Valgusdiood

Allikas: Vikipeedia

Valgusdiood on elektroonikas kasutatav pooljuhtdiood, mis kiirgab valgust. Valgusdioodi tähistamiseks kasutatakse ka lühivormi LED (inglise keelest Light-Emitting Diode 'valgust kiirgav diood').

Õige suurusega päripinge rakendamisel elektroodidele hakkab valgusdiood kiirgama kindla lainepikkusega valgust, mis sõltub kestast ja teistest koostiselementidest, mida diood sisaldab. Valgusdioodil on nagu tavalisel dioodilgi kaks kontakti – anood ja katood. Valgusdioodi joonistel on anood tähistatud "+" ja katood "-" sümboliga. Päripingestamisel rakendatakse LED-i anoodile positiivne ja katoodile negatiivne pinge. Vastupidisel juhul valgusdiood ei sütti. LED-i päripinge sõltub selle värvusest – pikema lainepikkusega LED-ide (punased) puhul on see suurusjärgus 2V, lühema lainepikkusega (sinised) on see ~3V.[1]

Tavaliselt on LED-ide võimsus mõnikümmend millivatti[1], millest tulenevalt peab ka vool samas suurusjärgus olema. Suurema pinge või voolu rakendamisel LED-ile võib selle lihtsalt läbi põletada.

Varasemad LED-id kiirgasid madala intensiivsusega punast valgust, kuid tänapäeva valgusdioodid on saadaval juba erinevates lainepikkustes, mis kiirgavad infrapunavalgusest ultraviolettvalguseni, omades sealjuures väga kõrget eredusastet.

Erinevad valgusdioodid

Valgusdioode kasutatakse indikaatoritena mitmesugustes elektroonikaseadmetes: televiisori- ja raadiojuhtpultides infrapunasaatjana ja mujal. Valgusdiood-pooljuhte kasutatakse veel näiteks uuemates valgusfoorides või elektrooniliselt juhitavates liiklusmärkides raudteejaamades, lennujaama terminalides ja infotabloodel. Suuremõõtmelised videoekraanid ja suur valik igasuguseid vahendeid valgustatud reklaamstentidel on samuti koht, kus leidub dioode. LED-e kasutatakse ka vähiravis ravimiaktiveerijana (valgusteraapia) ja kosmoselaevades taimelavade valgustitena.[2]

Tehnoloogia arenedes leiavad valgusdioodid järjest rohkem rakendust erinevates arvutiriistvara- ja meediaseadmetes (orgaanilistel valgusdioodidel põhinevad lameekraanid tava- ja taskuelektroonika seadmetes, välgud fotoaparaatides ja nutitelefonides).

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Avastused ja varasemad leiutised[muuda | redigeeri lähteteksti]

Saadud roheline elektroluminestsents otsekontaktist SiC kristalliga loob H. J. Round'i algupärase eksperimendi aastast 1907.

Elektroluminestsents kui nähtus avastati inglasest eksperimenteerija H. J. Round’i poolt aastal 1907 Marconi Laboratooriumis, kasutades ränikarbiid-kristalli ja ''cat’s-whisker'' kristallidetektorit.[3]

Venelane Oleg Vladimirovich Losev esitles esimese valgusdioodi loomist aastal 1927. Tema uurimustööd avaldati venekeelsetes, saksakeelsetes ja ingliskeelsetes teadusajakirjades, kuid siiski ei leidnud see avastus mitu järgnevat aastakümmet praktilist kasutust.[3]

Rubin Braunstein Ameerika Raadiokorporatsioonist esitles infrapunavalguse eraldumist galliumarseniidist (GaAs) ja teistest poojuhtsulamitest aastal 1955. Braunstein jälgis infrapunavalguse emissiooni, mis kutsuti esile lihtsate dioodstruktuuridega, kasutades galliumantimoniidi (GaSb), GaAs, indiumfosfiidi (InP), ja räni-germaaniumi (SiGe) sulameid toatemperatuuril ja temperatuuril 77K. Aastal 1961 leidsid Ameerika eksperimenteerijad Robert Biard ja Gary Pittman Texas Instruments-is töötades, et elektrilise pinge rakendamisel GaAs-ile kiirgas viimane infrapunast kiirgust ning patenteerisid niiviisi infrapuna valgusdioodi ehk infrapuna-LED-i.[3]

Esimene nähtava spektriga (punane) valgusdiood arendati välja Nick Holonyak Jr.'i poolt aastal 1962, kui ta töötas General Electric Company's. Holonyak'i peetakse "valgusdioodi isaks". M. George Craford, Holonyak'i õpilane, leiutas aastal 1972 esimese kollase LED-i ja parandas punase ja punase-oranži valgusdioodi eredusi kümnekordselt. Aastal 1976, lõi T.P. Pearsall esimesed väga eredad, kõrge kasuteguriga valgusdioodid fiiberoptilise telekommunikatsiooni tarbeks, leiutades sedasi uued pooljuhtmaterjalid, mis olid kohandatud täpselt sellistele lainepikkustele, mida kasutatakse ülekannetel fiiberoptikas.[3]

Kuni aastani 1968 olid nähtava ja infrapunavalgusdioodid väga kallid. Üks LED maksis pea 200 USD tükk, mille tõttu leidsid need praktikas vähe kasutust. Monsanto Company oli esimene ettevõte, kes alustas aastal 1968 valgusdioodide masstootmist, kasutades selleks galliumarseniidfosfiide (GaAsP), et toota indikaatoritele sobivaid punaseid LED-e. Samal aastal tutvustas valgusdioode ka ettevõte Hewlett-Packard (HP), algselt tarnis ta GaAsP varud ettevõttelt Monsanto Company. LED-tehnoloogia leidis suurt kasutust numbriekraanides ja HP võttiski selle kasutusele oma varasemalt välja arendatud käsikalkulaatoritesse. 1970ndad olid kaubanduslikult edukad, ettevõte Fairchild Optoelectronics tootis valgusdioodseadmeid alla viie sendi tükist. Nende seadmete pooljuhtkristallide ühenditest kiipide valmistamiseks rakendati planaartehnoloogiat. Vastava tootmistehnoloogia leiutas Dr. Jean Hoerni ettevõttes Fairchild Semiconductor. Kiibitootmise planaartöötluse ja innovatiivsete pakkemeetodite kombinatsioon lubas Fairchild'-i meeskonnal, mida juhtis valguselektroonika pioneer Thomas Brandt, saavutada vajaliku tootmiskulude vähenemise. Need meetodid on valgusdioodide tootjatel jätkuvalt kasutusel.[3]

Praktiline kasutus[muuda | redigeeri lähteteksti]

LED-i kui praktilist elektroonikakomponenti tutvustati aastal 1962.[4] Kõigepealt leidsid esimesed laiatarbe valgusdioodid kasutust kallimates masinates nagu laboratooriumite ja elektroonika testseadmetes asendamaks hõõg- ja neoonindikaatorlampe ning seejärel ka seitsme-segmendi kuvarites. Hiljem levinumates seadeldistes nagu televiisorid, raadiod, telefonid, kalkulaatorid ja isegi kellad. Digitaalsetes kellades kasutati LED-e juba kuuekümnendatest saati ja neid kasutatakse kellade valmistamisel siiani.[2] Punased LED-id olid parasjagu heledad ainult indikaatoritena kasutamiseks, sest väljakiiratav valgus ei suutnud valgustada ümberkaudset keskkonda. Aja möödudes kasvasid laiemalt kättesaadavamaks ka teised värvid, mis niisamuti leidsid kasutust erinevates seadmetes peamiselt indikaatoritena.[3] Materjalide ja tehnoloogia arenguga kasvas valgusdioodide valguse kiirgamise võime, samas hoides kasuteguri ja töökindluse vastuvõetaval tasemel. Kõrge võimsusega valge LED-i leiutamine ja areng viis valgusdioodide kasutuse valgustite valdkonda, tulles tõsiseks konkurendiks hõõg- ja luminofoorlampidele.[5] [6] Enamik LED-e valmistati väga tavapärases 5 mm ja 3 mm kestades, aga tõusva väljundvõimsusega on kasvanud vajadus üleliigse kuumuse hajutamiseks, et säilitada töökindlus, selle tõttu on muutunud kestad konstruktsioonilt üha keerukamateks. [7] Kõrge võimsusega valgusdioodid (High Power LED) sarnanevad minimaalselt varasema aja LED-idele.[8]

Illustratsioon Haitz'i seadusest. Valguse väljundvõimsus LED-ist aastate kaupa. NB! vertikaaltejel on logaritmiline skaala.

Jätkuv areng[muuda | redigeeri lähteteksti]

Esimest kõrge heledusega sinist LED-i demonstreeris Nichia Korporatsioonis töötav Shuji Nakamura, kes sai selle leiutise eest aastal 2006 Milleeniumi Tehnoloogia Auhinna[9]. See valgusdiood baseerus keemilisel ühendil InGaN. Aastal 1995 uuris Alberto Barbieri Cardiff’i Ülikooli laboratooriumis kõrge heledusega LED-ide kasutegurit ja töökindlust ning tegi väga muljetavaldava esitluse, kasutades (AlGaInP/Ga/As) LED-il indiumtinaoksiidist tehtud läbipaistvat kontakti.[3].

Sinise LED-i ja kõrge kasuteguriga valgusdioodide olemasolek viis kiiresti esimese valge valgusdioodi arendamiseni. Praeguseks domineerivad valge valguse saamiseks LED-ides kaks peamist tehnoloogiat. Esimesel juhul rakendatakse ühes kestas koos tööle punane, roheline ja sinine, mille tulemusel saadaksegi valge valgus (vaata ka RGB),teisel juhul lisatakse sinisele dioodile luminestsentset värvi, ehk segades sinist ja kollast kokku ühte valgust kiirgavasse dioodi, tekitatakse valgusradiatsioon, mis on inimsilmaga nähtav valge valgusena.[2]

LED-tehnoloogia edenemisele on kõvasti kaasa aidanud teiste pooljuhttehnoloogiate arendamine ja suur areng optikas ja materjaliteadustes. Tehnoloogiaedusammud on kasvanud eksponentsiaalselt, kasutegur ja valguse kiirguse kasv on kahekordistunud pea iga 36 kuu järel – seda 1960ndast aastas saadik – sarnaselt Moore'i seadusele. Kuid vastavat trendi valgusdioodide tehnoloogias kutsutakse Dr. Roland Haitsi järgi Haitz’i seaduseks (vaata joonist paremal).[10] Nanokristallide ja suuremate silikoonist toorkristallide kasutamisega on saavutatud veel parem kasutegur ja kokkuhoid tootmises.[11] 2009. aastat võib pidada LED-ide revolutsiooni alguseks. Pooljuhttehnoloogia toob efektiivse, kõrgekvaliteedilise ja vastupidava valguslahenduse jms tipptehnoloogia kõikjale kodumajapidamistesse ja ärikeskkondadesse.[12]

Valgusdioodi ehitus ja tööpõhimõte[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tööpõhimõte[muuda | redigeeri lähteteksti]

Valgusdioodi ehitus. Elektroodi otsad kestas (Markeering: Alasi ja Post – nimetused tulenevad nende kujust) käituvad kui ankrud, mis takistavad juhtide väljatõmbamist mehaaniliselt rakendatud jõu või vibratsiooni tagajärjel.

Valgusdioodi kiirgus kujutab endast elektroluminestsentsi, mis tekib elektriliselt ergastatud elektronide ja aukude rekombinatsioonil. Rekombinatsioon võib aset leida mitmesuguseid (nii kiirguslikke kui ka mittekiirguslikke) kanaleid pidi. Rekombinatsioonil vabanev energia võib kuluda valguskvandi (footoni) tekitamiseks, mõne teise juhtivustsooni elektroni energia suurendamiseks (nn. Auger’ protsess) või kristalli võnkekvandi (foononi) ergastamiseks.[13]


Valgusdioodi ehituse skeem on kujutatud vasakpoolsel joonisel. Enamjaolt koosneb tavaline LED kahest elektroodist ja pooljuhtmaterjalidest tehtud kiibikesest, mis on uputatud plastikkesta sisse. Siinkohal on kasutatud n+-p siiret (vaata ka pn-siire). Kuna n+-piirkond on tugevalt legeeritud, siis suur osa n+-piirkonnast tulevaid elektrone levivad p-piirkonda (nad ei jõua siirdel rekombineeruda), kus nad rekombineeruvad oma difusioonitee pikkuse ulatuses p-piirkonna aukudega.

Kiirguse väljajuhtimiseks aktiivsest piirkonnast kasutatakse mitmesuguseid võtteid: siire tehakse välispinna lähedale, et vähendada neeldumiskadusid; pinnale antakse selline kuju, et valgus langeks pinnale täieliku sisepeegelduse piirnurgast väiksemate nurkade all; pooljuhi pind kaetakse selgendava optilise kilega, et vältida pooljuhi suurest murdumisnäitajast tingitud peegelduskadu; alusmaterjal tehakse läbipaistev ja aluskontakt peegeldav.[13]

Kest/korpus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kapseldusmaterjalidena kasutatakse peamiselt epovaiku, polümetüülmetakrülaate (PMMA) ja silikoone.[14] Üldjuhul on valgusdioodi pooljuhtidest osad uputatud kestamaterjali sisse, mis täidab järgnevaid eesmärke:

  • hõlbus paigaldada.
  • mehaaniline stabiilsus – õrnad elektriskeemi osad on selle abil tugevamini kinnitatud ja niiviisi ka purunemise eest kaitstud.
  • kahe keskkonna vaheline hermeetilisus – kaitse soovimatu elektrijuhtimise ja keemilise reaktsiooni eest.

Kesta ülesanne on veel võimendada ja suunata või hajutada valguse kiirgust, mida saadakse andes kestale vastav kuju (poolkerakujuline, silindriline või kandiline jne.)

Eelised ja puudused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Eelised[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Kasutegur: Valgusdioodid eraldavad tarbiva võimsusühiku kohta rohkem valgust kui hõõglambid.[15] Kasutegur on sõltumatu kujust ja suurusest, mida ei saa öelda luminofoorlampide kohta. Lisaks eraldavad nad vähem soojust, mis on valgustite puhul raisatud energia (Hõõglampide puhul kuni 95%[16]). See omadus võimaldab kasutada valgusdioode just tundlike tekstuuride tööstuses neid kahjustamata. (Isegi kui soojust eraldub, siis suuremal jaol valgusdioodi põhja kaudu)
  • Suurus: Valgusdioodid on väga väikesed, mistõttu saab neid kasutada kohtades, kuhu alternatiivsed valguslahendused ei mahu. Hõlbus paigaldada trükiplaadile.
  • Värvusus: Valgusdioodid on tõhusamad saavutamaks konkreetse värvi kiirgamist, sest nad ei vaja selleks eraldi filtreid.
  • Valguse reguleerimine: LED-i valgustugevust saab kergesti reguleerida, muutes rakendatavat pinget.[17]
  • Lülitusaeg: Süttivusaeg on väga kiire. Tallinna Tehnikaülikoolis on saavutatud lülitusajaks ca 10 nanosekundit.[18] Telekommunikatsioonis kasutatavatel LED-idel võib olla isegi kiirem reageerimisaeg. Valgusdiood talub hästi kiireid sisse-välja lülitusi, mida luminofoorlambid või hõõglambid ei talu.
  • Töökindlus: LED ei põle läbi nagu teised valgusallikad, vaid ajapikku nende valgusviljakus väheneb. Enamjaolt võib valgusdioodide elueaks lugeda 50 000 tundi, kuid see võib olenevalt otstarbest olla isegi kuni 200 000 tundi.[16] Tüüpiliste luminofoorlampide elueaks märgitakse 10 000 kuni 15 000 tundi, olenevalt nende kasutamisest ja hõõglampide elueaks vaid 1000 kuni 2000 tundi.[3]
  • Põrutuskindlus: Luminofoor- ja hõõglambid on haprad, valgusdioodides ei kasutata kergesti katkevat hõõgniite ega klaasist detaile, mis teeb nad purunemis- ja vibratsioonikindlaks.[19]
  • Fokusseerimine: Valgusdioode on võimalik lihtsalt fokuseerida, valmistades kestalääts vastavate omadustega. Luminofoor- ja hõõglampide puhul läheb tavaliselt tarvis väliseid reflektorpindu, et suunata valgust vajaminevas suunas.
  • Keskkonnasõbralikkus: Tootmisel ei kasutata pliid ega elavhõbedat, valgustites kasutatavad valgusdioodid ei sisalda IR- ja UV-kiirgust – seega ei saasta need keskkonda ega kujuta ohtu inimestele.[19]

Puudused[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Kõrge hind: LED on luumeni kohta kallim kui ükski teine valgustehnoloogia.[17]
  • Sõltuvus temperatuurist: LED-i tööjõudlus sõltub oluliselt ümbritseva keskkonna temperatuurist. Kui temperatuur on liiga kõrge, võib see viia LED-i läbipõlemiseni.
  • Valguse kvaliteet: Valgusdioodide valguses võivad objektide värvid paista teistsugused.[17] Üksik diood on kitsa lainepikkuse spektriga.
  • Valgustatuse nurk: Ühe valgusdioodiga ei saa valgustada suurt ala.
  • Valguse saastatus: Kuna külma valgusega LED eraldab rohkem sinakat valgust kui teised valgusallikad, tekitab ta sellega rohkem valguse saastatust.[17]
  • Polaarsus: LED süttib vaid juhul kui ta anoodile rakendatakse positiivne ja katoodile negatiivne pinge. Vastupidisel juhul valgusdiood ei sütti.
  • Sinine oht: Intensiivne sinine valgus võib tekitada fotokeemilisi kahjustusi silma võrkkestale.[20]

Värvid ja materjalid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Järgnev tabel[3] annab ülevaate tavapäraste valgusdioodide värvidest ja nende valmistamiseks kasutatavatest pooljuhtmaterjalidest. Lisaks on toodud välja ka lainepikkuste vahemikud ja kasutatavad pinged:

Värv Lainepikkus [nm] Pinge [V] Pooljuhtmaterjal
Infrapunane λ > 760 ΔV < 1.9 Galliumarseniid (GaAs)
Alumiiniumgalliumarseniid (AlGaAs)
Punane 610 < λ < 760 1.63 < ΔV < 2.03 Alumiiniumgalliumarseniid (AlGaAs)
Galliumarseniidfosfiid (GaAsP)
Alumiiniumgalliumindiumfosfiid (AlGaInP)
Gallium(III)fosfiid (GaP)
Oranž 590 < λ < 610 2.03 < ΔV < 2.10 Galliumarseniidfosfiid (GaAsP)
Alumiiniumgalliumindiumfosfiid (AlGaInP)
Gallium(III)fosfiid (GaP)
Kollane 570 < λ < 590 2.10 < ΔV < 2.18 Galliumarseniidfosfiid (GaAsP)
Alumiiniumgalliumindiumfosfiid (AlGaInP)
Gallium(III)fosfiid (GaP)
Roheline 500 < λ < 570 1.9 < ΔV < 4.0 Indiumgalliumnitriid (InGaN) / Gallium(III)nitriid (GaN)
Gallium(III)fosfiid (GaP)
Alumiiniumgalliumindiumfosfiid (AlGaInP)
Aluminiumgalliumfosfiid (AlGaP)
Sinine 450 < λ < 500 2.48 < ΔV < 3.7 Tsinkseleniid (ZnSe)
Indiumgalliumnitriid (InGaN)
Ränikarbiid (SiC) substraadina
Räni (Si) substraadina – (arendusjärgus)
Violetne 400 < λ < 450 2.76 < ΔV < 4.0 Indiumgalliumnitriid (InGaN)
Lilla mitmeid liike 2.48 < ΔV < 3.7 kahekordne sinine/punane LED,
sinine ja punase luminofooriga,
või valge lilla korpusega
Ultravioletne λ < 400 3.1 < ΔV < 4.4 Teemant (C) (235 nm)
Boornitriid (BN) (215 nm)
Alumiiniumnitriid (AlN) (210 nm)
Alumiiniumgalliumnitriid (AlGaN)
Alumiiniumgalliumindiumnitriid (AlGaInN) – (210 nm)
Valge lai spekter ΔV = 3.5 Sinine/UV diood kombineeritud kollase luminofooriga  

[21] ]]

Orgaaniline valgusdiood ehk OLED[muuda | redigeeri lähteteksti]

Orgaanilise valgusdioodi kiirgavaks elektroluminestsentseks kihiks on orgaaniline ühend. See orgaanilise pooljuhi kiht asub kahe elektroodi vahel. Üldiselt vähemalt üks elektrood on läbipaistev. OLED-e kasutatakse enamasti televiisorite lameekraanides, arvutimonitorides, väikestes portatiivsetes seadmetes nagu nutitelefonid ja pihuarvutid. OLED-tehnoloogial põhinevate ekraanidega suudetakse esitada kõige tõetruumat musta värvi. Pisut leiavad orgaanilised valgusdioodid kasutust ka valgusallikates, kuid oma varajase arengufaasi tõttu kiirgavad nad pindühiku kohta tavaliselt vähem valgust kui mitteorgaanilised LED-id.[22]

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]