Lysdiode

En lysdiode (eng. LED for light-emitting diode), IR-diode eller UV-diode er en ensretterdiode (elektronisk komponent) og en transducer, som omsætter elektrisk energi til et smalt bølgelængdeinterval i et af følgende områder: Infrarødt (NIR, 2006: Fra ca. 7µm), synligt eller nær-ultraviolet (2018: ned til 245nm) lys. ^[1]

En blå laveffekt-lysdiode set fra siden. Lysdiode-chippen er nede i det højre bens hulning, som også virker som reflektor. Det højre ben fungerer også som køleplade.

Billede af laveffekt-lysdioder. Den lilla tonede lysdiode er en infrarød lysdiode.

Lysdiodesymbol

Et eksempel højeffekt-lysdiode, som kan tåle op til 3W med den rette køling. Udover at lysdiode-chippen skal kunne tåle høj effekt, skal chippen også have en god varmekobling med den underliggende varmeledende metalplade, som igen skal kobles på en køleplade og/eller heat-spreader.

Selve lysdiode-chippen (firkantet) i en grøn laveffekt-lysdiode. Lysdiode-chippen er ca. 0,5*0,5 mm, men kan være større eller mindre. De to tynde ultralyd påsvejsede tilledninger er typisk lavet af aluminium.

Selve lysdiode-chippen i et lysdiodehus er ca. 0,5*0,5 mm, men kan være større eller mindre. Lysdiode-chippen er lavet af en halvleder med det båndgab, der afgiver de elektromagnetiske bølger (f.eks. synligt lys), man ønsker, når en strøm passerer.

Lysdioder til synligt lys kan lyse i alle regnbuens farver,^[2][3][4][5] og de vinder indpas flere og flere steder, hvor man tidligere brugte små glødelamper, fordi den anvendte halvleder-teknik byder på nogle fordele:

• Lysdiodens energiforbrug er mindre end for en tilsvarende glødelampe, der afgiver samme mængde lysenergi.
• Der er kun en mindre termisk slitage på en standard laveffekt-lysdiode (op til ca. 60mW), der lyser. Et af benene på lysdioden fungerer som en lille køleplade. Laveffekt-lysdioder vil i snit få deres lysudbytte halveret efter ca. 50.000 lystimer.

En højeffekt (hvid eller farvet) lysdiode til en lysdiodelampe på f.eks. 1-5W eller et lysdiodemodul på 5-50W skal køles nok, ellers kan levetiden sænkes drastisk. Som et repræsentativt eksempel kan følgende datablad for et 10W lysdiodemoduls typiske levetid ses på sidste side. Levetiden er vurderet fra ny, og til lysdiodemodulets lysudbytte er faldet til 70%.^[6] Som det kan aflæses, vil modulet ved 120 °C have en middellevetid på under 1500 timer. Ved 60 °C vil modulet have en middellevetid på ca. 60.000 timer. Bemærk at levetidskurven ikke er linear.

Modsat en glødelampe kan en korrekt kølet lysdiode lyse konstant i årevis uden at "brænde ud".

Ydermere er lysdioden mekanisk robust, så den kan tåle rystelser, uanset om den er tændt eller slukket. En tændt glødelampe kan ikke tåle så mange rystelser.

Opdagelse

Dette billede viser en replikation af H.J. Rounds eksperimenter, hvor han opdagede en lysdiodeeffekt. En nål forbundet til minus sat på et SiC-krystal, som er forbundet til plus. Ved en spænding på 9 V og en strøm på 30 mA kan en lille gulgrøn "glød" ses ved kontakten mellem nål og SiC-krystal. Det kan ses på det forstørrede område nederst til højre

Længe før man forstod halvledernes virkemåde, opdagede H.J. Round en lysdiode-effekt i SiC i 1907. Han kaldte det koldt lys, fordi krystallet ikke var varmt ligesom en glødelampe. Oleg Losev (1903-1942) genopdagede lysdiode-effekten i ZnO krystaller i 1921. Lyset fra krystallet blev kaldt Lossew-lys.^[7][8]

I 1934 opdagede G. Destriau en lysdiode-effekt med Zinksulfid (ZnS).^[7]

Først i 1962 kunne man lave fuldt menneskeskabte lysdioder.^[7] I 1970 kommer nye LED farver til, man havde nu en grøn farve og en rød farve, og dermed kunne man også skabe gult lysdiodelys. Forskerne var klar over, at det var nødvendigt at fokusere på den blå farve, da man med den og de øvrige farver kunne frembringe et hvidt lysdiodelys. Lysstyrken var på tidspunktet stadig svagt, og først i 1980erne kunne man frembringe et lysdiodelys, der var kraftigt nok til at kunne bruges udendørs i sollys.

Du kan selv lave dine egne lysdioder.^[9] De hjemmelavede lysdioder er selvfølgelig ikke lige så effektive som købelysdioder.

Anvendelse

Digitalur fra 1978 med laveffekt-lysdiode visning. Venstre urtid, højre dag/dato.

Diagram med formodstande til lysdioder med forskellig spændinger

Foto af nogle laveffekt-lysdioder, venstre laveffekt-lysdioder i et 7-Segment-display.

Historisk startede lysdioder med at blive anvendt i lommeregnere, digitale armbåndsure, måleinstrumenter og som statusvisning i radioapparater, TV og forstærkere.

I løbet af 1990'erne kom de røde og grønne effektive (high-bright) lysdiodeudgaver, hvilket gjorde, at de kunne anvendes som cykelbaglygter. Senere kom højeffektive (ultra high-bright) i blå lysdiodeudgaver. Den blå farve muliggjorde, at en lille klat fluorescerende stof placeret oven på den blå lysdiodechip omdannede noget af det blå lys til gult. Det blev fra omkring 2003 markedsført som en hvid lysdiode, da menneskets øjne opfatter en blanding af gult og blåt lys som hvidt. Disse anvendes bl.a. som cykelforlygter.

Lysdioder anvendes herudover primært som bilbaglygter (rød), udrykningsblink (blå), lyssignaler (ved vejkryds (rød, gul og grøn) og fodgængerfelter (rød og grøn)). Men der forskes på højtryk for at lave højeffekts ultraviolette lysdioder med henblik på belysning overalt – til belysning af gader og i boliger. ^{[10] [11] [12] [13]}

Igennem mange år er de effektive lysdioder blevet til som spin-off i de succesfulde forsøg på at lave højeffektive halvlederlasere med mindre bølgelængder end rødt og grønt lys – f.eks. blåt og ultraviolet. Dette er årsagen til Blu-rays fremkomst.

Det menes, at nye højeffektive lysdioder kan anvende kvanteøer til effektivt(55-100%) at omsætte UV-lys til fuldspektret hvidt lys.^[14][15]En anden metode til at lave fuldspektret hvidt lys er nævnt i denne kilde. ^[16]

Fra ca. 2009 gør lysdioderne deres indtog i LCD-skærmes bagbelysning. Grundet lysdiodernes høje virkningsgrad spares 10-40% af energiforbruget. Lysdiodebagbelysningen holder normalt længere end de traditionelle koldkatode lysstofrør.

Sådan virker en lysdiode

En lysdiode er i elektrisk forstand en "normal" faststof-diode (en pn-overgang i et halvledermateriale i en chip), men det særlige ved lys-dioden er, at både selve halvledermaterialet og det "hus", komponenten er bygget (støbt) ind i, er mere eller mindre gennemsigtige. Den aktive lysdiodechip, hvor lyset kommer fra, er typisk mindre end 1×1 mm stor - men kan også være større.

En fri elektron i halvledermaterialet besidder lidt mere energi end et elektronhul i halvledermaterialets krystalgitter-struktur, så når en elektron "falder i" et elektronhul, afgiver den en foton ("lys-partikel"), hvis energi svarer til forskellen mellem den frie og elektronhullets energiniveauer.

Jo stærkere valenselektronerne er bundet i det halvledermateriale, man anvender, jo større er energiforskellen mellem den frie og den bundne elektron, og dermed energien i den frigivne foton. Da bølgelængden er omvendt proportional med fotonenergien, giver større energiforskel mere kortbølget (blåt eller violet) lys, mens en mindre forskel giver mere langbølget lys (rødt eller infrarødt lys).

Effektivitet

Lysmængden fra én lysdiode-chip er ikke høj og ligger mellem 0,1 og 250 lumen. En enkelt lysdiode-chip kan således afgive lige så meget lys, som en 25W glødepære (250 lumen).^[17] Et standard 36 W lysstofrør afgiver til sammenligning 3.350 lumen.^[18]

Lysmængden målt i forhold til den forbrugte energi er forbedret meget de seneste år. I 2006 kunne man lave lysdioder med 50 lm/W, og i 2007 blev lysdioder med 100 lm/W lanceret.^[18] Dette skal sammenlignes med glødepærens 10 lm/W og lysstofrørets 93 lm/W.

"Hvide lysdioder" (er typisk blå lysdioder med en fluorescerende klat) specificeres ligesom lysstofrør med en farvetemperatur. Typisk har koldhvide lysdioder højere effektivitet og er billigere end varmhvide.^[19][20]

Se også

• Halvlederlaser, laserdiode
• Fotonisk krystal
• LED strips

Referencer

1. roithner-laser.com: Deep UV LEDs, MID-IR LEDs (hovedadresse)
2. I ruden med "Wavelength" kan det ses at elektronikforhandleren Digikey i 2018 forhandlede lysdioder med bølgelængder fra 295nm til 770nm med spring på under 31nm (når suppleret med marktechopto lysdiode på 507nm) (synligt lys er mellem 390nm-700nm): digikey.dk: infrared-uv-visible-emitters
3. En typisk lysdiode dækker ca. +-20 nm ved ca. -70% af max. lys (se kurve): marktechopto.com: Visible Red Emitter Product No: MTE7000N2-R
4. Dækker fra 450nm til 700nm (max 35 nm spring): marktechopto.com: Visible Emitters
5. Dækker fra 720nm til 770nm (max 30 nm spring): marktechopto.com: Infrared LED Emitters
6. hueyjann.tw: HPR20D-19K10xWx(REV D)
7. Historisk, webarchive backup: Light-Emitting-Diodes (tysk)
8. soton.ac.uk: The life and times of the LED — a 100-year history Citat: "...Many people believe that the LED was dicovered by US researchers working in the 1960s. In fact, Henry Round at Marconi Labs noted the emission of light from a semiconductor diode 100 years ago and, independently, a forgotten Russian genius — Oleg Losev — discovered the LED..."
9. May 7th, 2009, Michael T. Lippert: Building a DIY LED from SiC Citat: "...What this article is about is making a light emitting diode (LED) from a pin and the mineral Moissanite..."
10. October 9, 2006, cree.com: Cree Delivers the First 160-Lumen White Power LED Citat: "...XLamp LEDs now as efficient as fluorescent sources...The new XLamp LED was designed to enable general lighting applications, such as street lighting, retail high bay lighting and parking garage low bay lighting, as well as to vastly improve the light quality in consumer applications such as flashlights..."
11. 15. apr. 2005, PCworld: Glødelampens afløser på vej
12. Breakthrough Technology Accelerates Solid-State Lighting Citat: "...The industry has set a target for white LEDs to reach 150 lumens per watt (lm/W) by the year 2012. The new SPE LEDs, under certain operating conditions, are able to achieve more than 80 lm/W, compared to today's typical compact fluorescent lamp at 60 lm/W and a typical incandescent lamp at 14 lm/W..."
13. sept 2002, IEEE: Let There Be Light Citat: "...The best LEDs are now roughly twice as efficient, in lumens per watt, as incandescent bulbs..."
14. Sandia National Laboratories (2004, June 23). Wireless Nanocrystals Efficiently Radiate Visible Light. ScienceDaily Citat: "...The efficiency of the energy transfer from the quantum well to the nanocrystals was approximately 55 percent – although in theory nearly 100 percent transfer of the energy is possible and might be achieved with further tweaking...The work is another step in creating more efficient white-light-emitting diodes..."
15. Los Alamos National Laboratory (2005, May 18). Scientists Develop Novel Multi-color Light-emitting Diodes. ScienceDaily Citat: "...semiconductor nanocrystals are incorporated into a p-n junction formed from semiconducting GaN injection layers. The new LEDs utilize a novel type of color-selectable nanoemitters, colloidal quantum dots, and makes use of emerging GaN manufacturing technologies..."
16. 19/08/01, ing.dk: Første hvide lysdiode Citat: "...Effekten skyldes en særlig form for eksitation først opdaget i 1994...De resulterende elektron-hul par, der nu omfatter begge molekyler, henfalder ved udsendelse af fotoner, hvis bølgelængder dækker hele det synlige spektrum... levetid vil være mange gange større end elektriske pærers...(App. Phys. Let. 30/7-01)"
17. 2. dec 2007, ing.dk: Ny diode giver lys som en 25-watt-pære, backup
18. Elsparefonden, december 2007 – Lysdioder til belysning 2008, s. 5, s. 11
19. Eksempel - se kurverne: energy.gov: Changes in SSL Device Efficiency and Optical Performance. With Aging: Final Report. U.S. Department of Energy—Solid-State Lighting Technology Area. January 2021, backup Citat: "...[papirside 17-18 (pdf-side 30-31)] The luminous efficacies for Product MS-4 DUTs when the 2,700 K and 5,000 K settings were used during AST are shown in Figure 3-13a and Figure 3-13b, respectively. During RTOL, luminous efficacy initially increased with use during RTOL because of a small (3% to 4%) drop in power consumption that occurred during the first 1,000 hrs of operation..."
20. Se pdf-side 3-5: XLamp® CXA1830 LED, backup

Eksterne henvisninger

• Wikimedia Commons har flere filer relateret til Lysdiode