דיודה פולטת אור

דיודה פולטת אור (LED - Light-Emitting Diode) היא דיודה אשר בעת מעבר זרם חשמלי דרכה פולטת אור בספקטרום צר. דיודות מסוג זה הן הרכיב העיקרי בנוריות חיווי וכן בנורות לד, והן נמצאות גם בטלפונים סלולריים, בצגי טלוויזיה וצגי מחשב מסוימים, ובמכשירים אחרים.

היסטוריה

ב-1957 דיווח רובין בראונסטין (Rubin Braunstein), עובד RCA, על גילוי פליטת אור אינפרא אדום ממוליך למחצה מסוג גליום ארסניד.
ב-1962 רשמו שני חוקרים מחברת טקסס אינסטרומנטס פטנט על פיתוח דיודה פולטת אור אינפרא-אדום, שהתבססה על התרכובת. דיודות פולטות אור בספקטרום אינפרא אדום משמשות עד היום בהתקני שלט-רחוק. באותה שנה פיתחו ניק הולונייק ואולג לוסב את הדיודה הראשונה שפולטת אור בתחום האור הנראה. הדיודה פלטה אור אדום. ב-1972 פותחה דיודה הפולטת אור צהוב. הייצור שלהן החל בשנות השישים, בתחילה בצבע אדום, ובמחיר גבוה יחסית. דיודות אלו פלטו אור חלש יחסית, שהתאים בעיקר לשימוש כנורות בקרה וחיווי למכשור חשמלי, שעונים ומכשירים אחרים, אך לא לתאורה. בהמשך פותחו גם דיודות אור בצבעים אחרים, ומחירן הוזל מאוד.
עד שנות השבעים ניתן היה לייצר דיודות אור בצבעים ירוק, אדום, תת אדום, כתום וצהוב. כיום, עם ההתפתחות הטכנולוגית, ניתן לייצר דיודות שיפלטו אור בצבעי התחום הנראה, בתחום התת-אדום ובתחום העל-סגול. כדי לייצר אור לבן, נדרש היה פיתוח של לד לאור כחול. ב-1972, הרברט פאול מארושקה מה-RCA, פיתח את הדיודה הראשונה שפולטת אור בצבע כחול מסוג גליום ניטריד. בשנת 1989, חברת Cree פיתחה דיודות אור כחולות מסוג צורן קרביד שאפשרו לייצר דיודות RGB ואף אור לבן משילוב שלושת הצבעים. אולם רק עם פיתוח דיודות פולטת אור כחולות בבהירות גבוהה ביפן בתחילת שנות התשעים על ידי שוג'י נאקאמורה, הירושי אמאנו, ואיסאמו אקסאקי, התאפשר לקראת סוף העשור פיתוחן של דיודות פולטות-אור לבנות, המורכבות מדיודה כחולה וציפוי זרחני צהוב שיוצרים ביחד אור לבן, בעוצמה מספקת כדי לשמש לתאורה, ולייצור של נורות לד שיחליפו את נורות הליבון הוותיקות. למרות היתרונות העיקריים עליהם מצהירים יצרני התאורה ביחס לנורות אלה, הכוללים נצילות אורית גבוהה ואורך חיים משוער שיכול להגיע ל-60,000 שעות פעולה, בפועל מסיימות רבות מנורות ה-LED את חייהן כבר לאחר מספר שנים בודדות, ועוצמת התאורה שלהן חלשה מזו המוצהרת על ידי היצרן.
למרות ששוג'י נאקאמורה, הירושי אמאנו, ואיסאמו אקסאקי אינם אלו שהמציאו את נורת ה-LED הכחולה, אלא תרמו להפיכתה למוצר מסחרי (כשם שתומאס אדיסון לא המציא את הנורה החשמלית), הם זכו בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2014 על הישג זה. זהו הפיתוח הראשון בהיסטוריה בתחום התאורה שזוכה להכרה על ידי פרס נובל. מדענים אחרים, שעסקו בפיתוחים לא פחות חשובים (ואולי אף חשובים יותר מהמצאת ה-LED הכחול) בתחום התאורה (כדוגמת תומאס אדיסון, שהפך את התאורה החשמלית לנחלת הכלל, האמפרי דייווי, שהיה הראשון שגילה את הקשת החשמלית, שאיפשרה את פיתוח הנורה הפלואורסצנטית ונורות פריקה אחרות, ניק הולונייק ואולג לוסב, ממציאי נורת ה-LED הראשונה שפלטה אור בתחום האור הנראה, וכן הרברט פאול מארושקה, ממציא נורת ה-LED הכחולה בפועל), מעולם לא זכו בפרס נובל. בנוסף, זהו גם אחד מההישגים הטכנולוגיים הבודדים בהיסטוריה שזכה להכרה על ידי פרס נובל, שאיננו כולל פרס בתחום הטכנולוגיה (הפרס המקביל לנובל בתחום הטכנולוגיה הוא פרס טכנולוגיית המילניום [באנגלית: Millenium Technology Prize]).

עקרון הפעולה

נורת ה-LED היא דיודה בעלת תכונות ייחודיות. בדומה לדיודה רגילה, הדיודה פולטת האור כוללת מוליך למחצה, שייחודו בפליטת אור לא קוהרנטי. ספקטרום האור נקבע בהתאם לתרכובת המוליך למחצה.
המוליך למחצה שבדיודה עבר זיהום על מנת ליצור בו צומת p-n. בדומה לדיודה סטנדרטית, הזרם החשמלי ב-LED יזרום בממתח קדמי מצד ה-p לצד ה-n, אך לא יזרום בכיוון ההפוך כאשר הדיודה בממתח אחורי. נושאי מטען (אלקטרונים וחורים) יסחפו אל תוך הצומת כתוצאה מהממתח הקדמי שמופעל על הדיודה. ברגע שאלקטרון יפגוש חור, הוא יאבד מהאנרגיה שלו וייפול למצב אנרגטי נמוך יותר.
המיוחד ב־LED לעומת דיודה סטנדרטית, הוא שישנו פער אנרגטי ישיר בין נקודת השיא האנרגטית בפס הערכיות לבין השפל האנרגטי בפס ההולכה של המוליך למחצה. משמעות הפער האנרגטי הישיר היא שהאלקטרון יכול ליפול מפס ההולכה לפס הערכיות תוך כדי שימור התנע שלו ופליטת פוטון בעל אנרגיה המתאימה לפער אנרגיה זה - כלומר הדיודה תפלוט אור כשהיא נמצאת בממתח קדמי.

מיחזור

כמו בכל מוצר אלקטרוני, נורות וגופי תאורה של LED מכילות רכיבים אלקטרונים רבים שייצורם מזהם מאוד את הסביבה והן מהוות פסולת אלקטרונית בעת השלכתן. כמו כן, רוב נורות ה-LED עשויות מפלסטיק שייצורו דורש נפט (בניגוד לזכוכית וקוורץ שאינם דורשים שימוש בחומרים מזהמים בעת הייצור), ואשר מהווה אף הוא סכנה לסביבה. לכן אין להשליך את הנורות יחד עם שאר האשפה, אלא לפנות אותן למיחזור אלקטרוניקה.