LED
Dioda luminiscențială sau dioda luminiscentă (denumiri alternative: diodă electro-luminiscențială, LED, rar diodă incandescentă, diodă luminiscentă, diodă emițătoare de lumină, popular ledka, engleză light-emitting diode) este un component electronic semiconductor care emite lumină monocromatică în timp ce curentul electric trece prin ea în direcția directă. Fenomenul luminiscent este rezultatul recombinației incandescente a perechilor electron-gol și este o formă de electro-luminiscență. Culoarea luminii emise depinde atât de structura joncțiunii PN, cât și de materialul utilizat.
Crearea LED-urilor și a diodelor laser a devenit posibilă datorită cercetării structurilor hetero-semiconductoare, la care a lucrat cercetătorul rus Zhores Ivanovich Alferov. Prima LED practic utilă a fost dezvoltată în anul 1962 de cercetătorul american Nick Holonyak.
Cele mai ieftine sunt diodele infraroșii, urmate de cele roșii. Dioda verde este cu aproximativ 20 % mai scumpă decât cea roșie. Dioda albastră este, conform producătorului, de mai multe ori mai scumpă decât cea roșie, însă prețul ei scade rapid în ultimul timp.
O categorie constructivă distinctă sunt OLED (LED organice).
Tipuri de LED
Ultraviolet (UV) LED
LED-urile, ale căror diagrame de emisie au vârful sub 420 nm, se numesc UV LED. Tehnologiile de producție (patente libere pentru piață și din motive de siguranță) nu permit fabricarea UV LED cu o putere mai mare de 10 mW. În magazine se pot obține cel mai frecvent UV LED cu lungimi de undă între 380 – 420 nm și 320 – 370 nm.
Infraroșu (IR) LED
Diagrama de emisie a acestor LED are vârful puterii peste 680 nm. Deoarece ochiul uman (pupila nu este capabilă să transmite radiații cu lungime de undă peste 1 400 nm) și, de fapt, întreaga fiziologie umană este imună la radiația IR, este posibil să se obțină IR LED cu puteri mult peste 10 mW. În mod obișnuit se vinde IR LED cu lungimi de undă între 680 – 750 nm și 870 – 950 nm, care sunt potrivite ca surse de radiație IR pentru comenzi la distanță. Lumina acestor diode nu poate fi observată cu ochiul liber, dar poate fi văzută de exemplu prin intermediul unui aparat fotografic digital, care este sensibil la lumina IR.
Fiecare LED fabricată doar dintr-un tip de semiconductor are o lungime de undă caracteristică, pe care emite lumină (determinată în principal de lățimea benzii interzise a semiconductorului). Această lungime de undă poate fi „reglată” prin utilizarea tipului de semiconductor (adică raportul conținutului elementelor individuale – componentelor – ale semiconductorului) și, în unele tipuri de semiconductor (GaN), chiar prin modificarea conținutului elementului de dozare. Astfel, se poate fabrica LED cu același substrat într-un spectru larg de lungimi de undă. Practic, se poate fabrica LED care emite lumină cu lungimi de undă între 250 și 3 500 nm. LED cu un singur vârf de putere se numește LED monocromatic. Curba spectrală a luminii emise are, în acest caz, forma unei curbe Gauss, care nu este mai largă decât +/-25 nm. LED monocromatice emit cel puțin 90 % din întreaga putere luminiscentă într-un interval maxim de +/-10 nm. În realitate, LED-urile nu au un diagram spectral ideal și, la unele tipuri, apar și maxime secundare pe alte lungimi de undă. Totuși, aceste maxime secundare reprezintă mai puțin de 1 % din puterea totală.
Există două metode de bază pentru producerea luminii albe de mare intensitate folosind LED. Una utilizează LED-uri separate, care emit culorile de bază – roșu, verde, albastru – și prin amestecarea acestora se obține lumina albă. A doua metodă folosește un material fosforic care transformă lumina monocromatică a LED-urilor albastre sau ultraviole într-un spectru larg de lumină albă.
LED RGB
Prima metodă este compusă din trei LED-uri monocromatice, care emit radiații în culorile roșu, verde, albastru. Acest tip de LED se numește LED RGB (din inițialele englezești pentru roșu, verde, albastru). Excepția lor este capacitatea de a regla puterea fiecărei componente (fiecare LED monocromatic), astfel încât să se obțină nu doar lumina albă, ci și întreg spectrul de culori, în intervalul componentelor extreme ale LED-urilor RGB.
LED fluorescente
Al doilea tip de LED alb este bazat pe schimbarea lungimii de undă a radiației emise de LED monocromatică clasică într-un spectru larg și continuu, a cărui energie este distribuită aproape egal pe întreg spectrul. Schimbarea lungimii de undă se realizează în stratul de luminofor (material fluorescent). Ca sursă de excitație monocromatică se folosește o LED albă de mare strălucire. Utilizarea acesteia aduce însă și o mică deficiență a acestor LED-uri. Lungimea de undă a LED-ului de excitație se manifestă ca un maxim primar al diagramei spectrale de emisie, dar energia emisă nu scade până la zero (spre culoarea roșie), ci după o ușoară scădere, atinge un maxim secundar (mai jos și mai larg) undeva în jurul a 560 nm (culoarea portocalie), ceea ce este determinat de spectrul de emisie al luminoforului utilizat. Abia după acest maxim secundar scade treptat până la zero, pe care îl atinge în general doar la limita radiației VIS/IR. Din acest motiv, lumina albă emisă are un nuanț de albastru până la verde. Cu cât LED-ul alb este mai bun, cu atât acest nuanț este mai puțin observabil.
LED-uri puternice și de mare strălucire. Baza servește și ca radiator pentru cip.
Un LED obișnuit are o putere luminiscentă mult sub 5 mW. Acest lucru se datorează faptului că perechile electron-gol din joncțiunea PN în semiconductorul omogen, la creșterea curentului, tind să se recombine ne-luminiscent (adică energia lor se transformă în căldură), iar joncțiunea se încălzește. Astfel, densitatea de curent este limitată în joncțiune, iar deoarece semiconductoarele din care se fabrică LED-urile au o densitate ridicată de defecțiuni, din motive de randament și fiabilitate, este limitată și suprafața maximă posibilă a cipului la câțiva mm², ceea ce limitează și curentul total prin cip. Din punct de vedere electric, această limitare este determinată de rezistența electrică în serie și de panta caracteristicii V-A în starea deschisă. Dacă dorim ca LED-ul să emită mai multă lumină, trebuie să creștem tensiunea de alimentare, ceea ce duce la creșterea și a curentului care traversează LED-ul. După depășirea valorii critice a curentului, are loc degradarea joncțiunii PN și chiar topirea ei ca urmare a temperaturii ridicate (peste 1 000 °C). Din acest motiv, pentru a crește puterea LED-urilor, s-au dezvoltat tehnologii care le poartă departe de limita de 5 mW de putere emisă. Pentru obținerea unor puteri mai mari se folosesc semiconductoare cu o pantă mai mică a caracteristicii V-A și cu o joncțiune PN mai mare sau prin paralelizarea joncțiunilor PN agregate (stratificate) pe același cip. În plus, se construiesc LED-uri cu mai multe joncțiuni PN, care, deși necesită o tensiune de alimentare mai mare, cresc puterea rezultantă. Schimbarea esențială este însă utilizarea unei joncțiuni hetero (adică straturile P și N sunt din semiconductori diferiți), la care se poate obține o eficiență mai mare de injecție, ceea ce duce la o mai mare recombinație luminiscentă decât ne-luminiscentă chiar și la curenți mari. Astăzi se pot obține LED-uri cu o putere de peste 1 W. LED-urile care ating o strălucire de peste 100 mCd se numesc LED-uri de mare strălucire (ultrabright) LED.
Diodă laser
Diodă laser în carcasă
Chipul diodei laser (poziționat pentru comparație pe vârful unui ac)
LED-urile laser nu sunt complet laser. Deși lumina lor se bazează pe emisie stimulată, nu pot fi considerate ca un laser real, ci doar ca o sursă de lumină laser. Din definiția luminii laser rezultă clar că LED-urile laser au cerințe mai mari în ceea ce privește parametrii decât LED-urile clasice. În primul rând, LED-urile laser au o lățime mai îngustă a benzii în care emit (max. +/-5 nm). Direcționalitatea și divergența luminii emise de LED sau de LED-ul laser brut (fără rezonator sau cu rezonator deteriorat) este aproximativ aceeași (dar în cazul LED-urilor laser este concentrată într-un singur plan, în funcție de modul în care sunt aranjate joncțiunile stratificate ale LED-urilor laser). Dioda laser se fabrică în două aranjamente: emițătoare de la margine (edge emitting), la care rezonatorul este format de refracția naturală a marginii cipului; și emițătoare de la suprafață (VCSEL – vertical cavity surface emitting laser), unde rezonatorul este format de straturi alternate de semiconductori de compoziție diferită, formând un reflector Bragg deasupra și sub zona luminiscentă (adică joncțiunea PN). Uneori, LED-urile laser sunt introduse în rezonatoare externe. Problema fundamentală a diodelor laser este răcirea și stabilizarea puterii (care, la fel ca la LED-uri, depinde puternic de temperatură).
Ambel grupuri – LED-urile luminoase și cele laser – se fabrică din aliaje intermetalice (compuși semiconductori), în special din carbura de siliciu (SiC), arsenura de galium (GaAs), fosfura de galium (GaP), sau din aliaje de tip galium-arsenid-fosfat (GaAsP) și altele.