LED

LED (engl. Light-Emitting Diode) eli hohtodiodi tai ledi on puolijohdekomponentti, joka säteilee valoa, kun sen läpi johdetaan sähkövirta. LEDiä kutsutaan arkikielessä myös valodiodiksi, vaikka historiallisesti valodiodi eli fotodiodi tarkoittaa valolle herkkää diodia. LEDit, kuten muutkin diodit, päästävät virtaa läpi vain toiseen suuntaan.
LEDien valmistusmateriaali (monesti gallium-yhdisteitä) määrää komponentin lähettämän valon värin, jota voidaan edelleen muokata LEDin pintaan lisätyillä kalvoilla ja pinnoitteilla. Kaukosäätimissä käytetään yleensä LEDejä, jotka säteilevät infrapunasäteilyä. Yksittäisen LEDin emittoiman valon spektri on yleensä varsin kapea eli säteily on lähes monokromaattista, mutta useita ledejä voidaan pakata samaan koteloon yhdistelmävärien saamiseksi.
LEDejä käytettiin pitkään lähes yksinomaan elektronisten laitteiden merkkivaloina ja näyttötauluissa, LED-näytöissä, mutta viime aikoina ne ovat alkaneet yleistyä myös valaistuksessa. Tämän ovat tehneet mahdolliseksi entistä valovoimaisempien LEDien kehittyminen ja etenkin valkoisen LEDin keksiminen.
Valkoisen LEDin kehittäjälle Shuji Nakamuralle myönnettiin Millennium-teknologiapalkinto vuonna 2006. Valkoinen LEDi perustuu siniseen LEDiin, joka on päällystetty fluoresoivalla loisteaineella, joka muuntaa osan säteilystä kellertäväksi niin, että silmän aistima valon väri on valkoinen. Toinen periaate tehdä valkoinen LED on yhdistää erivärisiä LEDejä.

Historia

Ensimmäisen valoa lähettävän diodin valmisti Marconin laboratorioissa työskennellyt brittiläinen kokeilija H. J. Round vuonna 1907. Hänestä riippumatta venäläinen Oleg Vladimirovich Losev teki saman keksinnön 1920-luvulla. Vaikka siitä kerrottiin venäläisissä, saksalaisissa ja brittiläisissä tieteellisissä aikakauskirjoissa, keksintö ei vielä tullut kovin tunnetuksi eikä sitä vuosikymmeniin käytetty hyväksi mihinkään tarkoitukseen. Vuonna 1955 Radio Corporation of Americassa työskennellyt Rubin Braunstein havaitsi, että eräät puolijohdeaineet lähettävät infrapunasäteilyä. Sitä lähettivät hänen tutkimustulostensa mukaan galliumarsenidista (GaAs) galliumantimonidista (GaSb), indiumfosfidista tai piin ja germaniumin seoksesta valmistetut puolijohdekomponentit, jotkin niistä huoneenlämmössäkin, toiset alhaisissa lämpötiloissa (77 K). Saman havainnon tekivät galliumarsenidin osalta vuonna 1961 Texas Instruments'issa työskennelleet kokeilijat Bob Biard ja Gary Pittman Vaikka Braunstein oli tehnyt keksinnön aikaisemmin, Briard ja Pittman voittivat prioriteettikiistan ja patentti keksinnöstä myönnettiin heille.
Ensimmäisen käyttökelpoisen näkyvää valoa lähettävän, punaisen LEDin kehitti vuonna 1962 General Electricissä työskennellyt Nick Holonyak, joka myöhemmin siirtyi Illinois'n yliopistoon. Holonyakia pidetäänkin "valoa emittoivan diodin isänä." Holonyakin oppilaana yliopistossa opiskellut George Craford keksi vuonna 1972 ensimmäisen keltaisen LEDin sekä kymmenen kertaa entistä kirkkaammat punaiset ja punaoranssiset LEDit
Shuji Nakamura japanilaisessa Nichia Corporationissa valmisti ensimmäisen entisiä huomattavasti kirkkaamman sinisen LEDin. Sen materiaalina oli indiumgalliumnitridi (InGaN). Jo sitä ennen oli galliumnitridista (GaN) valmistettu kirkkaita LEDejä. Vuonna 1995 Alberto Barbieri Cardiffin yliopiston laboratoriossa (GB) tutki kirkkaiden LEDien tehokkuus- ja luotettavuusominaisuuksia ja osoitti, että erityisen hyvä tulos saadaan, jos indiumtinaoksidi (InSnO) kytketään yhteen galliumarsenidin kanssa. Kun siniset ja erityisen tehokkaat LEDit oli keksitty, Nakamura sai pian kehitetyksi myös ensimmäisen valkoisen LEDin, johon käytettiin yttriumalumiinigranaatin ja ceriumin seosta Y₃Al₅O₁₂:Ce, "Ce:YAG". Fosforipitoisella päällysteellä saatiin sinisen valon väri muuttumaan niin, että se näyttää valkoiselta. Nakamuralle myönnettiin tästä vuonna 2006 Millennium-teknologiapalkinto.
LEDien tehokkuus ja valovoima on 1960-luvulta saakka kasvanut likipitäen eksponentiaalisesti ja kaksinkertaistunut aina noin 36 kuukaudessa. Tämä muistuttaa tietotekniikan alalla havaittua Mooren lakia ja kehityksestä onkin käytetty nimitystä Haitzin laki, tohtori Roland Haitzin mukaan. LEDien kehitys johtuu suurelta osaltaan puolijohteiden muiden sovellusten sekä optiikan ja materiaalitieteiden kehityksestä.

Ensimmäiset käyttötarkoitukset

LEDien ensimmäisiä kaupallisia käyttötarkoituksia olivat erilaisten laitteiden merkkivalot. Ensin niitä käytettiin kalliissa laboratoriolaitteissa ja elektronisissa tutkimusvälineissä kuten oskilloskoopeissa, mutta jo 1970-luvulla myös televisioissa, radioissa, puhelimissa, laskimissa ja sittemmin kelloissakin. Esimerkiksi laskinten näyttötauluissa numerot on usein muodostettu LEDeistä, joskin niiden asemasta alettiin myöhemmin käyttää myös nestekidenäyttöä. Tällaisissa sovelluksissa käytettiin yleensä punaisia LEDejä, joiden valovoima riitti vain merkkivaloihin, mutta ei huoneen valaistukseen. Myöhemmin näissä laitteissa alettiin yleisesti käyttää myös muunvärisiä LEDejä. Vasta 1990-luvulla uusien LEDien valovoima oli kehittynyt niin kirkkaaksi, että niitä voitiin käyttää myös valaisimina.

Toimintaperiaate

LEDien toiminta perustuu niiden n-tyypin puolijohteiden "ylimääräisten" elektronien ja p-puolijohteiden elektronivajaiden "aukkojen" yhtymiseen. Yhtymisessä n-puolijohteen elektronien korkeat energiatasot laskevat niiden täyttäessä p-puolijohteen matalamman energian aukkoja. Energiatason muutoksissa vapautuu energiaa lähinnä fotoneina. Valon vapautumista kutsutaan elektroluminesenssiksi, joka voidaan ajatella aurinkopaneelien käyttämän valosähköisen ilmiön käänteiseksi tapahtumaksi.
Negatiivisessa eli n-puolijohteessa on ylimääräisiä elektroneja ja elektronivajaassa positiivisessa p-puolijohteessa on elektronivajaus, eli vapaita paikkoja, joihin voi siirtyä elektroneja. Elektronien lisä tai vajaus on puolijohdemateriaaliin saatu douppaamalla, eli lisäämällä niihin sopivan elektronirakenteen omaavia alkuaineita hyvin pieniä määriä. Puolijohteena voi esim. olla galliumarseeni (GaAs).
Tasavirtalähteen negatiiviselta navalta tulee sähkövirta eli elektroneja johdinta pitkin, joka on liitetty LEDin n-puolijohteeseen. Johtimen elektronit työntävät edeltään n-puolijohteen elektroneja muuttuen itse n-puolijohteen ylimääräisiksi elektroneiksi. Tieltä pois työntyvät elektronit siirtyvät kohti p-puolijohteen vapaita elektronipaikkoja.
p-puolijohde on kytketty tasavirtalähteen (esim. paristo) positiiviseen napaan ja p-puolijohteen elektronivajaat aukot lähestyvät samanaikaisesti sähkövirran kulkiessa LEDin lävitse kohti n-puolijohteelta tulevia elektroneja.
Energiataso, jossa n-puolijohteen elektronit ovat, on rajoittunut (kvantittunut) korkeammalle energiatasolle kuin p-puolijohteen vapaat elektronipaikat. Kun aukko ja elektroni yhtyvät p-n rajapinnan (engl. junction) kohdalla, "putoaa" n-puolijohteen elektroni energiaa vapauttaen tältä korkealta tasolta p-puolijohteen aukkoon, jolloin aukko täyttyy.
p-puolijohteeseen siirtyneet elektronit saavat aikaan elektronien liikkeen pois p-puolijohteelta kohti tasavirtalähteen positiivista napaa ja niiden poistumiskohtiin muodostuu uusia aukkoja.
Kussakin putoamisessa vapautuvan energian täytyy muuntua energian säilymisperiaatteen mukaisesti johonkin muotoon: tämä energia muuttuu valona tai muuna säteilynä (esim. IR, UV) nähtäväksi fotoniksi ja usein vähäisessä määrin lämpöliikkeeksi.
Energiatasojen välinen ero on suhteellinen LEDin säteilyn aallonpituuteen: suuri ero tarkoittaa lyhyempää aallonpituutta (tai suurta taajuutta), jolloin valo on esim. sinistä. Punaisen valon kohdalla aallonpituus on suhteessa suurempi ja tasojen energiaero on siksi pienempi. Säteilyä vapautuu rajatulla aallonpituudella. Siksi monta eri aallonpituutta sisältävä valkoinen valo saadaan yksittäisessä LEDissä yleensä aikaan fosforesenssin avulla: tässä ilmiössä p-n rajapinnan välissä oleva tähän käyttöön sopiva materiaali absorboi rajatun aallonpituuden säteilyn ja vapauttaa sen hajauttavasti usealla eri aallonpituudella.

LEDien käyttö elektroniikassa

Ledejä voidaan käyttää joko suoraan tasajännitteellä virtaa rajoittavan etuvastuksen kanssa tai tasajännitepulsseja antavalla ohjaimella. Etuvastus kuluttaa osan tehosta, jolloin LEDistä ei saada maksimaalista hyötyä valotehossa. LEDi toimii vain oikein päin kytkettynä ja tasajännitteellä, eli anodille + (pidempi jalka) ja katodille – (lyhyempi jalka/lovi 5 mm LEDissä/usein täplä pintaliitos-LEDissä).

LED sarjavastuksella

Tavallisen halkaisijaltaan 5 millimetrin LEDin nimellisvirta on tyypillisesti 20 mA ja sen kynnysjännite on n. 1,7–3,7 V riippuen LEDin väristä. Valaistuskäyttöön tarkoitetuissa LEDeissä on yleensä useita LED-siruja sarjaan- ja rinnankytkettynä. Tämä kynnysjännitteen vaihtelu eri värien kohdalla johtuu LEDin sisällä olevien puolijohteiden eroista. Sarjavastusta laskettaessa tarvitaan tieto käytettävästä käyttöjännitteestä. Ensiksi lasketaan jännite, joka on jäätävä vastuksen yli, vähentämällä LEDin kynnysjännite käyttöjännitteestä. Sopiva vastus saadaan Ohmin lain avulla kaavasta: R = U/I, jossa R = vastus ohmeissa, U = edellä laskettu jännite volteissa, ja I = virta ampeereissa. Käytettäessä LEDiä täydellä teholla virta on yleensä 20 mA. LEDiä voidaan himmentää kasvattamalla vastusta. Käytettäessä korkeita jännitteitä tulee varmistaa myös vastuksen tehonkesto ja sähköturvallisuus.

LEDien edut

LEDit ovat valonlähteinä hehkulamppuun verrattuna erittäin pienikokoisia ja mekaanisesti kestäviä: niissä ei ole helposti rikki menevää lasikuorta eikä hehkulankaa. LEDit ovat myös oikein asennettuna pitkäikäisiä. Valkoisilla LEDeillä sininen valo muutetaan loisteaineen avulla osittain valkoisemmaksi. LEDien suhteellisen hyvä suuntaavuus tekee niistä myös sisustuksellisesti houkuttelevia valonlähteitä.
Pienet LED-merkkivalot tarvitsevat vain vähän virtaa, tyypillisesti alle 20 mA. Suuria niin kutsuttuja teho-LEDejä voidaan ajaa jopa 2,5 A virralla. Parhaimpien valkoisten, kirkkaiden LEDien hyötysuhde on parempi kuin loisteputkissa ja hehkulamppuihin verrattuna moninkertainen. LEDit luokitellaan huoltoa tarvitsemattomiksi ja niiden vaihtoväli on tyypillisesti yli 10 000 tuntia ja nykyään jopa 100 000 tuntia. Kestoikä määritellään tyypillisesti ajaksi, jonka kuluttua valoteho on pudonnut 70 prosenttiin alkuperäisestä tasosta. LEDin rikkoontuminen siten, että siitä ei tule valoa, on erittäin harvinaista, ja silloinkin se on yleensä vioittunut jonkin ulkopuolisen voiman vaikutuksesta.
LEDien syttymis- ja sammumisajat ovat kymmenien nanosekuntien pituisia, joten niillä voidaan helposti lähettää tietoa moduloimalla valoa. Näin tehdään esimerkiksi infrapunakaukosäätimissä. Pienitehoisten LEDien valmistaminen on halpaa, koska raaka-aineena on lähinnä muovia ja puolijohteita.
LEDit soveltuvat hyvin akkukäyttöisiin sovelluksiin. Nykyisin LED-valoja on saatavilla lähes kaikilla tyypillisillä valaisinkannoilla.

LEDien huonot puolet

Pienteho-LEDien valoteho ei ole kovin suuri, minkä vuoksi niitä käytetäänkin yleensä vain käsivalaisimissa. Saatavilla on kuitenkin jo suuritehoisia LEDejä, joissa valoteho yltää jopa yli 1000 luumeniin (27 watin LED). LED-valaisimien valotehokkuus on noin 75 luumenia wattia kohti. Valaistukseen sopivien LEDien hinnat ovat laskeneet voimakkaasti viime aikoina.
LEDin spektrikäyrä ei ole tasainen vaan sisältää suuria voimakkuuseroja. Tästä syystä valkoisen LEDin valo saattaa suuresti vääristää yksittäisiä värejä huolimatta kohtalaisen korkeasta värintoistoindeksistä.
Pienet LEDit eivät yleensä kestä korkeita lämpötiloja (yli 80 °C) eivätkä kosteutta. Perinteiset pienet LEDit eivät siis kestä esimerkiksi saunassa korkean lämpötilan takia, ellei niitä ole suunniteltu huolellisesti. Siksi useita LED-valoja ei suositella yli 45 °C:n lämpötiloihin, mikä merkitsee tavanomaisessa saunassa alle metrin korkeutta.
Nykyiset teho-LEDit kestävät jo yli 85 °C:n lämpötiloja. LEDien muihin valonlähteisiin verrattuna huono lämmönkesto on haaste valaistuskäytössä, ja huono valaisinsuunnittelu johtaa helposti lyhentyneeseen käyttöikään.
LEDit vaativat yleensä pieniä lisätoimenpiteitä asennettaessa ainakin hehkulamppuun verrattuna. Käyttöjännite on laskettava sopivaksi, ja LEDille menevä virta rajoitettava esimerkiksi sarjavastuksella. LED vaatii tasajännitettä toimiakseen. Parhaan hyötysuhteen valaisimet tarvitsevat ohjauselektroniikkaa kuten hakkurityyppisen vakiovirtalähteen.
LED ei hehkulampusta ja loisteputkesta poiketen varastoi käytännössä ollenkaan valoenergiaa, joten laitteissa joissa LEDin kirkkaudensäätö toteutetaan pulssitaajuusmodulaatiolla, saattaa nopeasti vilkkuva valo aiheuttaa silmäkipua tai päänsärkyä (esim. LCD-näytöt tai jotkin huonevalaistuksessa käytettävät lamput). Terveysongelmat voidaan yleensä kuitenkin välttää mikäli tehonsäätö tuotetaan korkeataajuuksisella kantoaallolla (esim. 20 kHz) tai käytetään kokonaan muunlaista tehonsäätöratkaisua.

Ajoneuvovalaistus

Hälytysajoneuvojen uudet vilkkuvalot toteutetaan yhä useammin LEDeillä, samoin liikennevalot. Jopa uusien autojen etuajovaloja valmistetaan LED-tekniikalla. Taka- ja sivuvaloissa LED-tekniikkaa on käytetty jo yli kymmenen vuotta. Haittapuolena on, että talvikäytössä LED-valojen kehittämä lämpö ei välttämättä riitä sulattamaan valojen päälle kertynyttä lunta ja voi aiheuttaa vaaratilanteita.
Polkupyörien valot ovat myös nykyään usein LEDejä. Pattereita säästääkseen näissä on yleensä mahdollisuus vilkuttaa valoa. LED-valoissa valon päälle laittaminen ei kuluta erikseen virtaa, joten vilkuttaminen pidentää pattereiden ikää.

Sisävalaistus

Yleisvalaistuksen lisäksi LEDejä käytetään muun muassa merkkivaloissa, valokylteissä, kohdevalaistuksena ja pienissä valaisimissa. Monet julkisten tilojen jättinäytöt on toteutettu LED-tekniikalla.

Ulkovalaistus

Suuritehoisilla LEDeillä voi toteuttaa isojakin valaisimia, käyttökohteena vaikkapa siltojen ja rakennusten julkisivujen yksityiskohtien korostus. Suomessa käytetään enenevässä määrin LED-valoja katulampuissa. Vanhoista monimetallikatulampuista pyritään eroon. Myös ulkoilmatapahtumissa käytetyt videoseinät on toteutettu LED-tekniikalla. LED-valaistuksella voidaan saavuttaa huoltoasemilla jopa 70 % säästö sähkönkulutuksessa perinteiseen loisteputkivalaistukseen verrattuna.

Kasvivalaistus

LED-valaisimen kokonaistehosta 75 % kuluu muuhun, esim. lämmöksi. Loput n. 25 % muuttuu valoksi, jonka kasvi voi käyttää hyväkseen lähes 100 prosenttisesti (fotosynteettisesti aktiivinen säteily, PAR: 400–700 nm).

Tiedonsiirto optisesti

LEDiä voidaan käyttää valokuituverkossa lähettimenä laservalon ohella. 
LED:ien avulla tapahtuvassa optisessa datansiirrossa vapaassa tilassa näkyvän valon tai lähi-infrapunavalon katkomisella voidaan saavuttaa 10 megabitin sekuntinopeus jopa kilometrien päähän, esimerkiksi RONJA tiedonsiirtostandardin avulla. Tämän kaltaiseen käyttöön tarkoitetuilta LEDeiltä halutaan suurta kirkkautta pinta-alaan tai tilavuuteen nähden, hyötysuhteen kustannuksella, jotta valo saadaan lähtemään mahdollisimman läheltä niin sanottua polttopistettä ja polttotasoa, ja säde siten saadaan fokusoitua mahdollisimman kapeaksi eli kulmaläpimitaltaan pieneksi.
Esimerkiksi Siemens on kehitellyt LED-järjestelmiä, jotka toimivat yhtä aikaa valaisimena ja datan lähettimenä 1-50 metrin säteellä eli vastaavassa tehtävässä kuin WLAN. Siinä käytetään dataa siirtävää valoa normaalisti valaisemiseen, eikä bittien moduloinnista johtuvaa valon katkonaisuutta huomaa koska välkkyminen tapahtuu miljoonia kertoja sekunnissa. Yksi nimitys tällaiselle järjestelmälle on Li-Fi.
Yleisin optinen tiedonsiirtotapa vapaassa tilassa on IrDA, jossa tiedonsiirtoon käytetään infrapunataajuuksisia LEDejä.