Light Emitting Diode (LED)

LED er engelsk og betyr Light Emitting Diode eller på norsk kalt lysdiode. Lysdioder eller LEDs er små elektriske komponenter som utsender lys. Lysdioder virker som alminnelige dioder, men med den forskjellen at lysdioder utsender lys når der løper strøm igjennom dem, hvorimot alminnelige dioder ikke utsender lys.

Men for å forklare den tekniske forskjellen mellom alminnelige dioder og lysdioder er vi først nødt til å vite hva dioder er – og hvordan de virker.

Komponentet dioden

Dioder er komponenter som består av to forskjellige forurensede halvledermaterialer. P-materialet og N-materialet. P-materialet, også kalt anoden, er forurenset på en sånn måte at det er underskudd av frie elektroner.

N-materialet – også kalt katoden, er forurenset på en annen måte sånn at det er overskudd av frie elektroner.

Dvs.
• På anoden er det underskudd av frie elektroner.
• På katoden er det overskudd av frie elektroner.

På denne måten får man en komponent som kun kan lede strømmen i en retning, nemlig fra katoden til anoden. Katoden er – og anoden er + så strømmen går altså fra – til +.

Fotoner

Det spesielle ved LED (lysdioder) er at når et elektron fra LEDens katode setter seg over i et "hull” på LEDens anode er den nødt til å ”dytte” et bundet elektron fra anoden vekk, men det frie elektronet besitter en smule mer energi enn det bundne elektronet. Så for at elektronet kan passe i ”hullet” er elektronet nødt til å avgi noe av sin energi. Ved å avgi noe av det frie elektronets energi omsetter det noe av sin energi til et foton (lyspartikkel)

Lyspartikler

Forskjellen mellom det bundne elektronet og det frie elektronet svarer til energien av det avgitte fotonet (lyskilde) og foton- energien er omvendt proporsjonal med bølgelengden av fotonet.

Det vil si, at hvis det er stor energi forskjell mellom det bundne og det frie elektron, vil dioden utsende lys med en lav bølgelengde i en ultrafiolett farge i den blå enden av spekteret, men en lav energiforskjell vil utsende et lys i den røde og infrarøde del av spekteret.

Selve prinsippet bak LED ble allerede oppfunnet i år 1907 av en mann ved navn Henry Joseph Round. Han oppdaget at hvis han lot en strøm passere en Silicium Carbid (SiC) krystal, begynte den å avgi et svakt lys.

Kaldt lys

Denne oppdagelse kalte han for kaldt lys, da den ikke utsendte varmt lys i motsetning til en glødepære.

14 år senere - i år 1921 oppdaget Oleg Losev den samme effekt i zinkoxid (ZnO) og effekten i zinsulfid (ZnS) blev oppdaget i 1934 av den franske forsker G. Destriau.

I 1962 – 55 år etter Henry Joseph Round oppdagelse - skapte man de første fult funksjonsdyktige menneskeskapte LEDs. Disse LEDs skapte man med stoffet Gallium Arsenid(GaAs) i et britisk laboratorium. I starten kunne man imidlertid kun produsere LEDs i den infrarøde del av fargespekteret. Disse LEDs ble imidlertid fort populære til sensor- teknologi.

Lysdioder med synlig lys

Først i slutten av sekstiårene ble de første LEDs som utsendte synlig lys oppfunnet. Ved å skifte ut stoffet GaAs med Gallium Arsenid Fosfid (GaAsP) oppstod disse svakt lysende røde LEDs.

Man fant imidlertid fort ut av at ved å bruke Gallium Fosfid (GaP) i stedet, økte man effektiviteten og gjorde det mulig å produsere oransje LEDs.

Grønne og gule LEDs

Midt i 1970- årene fant man ut av å produsere grønne LEDs av stoffet GaP. Denne oppfinnelsen førte også til at man nå kunne produsere gule LEDs ved å plassere to LED chips ved siden av hverandre i et hus. En rød og en grønn LED- chip som til sammen ga et gult lys.

I Russland begynte man på samme tid også å produsere gule LEDs av stoffet: "SiC", men disse var ineffektive og svake i forhold til dem med en grønn og en rød LED- chip i.

Så disse GaP LEDs ble ikke noen stor suksess. Det ledet imidlertid til en videre utvikling og forskning i SiC materialet, som senere skulle brukes til å produsere de første blå LEDs.

Røde og oransje highbright lysdioder

I starten og midten av 80- årene kom de første highbright LEDs på verdensmarkedet.

Ved å bruke Gallium Aluminium Arsenid Fosfid (GaAlAsP) kunne man nå produsere meget kraftige LEDs i rød, gul og grønn. Disse fargene kunne man bruke til indikasjon i sterkt opplyste omgivelser.

Senere – i starten av 90- årene kom ultrabright LEDs på markedet. Ved å bruke Indium Gallium Aluminium Fosfid (InGaAlP) åpnet man mulighetene for å begynne å bruke LEDs til belysning og indikasjon i sterkt solskinn. F.eks. begynte man da å bruke LEDs i trafikklys. Man kunne imidlertid fortsatt kun lage LEDs i fargene: Oransje, rød, oransje, gul og grønn.

Det store gjennombruddet - Hvite LEDs

Det hittil største gjennombruddet i LED- teknologien kom i starten av 90- årene. Man produserte de første blå LEDs ved hjelp av SiC materialet. De blå LEDs var imidlertid meget svake, og det var først i midten av 90- årene at de første anvendelige ultrabright blå LEDs ble oppfunnet ved å bruke Gallium Nitrid (GaN) og Indium Gallium Nitrid (InGaN). Dette åpnet muligheten for å produsere LEDs i alle farger i det synlige spektrum. Også hvite, rosa og ultrafiolette LEDs. På lengre sikt vil man også kunne produsere LEDs som sender ut røntgen- stråler!

En ny dør til fremtiden

Ved at det nå også er mulig å produsere hvite LEDs, har det åpnet en helt ny dør inn til fremtiden, hvor man forsker på høyttrykk for å få produsert ekstremt effektive LED pærer til å erstatte den konvensjonelle form for belysning (gløde-, halogen- og energisparepærer) Dette vil gjøre det mulig å sette verdens energiforbruk betydelig ned.

I USA består hele 22 % av statenes samlede strømforbruk utelukkende av belysning! Denne belysningen består i høy grad av glødepærer. Når disse glødepærene en gang blir skiftet ut med pærer med LEDs, vil det kunne spare USA for milliarder av kroner, og man vil faktisk kunne åpne for at flere kullkraftverk legges ned!

Pærer og spots med LEDs

Det er nå blitt mulig å produsere pærer med LEDs som er mer effektive enn energisparepærer, og man forsker akkurat nå på muligheten for å produsere LEDs ved hjelp av nano- teknologien, som har en teoretisk effektivitet på hele 100 %. En glødepære bruker 5 % av dens forbruk til lys og de resterende 95 % til varme!