VÉDELMI ELEKTRONIKA DR. VERES GYÖRGY RÖVIDEN ÉS TÖMÖREN A LED-EKRİL BRIEFLY ABOUT LEDS Az elmúlt évek során több alkalommal végrehajtott tantervi korrekciók következtében egyre kevesebb óra jutott az analóg és a digitális elektronikai ismeretek oktatására a Karunkon. Ennek következtében egyes tananyagrészek oktatására nem vagy csak korlátozott terjedelemben van lehetıség. Ezért egy cikksorozatban szeretném hallgatóim és más érdeklıdık számára röviden, a lényeget összefoglalva ismertetni az általam fontosnak vélt ismereteket. Ez a cikk a szakmai körökben közismert LED-ek mőködését, fontosabb jellemzıit foglalja össze. Due to the many modifications made in the curriculum over the past few years, there were fewer lessons available for the teaching of the analog and digital theory at our department. Therefore some parts of the lessons had to be excluded or limited from the teaching. In a series of articles, I would like to summarize briefly the basic principles of the theory for those who are either my students or interested in the subject. This article focuses on the operation and main characteristics of the well-known LEDs in professional fields. LED (Light Emitting Diode), fénykibocsátó dióda Bevezetı A LED egy elektronikai fényforrás, melyet a 20-as években Oroszországban fedezett fel Oleg Vlagyimirovich Losev, rádiótechnikus, aki észrevette, hogy a diódák, melyeket a rádióvevıhöz használt, fényt bocsátanak ki, amikor áram folyik rajtuk. 1927-ben publikálta is tapasztalatait egy orosz folyóiratban. Mint praktikus elektronikai alkatrészt azonban csak 1962- ben mutatták be Amerikában [3]. A tranzisztorokkal, illetve a félvezetıkkel kapcsolatos kísérletezések során a Bell laboratóriumban egy Nick Holonyak nevő fizikus 1962-ben a General Electric cégnél elsıként fejlesztette ki a vörös LED-et. Neki kö- 197
szönhetjük a GaAsP alapokon nyugvó vörös lézerdiódák létét is, amelyeket ma is használnak még CD-, vagy DVD-lejátszókban [6]. Késıbb ezt a fajta LED-et felváltotta a GaP alapú dióda, amely jobb hatásfokkal rendelkezett és ez vezetett a narancssárga LED megjelenéséhez is. A GaP alapú félvezetıvel állították elı a zöld színt is. Az 1960-as évek közepén jelentek meg az elsı szuperfényes LED-ek. A félvezetı GaAlAsP alapú volt. 1990-ben jelentek meg az ultrafényes InGaAlP -t tartalmazó eszközök, narancs-vörös, vörös, sárga és zöld színben, majd nem sokkal késıbb a InGaN zöld és kék színőek. Ma már a fehér LED-ek még finomabb technikával (quantum dots) készülnek és bizonyos források szerint már sikerült elérni a hagyományos izzókkal elıállítható természetes, gyakorlatilag folyamatos spektrumú fehér fényt is. Néhány évvel ezelıtt megjelentek az Organikus LED-ek, az un. OLED-ek (Organic Light-Emitting Diode vagyis; Szerves Fénykibocsátó Dióda). Ezek lényeges eleme valójában egy vékonyfilm-led, amelynek emisszív rétege szerves összetételő. Alkalmazási lehetıségeit már valóban csak a fantázia korlátozza. A LED felépítése, mőködése 1. ábra. A LED felépítése [1] Egy LED általános felépítése az 1. ábrán, a fényforrás dióda metszeti képe pedig a 2. ábrán látható. A LED tulajdonképpen egy dióda, amelyre ha nyitóirányú feszültséget kapcsolunk, fényt bocsát ki. A nyitóirányban elıfeszített p-n átmenet erısen szennyezett rétegében, az elektron-lyuk párok gyakori rekombinációja során, a félvezetı anyagra jellemzı energiaspektrumú (hullámhossz-eloszlású) fény sugárzódik ki. 198
VÉDELMI ELEKTRONIKA 2. ábra. Modern világító dióda metszeti képe és mikroszkópi felvétele saját fényében [2] A fény egy energiamennyiség, amit egy atom kibocsátani képes. Hullámés részecsketulajdonsággal rendelkezik, van energiája és momentuma, de nincs tömege. Ezek a részecskék a fotonok, a fény legkisebb elemei. A fény az elektromágneses sugázás egy tartománya, az elektromágneses sugázás színképének egy adott intervallumát jelenti. Energia akkor szabadul fel, tehát elektromágneses sugárzást és fotont akkor bocsát ki az atom, ha az atommag körül keringı elektron egy nagyobb energiaszintő pályáról egy kisebb energiaszintő pályára esik. Nagyobb energiakülönbség átugráshoz nagyobb energiájú foton tartozik, ami a W = hf Planck-féle törvény szerint nagyobb frekvenciájú sugárzást jelent. A fénykibocsátó diódák speciális felépítéső diódák, amelyek az elektromos energiát fényenergiává alakítják. Ha a p-n átmenetre nyitóirányú feszültséget kapcsolunk, megindul a többségi töltéshordozók diffúziós árama, azaz az n rétegbıl elektronok diffundálnak a p rétegbe, és egyidejőleg a p rétegbıl a lyukak az n rétegbe. A kisebbségi és a többségi töltéshordozók között rekombinációs folyamat zajlik, eközben az elektronok energiaszintje megváltozik, a vezetési sávból egy alsóbb pályára, kisebb energiaszintre kerülnek. Ez energia-kibocsátáshoz, tehát valamilyen sugárzáshoz vezet A félvezetı felületébıl kilépı sugárzás a nagyon vékony p rétegben keletkezik. 199
A félvezetı anyag sávszerkezete határozza meg a kibocsátott fény hullámhosszát. A kisugárzott foton energiája közelítıleg megegyezik a rekombinációs elektronátmenetkor felszabaduló energiával: h c W=h f λ = W Az anyag szerkezete meghatározza a kisugárzott fotonok frekvenciáját,, így a sugárzás közelítıleg monokromatikus [8]. Legnagyobb elınyük a kis méret és a nagyon kis fogyasztás, ezért lehetséges LED-ekkel mindössze 3-4 cm vastagságú televíziók elıállítása. A LED-ek hatásfoka sokkal jobb, mint a hagyományos izzóké, ill. a hidegkatódos fénycsöveké, ezért minimális hıfejlıdés mellett képesek mőködni. Kisebb az energiafogyasztásuk, hosszabb az élettartamuk, sokkal strapabíróbbak és gyors kapcsolási reakcióval rendelkeznek. Bemelegedési idejük gyakorlatilag nincs, megbízhatóságuk szinte példa nélküli, élettartamuk pedig elérheti akár a 100 000 üzemórát is! A fény színe a dióda alapanyagául használt félvezetı összetételétıl függ. A LED TV-k háttérvilágításához nagyfényerejő fehér LED-eket használnak. Az LCD TV-k esetén használt hidegkatódos képcsövekhez képest a LED-eknek szinte csak elınyeik vannak. A LED inkoherens keskeny spektrumú fényt bocsát ki. A korai változatok alacsony intenzitású infravörös fényt bocsátottak ki, azonban a modern LED fényforrások már képesek a teljes látható színskála színeit létrehozni, méghozzá nagy erejő fénnyel. A fény spektruma az infravöröstıl az ultraibolyáig terjedhet. A fényspektrum domináns tartománya alapján különböztetnek meg ultraibolya (UV), látható és infravörös (IR) LEDeket [4]. A keletkezı fény hullámhossza, azaz a színe függ attól, hogy milyen anyagokat használnak fel a dióda készítésénél I. táblázat. A LED-ek alkalmazása igen széleskörő. Használják vizuális kijelzı rendszereknél és a hagyományos fényforrások helyettesítésére az általános világításban és az autóiparban. A kompakt mérető LED-ek alkalmazása lehetıvé tette mind az újszerő szöveg és videó megjelenítések, mind az érzékelık fejlesztését, míg nagyfokú váltási/kapcsolási képességük alapján a kommunikációs technológiák terén nyújtanak új lehetıségeket. Az elsı kereskedelmi LED-eket az izzólámpa-jelzık helyett kezdték alkalmazni, majd a hétszegmens kijelzıkön, késıbb drága berendezéseken, mint a laboratóriumi és elektronikai teszt-berendezések, ezt követıen 200
VÉDELMI ELEKTRONIKA már TV készülékekben, rádióban, telefonokban, számológépekben és még órákban is. Ezek a piros LED-ek elég fényesek voltak ahhoz, hogy jelzésértékük legyen, azonban a fénykibocsátásuk nem volt elég ahhoz, hogy a teret képesek legyenek megvilágítani maguk körül. Aztán más színő jelzıgombok is feltőntek a készülékeken és berendezéseken. Ahogy a LED anyagtechnológiája egyre kifinomultabbá vált, a fénykibocsátás megnövekedését is maga után vonta, miközben a hatékonysága és a megbízhatósága is egyre inkább megfelelt az elvárásoknak. SZÍN ANYAG HULLÁMHOSSZ infravörös vörös narancs sárga zöld Gallium-arzenid (GaAs) Aluminium-gallium-arzenid λ 760 nm (AlGaAs) Aluminium-gallium-arzenid (AlGaAs) Gallium-arzenid-foszfid (GaAsP) 610 λ 760 nm Aluminium-gallium-indiumfoszfid (AlGaInP) Gallium (II)-foszfid (GAP) Gallium-arzenid-foszfid (GaAsP) Aluminium-gallium-indiumfoszfid (AlGaInP) 590 λ 610 nm Gallium (II)-foszfid (GAP) Gallium-arzenid-foszfid (GaAsP) Aluminium-gallium-indiumfoszfid (AlGaInP) 570 λ 590 nm Gallium (II)-foszfid (GAP) Indium-gallium-nitrid (InGaN) / Gallium (II)-nitrid (GAN) 500 λ 570 nm Gallium (II)-foszfid (GAP) Aluminium-gallium-indiumfoszfid (AlGaInP) 201
202 SZÍN ANYAG HULLÁMHOSSZ zöld kék Halványlila Sötétlila ultraibolya Fehér Aluminium-gallium-foszfid 500 λ 570 nm (AlGaP) Cink-szelenid (ZnSe) Indium-gallium-nitrid 450 λ 500 nm (InGaN) Szilícium-karbid (SiC) Indium-gallium-nitrid 400 λ 450 nm (InGaN) Kettıs vörös/kék LED-ek Kék vörös foszforral Több típus vagy Fehér sötétlila mőanyagborítással Gyémánt (C) Aluminium-nitrid (AlN) Aluminium-gallium-nitrid λ 400 nm (AlGaN) Aluminium-gallium-indiumnitrid (AlGaInN) Kék/UV dióda Széles sárga foszforral I. táblázat LED készítéséhez alkalmazott összetevık [3] A kutatások és fejlesztések eredményeként végül is a nagyteljesítményő fehér LED felelt meg a térvilágítás igényeinek. A növekvı teljesítmény megnövelte a termelt hıt is, így a megbízhatóság megtartásáért egyre komplexebb, de annál design-osabb "csomagolásba" kellett helyezni, hogy a hatékony hıelvezetést megoldják. A fejlesztés a mai napig tart és egyre jobban tökéletesítik a LED világítást, amely minden valószínőség szerint teljesen el fogja hódítani a teret a hagyományos világítástól. A LED jelképi jelölése a 3. ábrán látható. Látható fény azonban csak akkor jön létre, ha ez az energiaszintváltozás bizonyos értékek közé esik. Ez pedig szintén attól függ, hogy milyen anyagból készítik a diódát, vagyis a szilíciumot milyen más anyaggal szennyezik.
VÉDELMI ELEKTRONIKA 3. ábra. A LED jelképi jelölése [4] Relatív kis távolságú ugrás esetén az energiakibocsátás kisebb, a sugárzás hullámhossza nagyobb, frekvenciája kisebb. (A látható tartományban sugárzó diódát VLED-nek is nevezik Visible Light Emitting Diode.) A szín tehát az energiaugrás mértékétıl függ. A LED-ek típusai: Mini LED ek: általában optikai jelzıként alkalmazzák, méretük 2-8 mm-ig terjedhet, egy kis lyukon át ültetik be, vagy felületre rögzítik. Egyszerő kivitelezésőek, mőanyag tokozásuk mechanikai és optikai célt szolgál, nem igényelnek külön hőtést, mőködésükhöz a kívánt áramerısség 1 és 10 ma közötti értékő. Nagy teljesítményő LED-ek: mőködtetésükhöz már 100 ma-es áramértékekre van szükség, de akár több mint 1 A-es áramerısségrıl is beszélhetünk és hatalmas mennyiségő fény kibocsátására képesek. Mivel a túlmelegedés ártalmas rájuk, ezért a HPLED-eknél igen hatékonyan kell minimalizálni a kibocsátott hıt. Ebbıl a célból egy speciális hıelvezetı burkolatba ágyazzák (High Power LED = nagy fényerejő, nagy teljesítményő LED). Ha nem vezetnék el a kibocsátott hıfelesleget, akkor a szerkezet pillanatok alatt kiégne. Egy darab HPLED helyettesíthet egy zseblámpaizzót, de többedmagával nagyteljesítményő LED lámpát alkot. Mára már olyan szintre fejlesztették hatásfokát, hogy egyre több helyen alkalmazzák a világításban helyettesítve a hagyományos izzókat, halogéneket, neon fénycsöveket és persze az sem elhanyagolandó, hogy áruk is egyre versenyképesebb. A LED-ek alkalmazás-specifikus változatai: Villogó LED-ek: céljuk a figyelemfelkeltés, külsı elektronika nélkül mőködnek, egy beépített flip-flop áramkörrel, amely kb. 1 másodperces felvillanásra készteti a LED-et. 203
Kétszínő LED: ennek egyik változata két különbözı színő LED egy tokba építve úgy, hogy ellentétesen vannak bekötve. Attól függıen, hogy mikor melyik irányból érkezik az áram, adott színő LED gyullad ki és így váltakoznak. Minél gyorsabb a váltás sebessége, annál inkább látunk egy harmadik színt, amely a két szín összemosódásából keletkezik. Létezik olyan, alapvetıen két színt kibocsátó LED is, amely választhatóan vörös, zöld vagy ezekbıl kevert fényt sugároz ki. Ez a változat két, különbözı szennyezettségő p-n átmenetet tartalmaz. A tápfeszültség alkalmas megválasztása esetén a dióda vörös vagy zöld fényt sugároz, ha külön-külön mőködtetjük ıket. Ha mindkét diódát mőködtetjük a kibocsátott fény színe sárga [7]. Háromszínő LED: itt is kétszínő LED van egy tokba kötve, de a vezérlésük nem azonos, hanem mindegyik külön vezérelt, így egyszerre is mőködtethetık és külön-külön is. RGB LED: a LED világító tartalmaz egy vörös, egy zöld és egy kék fénykibocsátót, melyek négyvezetékes csatlakozással vannak a vezetıhöz kötve, így e három fény kombinálásával a színes TV-hez hasonlóan szinte bármilyen színárnyalat produkálható. 4. ábra. A LED katódjának jelölése [5] A LED katódját a mőanyag búra peremének letörésével szokták jelölni (a 4. ábrán bal oldalt). Gyári új állapotban az anód kivezetés hosszabb, a katód rövidebb szokott lenni. 204
VÉDELMI ELEKTRONIKA Összefoglalva A LED-ek olyan speciális diódák, amelyek nyitóirányú feszültség hatására különbözı, az elektromágneses sugárzás spektrumának egy adott az I. táblázatban összefoglalt intervallumát lefedı hullámhosszúságú fényt bocsátanak ki. A kisugárzott fény hullámhossza, ezáltal a színe és egyáltalán a láthatósága az alap félvezetı kristály és a szennyezı anyagok összetételétıl függ. A változó színő fénykibocsátást színkeveréssel oldják meg. 205
Felhasznált irodalom [1] http://ledtvportal.info/led-mkoedese [2] http://www.knt.vein.hu/staff/schandaj/sjcv-publ-2005/445.pdf [3] http://www.ledker.hu/a-led-tortenete/hu/ [4] http://im1337.web.elte.hu/suli/elektronika/f1301_04diodak.pdf [5] http://wiki.ham.hu/images/a/a2/led2.jpg [6] http://mail.wlan2k.hu/~berma/ [7] Dr. Juhász Gábor és Nagy Imre fordítása: Informatika és ipari elektronika, Mőszaki könyvkiadó Kft. Budapest, 1997. 108.p [8] Török Miklós: Elektronika, JATEPress, Szeged, 2000. 215. p 206