Valgusdiood

Valgusdiood on pn-siirdega diood, mis muundab elektrienergiat nähtavaks valguseks, samuti optiliseks kiirguseks spektri infrapunases või ultravioletses osas.
Valgusdioodi kohta kasutatakse rahvusvahelist lühendit LED (inglise keelest "light-emitting diode" – valgust kiirgav diood) ja eestikeelset mugandust leed (viimast peamiselt leedlambi tähenduses).
Õige suurusega päripinge rakendamisel elektroodidele hakkab valgusdiood kiirgama kindla lainepikkusega valgust, mis sõltub kestast ja teistest koostiselementidest, mida diood sisaldab. Valgusdioodil on nagu tavalisel dioodilgi kaks kontakti – anood ja katood. Valgusdioodi tingmärgi juures tähistab anoodi plussmärk (+) ja katoodi miinusmärk (–).
Päripingestamisel rakendatakse LED-i anoodile positiivne ja katoodile negatiivne pinge. Muul juhul valgusdiood ei sütti. LED-i päripinge sõltub selle värvusest – pikema lainepikkusega LED-ide (punased) puhul on see suurusjärgus 2 V, lühema lainepikkusega (sinised) on see ~3 V.
Tavaliselt on LED-ide võimsus mõnikümmend millivatti, millest tulenevalt peab ka vool samas suurusjärgus olema. Suurema pinge või voolu rakendamisel LED-ile võib selle lihtsalt läbi põletada.
Varasemad LED-id kiirgasid väikese intensiivsusega punast valgust, kuid tänapäeva valgusdioodid on saadaval juba erinevates lainepikkustes, mis kiirgavad infrapunavalgusest ultraviolettvalguseni, omades sealjuures väga kõrget eredusastet.
Valgusdioode kasutatakse indikaatoritena mitmesugustes elektroonikaseadmetes: televiisori- ja raadiojuhtpultides infrapunasaatjana ja mujal.
Valgusdiood-pooljuhte kasutatakse veel näiteks uuemates foorides või elektrooniliselt juhitavates liiklusmärkides raudteejaamades, lennujaama terminalides ja infotabloodel. Suuremõõtmelised videoekraanid ja suur valik igasuguseid vahendeid valgustatud reklaamstendidel on samuti koht, kus leidub dioode. LED-e kasutatakse ka vähiravis ravimiaktiveerijana (valgusteraapia) ja kosmoselaevades taimelavade valgustitena.
Tehnoloogia arenedes leiavad valgusdioodid järjest rohkem rakendust erinevates arvutiriistvara- ja meediaseadmetes (orgaanilistel valgusdioodidel põhinevad lameekraanid tava- ja taskuelektroonika seadmetes, välgud fotoaparaatides ja nutitelefonides).
Ajalugu.
Avastused ja varasemad leiutised.
Elektroluminestsentsi kui nähtuse avastas inglasest eksperimenteerija H. J. Round 1907. aastal Marconi laboris, kasutades ränikarbiidkristalli ja "cat’s-whisker" kristallidetektorit.
Venelane Oleg Lossev esitles esimese valgusdioodi loomist 1927. aastal. Tema uurimistöö avaldati vene-, saksa- ja ingliskeelsetes teadusajakirjades, kuid siiski ei leidnud see avastus mitme järgmise aastakümne jooksul praktilist kasutust.
Rubin Braunstein RCA-st esitles infrapunavalguse eraldumist galliumarseniidist (GaAs) ja teistest poojuhtsulamitest 1955. aastal. 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.
1961. aastal 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 töötas välja Nick Holonyak juunior 1962. aastal General Electric Companys. Holonyaki peetakse valgusdioodi isaks. M. George Craford, Holonyaki õpilane, leiutas 1972. aastal kollase LED-i ning parandas punase ja punase-oranži valgusdioodi eredusväärtusi kümnekordselt. Aastal 1976 lõi T. P. Pearsall esimesed väga eredad, suure 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 Corporationist. Sinise valgusdioodi leiutamine viis varsti ka valge valgusdioodi loomiseni 1990. aastatel.
Kuni 1968. aastani 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 1968. aastal 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 innovaatiliste 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 1962. aastal. 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. Suure 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 keerukamaks. Suure võimsusega valgusdioodid ("High Power LED") sarnanevad varasema aja LED-idega väga vähe.
Jätkuv areng.
Esimest suure heledusega sinist LED-i demonstreeris Nichia Corporationis töötav Shuji Nakamura, kes sai selle leiutise eest 2006. aastal . See valgusdiood baseerus keemilisel ühendil InGaN. 1995. aastal uuris Alberto Barbieri Cardiffi Ülikooli laboris suure 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 suure 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 kasvanud eksponentsiaalselt, kasutegur ja valguse kiirguse kasv on kahekordistunud pea iga kolme aasta järel – seda 1960. aastast 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.
Valgusdioodi ehitus ja tööpõhimõte.
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.
Kest/korpus.
Kapseldusmaterjalidena kasutatakse peamiselt epoksüvaiku, polümetüülmetakrülaate (PMMA) ja silikoone.
Üldjuhul on valgusdioodi pooljuhtidest osad uputatud kestamaterjali sisse, mis täidab järgmisi eesmärke:
Kesta ülesanne on veel võimendada ja suunata või hajutada valguse kiirgust, mille saavutamiseks antakse kestale vastav kuju (poolkerakujuline, silindriline või kandiline jne)
Värvid ja materjalid.
Järgmine tabel annab ülevaate suurema levikuga valgusdioodide värvidest ja nende valmistamiseks kasutatavatest pooljuhtmaterjalidest. Lisaks on toodud välja ka lainepikkuste vahemikud ja kasutatavad pinged.
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.
Väärarvamused LED-ide kohta.
Tegelikult ei tohiks üle 70-kraadises keskkonnas valgusdioode kasutada – nende eluiga lüheneb märgatavalt. Ehk siis, kui kasutada saunas, siis põranda lähedal või pole mõtet oodata pooltki lubatud elueast. 
Teoreetiliselt lubatakse võimsamate (1 W ja enam) LED-ide keskmiseks elueaks enamjaolt kuni 50 000 tundi. Keskmise eluea möödudes on aga LED-id on kaotanud 30–50% oma kiirgusvõimest. Praktikas ei õnnestu sellist tööiga saavutada isegi parimate tootjate seadmetel, sest reaalsed kasutustingimused erinevad märgatavalt testtingimustest tehastes. 
Samuti on LED-i tööiga lühem tundmatute tootjate toodetud seadmetel. Näiteks juhtudel, kus pole piisavalt tähelepanu pööratud toiteploki ja jahutuse stabiilsusele, mis tingib LED-i märgatava eluea vähenemise. 
Reaalselt ei ületa LED-i elektriline kasutegur 50–60%, isegi uuemate ja kvaliteetsemate LED-ide korral. See tähendab, et vähemalt pool tarbitud energiast läheb soojuseks. Kodukasutuses olevate, alla 10 W LED-ide korral, pole toatemperatuuril see probleemiks, kuid suuremate võimsuste korral tuleb tekkinud soojuse ärajuhtimiseks kasutada ventilaatoreid.