych na GaAlAs i GaAlAsP, o kilkakrotnie lepszych parametrach. Mniej więcej 10 lat później wprowadzono ultrajasnc diody AlInGaP (AlGalnP, InGa-AIP) o jeszcze większej sprawności. Obecnie sprawność najlepszych diod LED jest większa niż 60%. a wydajność świetlna jest rzędu 200lm/W. Żeby to osiągnąć, oprócz doboru materiałów czynnych wykorzystano różne inne sposoby, jak zastosowanie studni kwantowych (ąuantum wells), mikrozwierciadeł i przezroczystego podłoża. Szacuje się, że wydajność diod LED wzrośnie do 3Ó01m/W, a nawet nieco więcej, co jest bliskie teoretycznej granicy wynoszącej około 4001m/W.

Wykorzystuje się tu rozmaite sposoby, w tym rodzaj wbudowanych w strukturę mik-roluster odbijających światło w pożądanym kierunku. Rysunek 41 pokazuje w uproszczeniu budowę wewnętrzną półprzewodnikowej struktury diody InGaAlP. Rysunek 42, pochodzący z materiałów prasowych firmy Helia (www.heiia.com) obrazuje przekrój diody w obudowie SMD, a fotografia 43 pokazuje wnętrze typowych współczesnych diod LED z przezroczystą plastikową obudową, gdzie kryształ półprzewodnikowy zc strukturą LED zamontowany jest na jednym z metalowych doprowadzeń w specjalnie ukształtowanej wnęce pełniącej też rolę reflektora, a jedno z połączeń wykonane jest złotym drucikiem.

Diody niebieskie i pełnokolorowe RGB

Do połowy lat 90. dużym problemem całkowicie uniemożliwiającym rozwój kolorowych wyświetlaczy LED był brak dobrych diod niebieskich. uniemożliwiający wykorzystanie barw' RGB. Prace nad niebieskimi diodami prow adzono od dawna. Już w roku 1923 O. W. Lossev opisał niebiesko świecące kryształy SiC. W następnych dziesięcioleciach badano i tworzono diody (prostowniki) na bazie węglika krzemu, jednak nie zyskały on popularności, a obserwowane sporadycznie wytwarzanie niewielkich ilości światła traktowane było jako nieznaczący efekt uboczny o nieznanym pochodzeniu. Przyczyną zaniechania badań były trudności technologiczne związane z węglikiem krzemu (SiC). Z czasem opracowano proces technologiczny wytwarzania cienkich warstw SiC, co na przełomie lat 60./70. zaowocowało stworzeniem niebieskiej diody LED. Niebieskie diody LED na bazie SiC były produkowane do połowy lat 90., jednak był to ślepy zaułek, ponieważ diody te miały znikomą sprawność przetwarzania energii elektrycznej na światło, nieprzekraczającą 0,0.3%.

Pod koniec lat 60. podjęto prace nad diodami niebieskimi na bazie azotku galu (GaN). Pierwsze prototypy LED świecące na fioletowo i niebiesko wykonano w laboratoriach RCA już w pierwszych latach 70. Jednak próba uzyskania wyrobów nadających się do praktycznego wykorzystania zakończyła się wielką porażką znanych naukowców (Pankove, Maruska). Podobnie nic zakończyły się rynkowym sukcesem późniejsze, też oparte na GaN, dużo lepsze opracowania Japończyka Isamu Akasaki. Przełomu w zakresie niebieskich diod LED dokonał nieznany w środowisku Japończyk Shuji Naka-mura, prowadzący samotnic prace w niezajmu-jąccj się elektroniką niewielkiej firmie Nichia. W roku 1993 zaprezentował diodę niebieską o rewelacyjnej wówczas światłości ponad I kandeli. Do dziś Nichia jest jednym z głównych dostawców niebieskich diod LED. Fascynująca historia „niebieskich” półprzewodników oraz S. Nakamury była opisana w artykule Błękitna afera w FdW 4/2002 na str. 65.

Droga do kolorowego wyświetlacza

Choć idea i pierwsze próhy stworzenia kolorowych wyświetlaczy LED sięgają końca lat 60., dopiero w latach 90. dostępne były diody LED

Światło _f

warstwa aktywna zwierciadło Braęga

Rys. 41 Rys. 42

Fot. 43

w kolorach RGB o zadowalających parametrach. Z czasem radykalnie poprawiono sprawność przetwarzania energii elektrycznej na światło i obecnie najnowsze diody LED mają sprawność lepszą od klasycznych żarówek i porównywalną ze świetlówkami. W tym miejscu należy koniecznie dodać, że diody LED oprócz dobrej sprawności mają rewela-cyjną żywotność: 100 tysięcy do miliona godzin ciągłej pracy (a 1 rok. to mniej niż 8800 godzin) Współczesne diody I ED mają parametry techniczne wręcz idealnie predestynujące je do budowy kolorowych ekranów, w tym niskie napięcie zasilania, rzędu 2...3Y oraz bardzo dużą szybkość

Jedynym, ale za to kluczowym ograniczeniem jest cena. Wysoka cena wynika z faktu.

68 Styczeń 2006 Elektronika dla Wszystkich