Valgusdiood

Avastused ja varasemad leiutised

Elektroluminestsents kui nähtuse avastas inglasest eksperimenteerija H. J. Round aastal 1907Marconi Laboratooriumis, kasutades ränikarbiidkristalli ja ''cat’s-whisker'' kristallidetektorit.
Venelane Oleg Lossev esitles esimese valgusdioodi loomist aastal 1927. Tema uurimistööd avaldati vene-, saksa- ja ingliskeelsetes teadusajakirjades, kuid siiski ei leidnud see avastus mitme järgmise aastakümne jooksul praktilist kasutust.
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 77 K.
Aastal 1961 leidsid Ameerika eksperimenteerijad Robert Biard ja Gary Pittman ettevõttes Texas Instruments töötades, et elektrilise pinge rakendamisel GaAs-ile kiirgas viimane infrapunakiirgust, ning patenteerisid infrapunavalgusdioodi ehk infrapuna-LED-i.
Esimese nähtava spektriga (punase) valgusdioodi arendas välja Nick Holonyak juunior aastal 1962, kui ta töötas General Electric Companys. Holonyaki peetakse "valgusdioodi isaks". M. George Craford, Holonyaki õpilane, leiutas 1972. aastal esimese kollase LED-i ja parandas punase ja punase-oranži valgusdioodi eredusi kümnekordselt. Aastal 1976 lõi T. P. Pearsall esimesed väga eredad, siire kasuteguriga valgusdioodid kiudoptilise telekommunikatsiooni tarbeks, leiutades sedasi uued pooljuhtmaterjalid, mis olid kohandatud täpselt sellistele lainepikkustele, mida kasutatakse ülekannetel kiudoptikas.
Esimesi valgusdioode kasutati peamiselt tööstuses indikaatorvalgustitena. Valgustitena kasutamiseks olid need aga liiga nõrga valgustugevusega, seega kasutati neid indikaatoritena. Esimese suure heledusega sinise valgusdioodi töötas välja Shuji Nakamura Nichia Corporation’ist. Sinise valgusdioodi leiutamine viis varsti ka valge valgusdioodi loomiseni 1990-ndatel aastatel.
Kuni aastani 1968 olid nähtava valguse 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 varem välja arendatud käsikalkulaatorites. 1970. aastad 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 Fairchildi meeskonnal, mida juhtis valguselektroonika pioneer Thomas Brandt, saavutada vajaliku tootmiskulude vähenemise. Need meetodid on valgusdioodide tootjatel jätkuvalt kasutusel.

Praktiline kasutus

LED-i kui praktilist elektroonikakomponenti tutvustati aastal 1962. Kõigepealt leidsid esimesed laiatarbe valgusdioodid kasutust kallimates masinates nagu laboratooriumite ja elektroonika testseadmetes, asendamaks hõõg- ja neoonindikaatorlampe ning seejärel ka seitsme-segmendi kuvarites. Hiljem tulid need kasutusele ka sellistes levinud seadmetes nagu televiisorid, raadiod, telefonid, kalkulaatorid ja isegi kellad. Digitaalsetes kellades kasutati LED-e juba 1960. aastatest saati ja neid kasutatakse kellade valmistamisel siiani. Punased LED-id olid parasjagu heledad ainult indikaatoritena kasutamiseks, sest väljakiiratav valgus ei suutnud ümbrust valgustada. Aja möödudes said laiemalt kättesaadavamaks ka teised värvid, mis niisamuti leidsid kasutust erinevates seadmetes peamiselt indikaatoritena.
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.
Enamik LED-e valmistati väga levinud 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. Suure võimsusega valgusdioodid (High Power LED) sarnanevad varasema aja LED-idega väga vähe.

Jätkuv areng

Esimest kõrge heledusega sinist LED-i demonstreeris Nichia Korporatsioonis töötav Shuji Nakamura, kes sai selle leiutise eest aastal 2006 Millenniumi Tehnoloogia Auhinna. 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.
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.
LED-tehnoloogia edenemisele on kõvasti kaasa aidanud teiste pooljuhttehnoloogiate arendamine ja suur areng optikas ja materjaliteadustes. Tehnoloogiaedusammud on kasvanudeksponentsiaalselt, kasutegur ja valguse kiirguse kasv on kahekordistunud pea iga kolme aasta järel – seda 1960. aastas saadik – sarnaselt Moore'i seadusega. Kuid vastavat trendi valgusdioodide tehnoloogias kutsutakse Dr. Roland Haitzi järgi Haitzi seaduseks (vaata joonist paremal).Nanokristallide ja suuremate silikoonist toorkristallide kasutamisega on saavutatud veel parem kasutegur ja kokkuhoid tootmises.
2009. aastat võib pidada LED-ide revolutsiooni alguseks. Pooljuhttehnoloogia toob efektiivse, kõrgekvaliteedilise ja vastupidava valguslahenduse jms tipptehnoloogia kõikjale kodumajapidamistesse ja ärikeskkondadesse.

Tööpõhimõte

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.
Valgusdioodi ehituse skeem on kujutatud kõrvaloleval 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.

Orgaaniline valgusdiood ehk OLED

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, arvutikuvarites, väikestes kandeseadmetes 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.