LED
Luminiscenční dioda nebo světelná dioda (jiné názvy: elektroluminiscenční dioda, LED, zřídka svítivá dioda, žiarivá dioda, dioda emitující světlo, lidově ledka, angl. light-emitting diode) je polovodičová elektronická součástka, která vyzařuje úzkospektrální světlo, když jí prochází elektrický proud v přepájecím směru. Svítící jev vzniká následkem žiarivé rekombinace elektronovo-dierového páru a je formou elektroluminiscence. Barva vyzařovaného světla závisí od štruktúry PN přechodu i od použitého materiálu.
Vytvoření LED a laserových diod se stalo možné díky výzkumu polovodičových heteroštruktúr, na kterém pracoval ruský vědec Žores Ivanovič Alfiorov. První prakticky použitelnou LED vyvinul v roce 1962 americký vědec Nick Holonyak.
Najlevnější se vyrábějí infračervené diody, po nich nejlevnější svítivé jsou červené. Zelené jsou o přibližně o 20 % dražší než červené. Modré jsou podle výrobce i několikanásobně dražší než červené, ale jejich cena v posledním čase prudce klesá.
Samostatnou konstrukční kategorií jsou OLED (Organické LED).
Druhy LED
Ultrafialové (UV) LED
LED, jejichž špička vyzařovacího diagramu leží pod 420 nm, se nazývají UV LED. Výrobní technologie (volné patenty pro trh a z bezpečnostních důvodů) nedovolují uvádět UV LED s výkonem nad 10 mW. V prodejněch je možné nejčastěji dostat UV LED se vlnovými délkami 380 – 420 nm a 320 – 370 nm.
Infračervené (IR) LED
Vyzařovací diagram těchto LED má výkonovou špičku nad 680 nm. Protože lidské oko (zrenička není schopná propustit záření se vlnovou délkou nad 1 400 nm) a v podstatě celá fyziologie člověka je na IR záření imunní, je možné zaobstarat IR LED s výkony i vysoko nad 10 mW. Běžně se prodávají IR LED se vlnovou délkou 680 – 750 nm a 870 – 950 nm, které jsou vhodné jako zdroje IR záření do dálkových ovládání. Světlo těchto diod se nedá pozorovat volným okem, ale dá se podívat např. přes digitální fotoaparát, který je na IR světlo citlivý.
Každá LED vyrobená jen z jednoho druhu polovodiče má svou charakteristickou vlnovou délku, na které emituje světlo (danou převážně šířkou zakázaného pásma polovodiče). Tuto vlnovou délku lze „nastavit“ pomocí použitého druhu polovodiče (t. j. poměrem obsahu jednotlivých prvků – složek – polovodiče) a u některých polovodičů (GaN) i změnou obsahu dotovacího prvku. Takto lze vyrobit LED se stejným substrátem v širokém spektru vlnových délek. Prakticky je možné vyrobit LED vyzařující světlo se vlnovými délkami od 250 do 3 500 nm. LED s jedinou výkonovou špičkou se nazývá monochromatická LED. Spektrální křivka vyzařovaného světla má v jejich případě tvar Gaussovy křivky, která není širší než +/-25 nm. Monochromatické LED vyzařují minimálně 90 % celého žiarivého výkonu v rozmezí maximálně +/-10 nm. Reálné LED však nemají úplně ideální spektrální diagram a u některých typů se projevují i sekundární maxima na jiných vlnových délkách. Ale tyto sekundární maxima nepředstavují ani 1 % z celkového výkonu.
Existují dva základní způsoby produkování vysoko intenzivního bílého světla s použitím LED. Jeden využívá samostatné LEDky, emitující základní barvy – červenou, zelenou, modrou – a jejich zmíšením vznikne bílé světlo. Druhý s použitím fosforového materiálu mění monochromatické světlo z modré nebo ultrafialové LED na širokospektrální bílé světlo.
RGB LED
První typ je poskládaný z tří monochromatických LED, které emitují záření v barvách červená, zelená, modrá. Takovýmto LED se říká RGB LED (z angl. skratek pro red, green, blue). Jejich výnimočností je možnost regulace výkonů jednotlivých složek (jednotlivých monochromatických LED) a tak dosáhnout nejen bílé světlo, ale i celé spektrum barev, v rozpětí okrajových složek RGB LED.
Fluorescenční LED
Druhý typ bílých LED je založen na změně vlnové délky emitovaného záření klasickou monochromatickou LED na širokopásmové spojité spektrum, jehož energie je rozložena přibližně stejně po celém spektru. Změna vlnové délky se dosahuje ve vrstvě luminoforu (fluorescenčního materiálu). Jako budič monochromatická LED je použita vysokosvítivá modrá LED. Její použití však přináší i malý neduh těchto LED. Vlnová délka budič LED se projeví jako primární maximum vyzařovacího spektrálního diagramu, ale vyzařovaná energie neklesá až na nulu (směrem k červené barvě), ale po mírném poklesu nabývá sekundární (nižší a širší) maximum někde v okolí 560 nm (oranžová barva), což je dáno vyzařovacím spektrem použitého luminoforu. Až následně po tomto sekundárním maximu pozvolna klesá k nule, kterou dosahuje většinou až za hranicí VIS/IR záření. Z toho vyplývá modrastý až zelenkavý nádech vyzařovaného bílého světla. Čím je bílá LED kvalitnější, tím je tento nádech méně patrný.
Výkonové vysokosvítivé LED. Základna slouží zároveň jako chladič čipu.
Běžná LED má žiarivý výkon hluboko pod 5 mW. Je to způsobeno tím, že vznikající elektronovo-dierové páry v PN přechodu v homogenním polovodiči při zvyšujícím se proudu mají tendenci rekombinovat nežiarivo (t. j. mění svou energii na teplo), a přechod se přehřívá. Tímto je omezena proudová hustota na přechodu, a protože polovodiče, z kterých se LED vyrábějí, mají poměrně velkou hustotu poruch, a tedy kvůli výťažnosti a spolehlivosti je omezena maximální možná plocha čipu na několik mm², je tím omezen i celkový proud čipem. Zvenčí to z elektrického hlediska vypadá tak, že limitující fyzikální vlastností je sériový odpor a strmá V-A charakteristika v otevřeném stavu. Pokud chceme LED přinutit emitovat více světla, musíme zvýšit napájecí napětí, čímž se zvýší i proud procházející LED. Po překonání kritické hodnoty proudu dochází ke degradaci PN přechodu a doslova k jeho roztavení v důsledku vysoké teploty (více než 1 000 °C). Proto kvůli zvýšení výkonu LED byly vypracovány technologie, které je posouvají daleko za hranice 5 mW vyzařovaného výkonu. K dosažení vyšších výkonů se používají polovodiče se menší strmostí V-A charakteristiky a s rozměrnějším PN přechodem nebo paralelizací PN přechodů agregovaných (vrstvené PN přechody) na tom samém čipu. Dále se konstruují multi-PN přechodové LED, které, i když na úkor zvýšení napájecího napětí, zvyšují výsledný výkon. Nejpodstatnější změnou je však použití tzv. heteropřechodu (t. j. P a N vrstvy jsou z různých polovodičů), při kterém je možné dosáhnout vyšší tzv. injekční účinnost, následkem čehož více elektronovo-dierových párov rekombinuje žiarivo než nežiarivo i při velkých proudech. Dnes možno získat LED s výkonem i více než 1 W. LED, které dosahují svítivost více než 100 mCd, se říká vysokosvítivé (ultrabright) LED.
Laserové diódy
Laserová dióda v puzdře
Samotný čip laserové diódy (položený pro porovnání na uchu jehly)
Laserové LED nejsou úplně laserové. I když jejich světlo vzniká na základě stimulované emise, nemůžeme je považovat za pravý laser, ale jen za zdroj laserového světla. Z definice laserového světla je zřejmé, že laserové LED mají vyšší nároky na parametry než klasické LED. Především mají laserové LED užší šířku pásma, ve kterém vyzařují (max. +/-5 nm). Směrovost a rozbiehavost vyzařovaného luku LED nebo surové laserové LED (bez rezonátoru nebo s poškozeným rezonátorem) je přibližně stejná (ale v případě laserové LED je soustředěná do jedné roviny, podle toho, jak jsou uspořádané vrstvené PN přechody laserové LED). Laserové diódy se vyrábějí ve dvou uspořádáních: vyzařující z hrany (edge emitting), při kterých rezonátor je tvořen přirozeným lomem okraje čipu; a vyzařující z povrchu (VCSEL – vertical cavity surface emitting laser), kde rezonátor je tvořen střídajícími se vrstvami polovodičů různého složení, tvořící Braggův reflektor pod a nad žiarivou oblastí (t. j. PN přechodem). Někdy se laserové LED vkládají do externích rezonátorů. Základním problémem laserových diod je chlazení a stabilizace výkonu (který podobně jako u LED závisí silně na teplotě).
Obe skupiny – světelné i laserové diódy se vyrábějí z intermetalických slitin (polovodičových sloučenin), a to spravidla z karbidu křemíku (SiC), arsenidu galia (GaAs), fosfidu galia (GaP), nebo ze slitin typu galium-arsenid-fosfid (GaAsP) a dalších.