Światło, które nie powinno istnieć

[rafal2808]

Bliższe spojrzenie na wyświetlacz M830 wyprodukowany przez Nationa Semiconductor.

Trzeba przyznać, że diody LED mają coś w sobie, zwłaszcza w takiej formie. Fotografia ta jest niczym innym, jak bliższym spojrzeniem na pojedyncze cyfry wiekowego już wyświetlacza M830 firmy National Semiconductor. Choć stwierdzenie, że jest to tylko wyświetlacz, jest pewnym uproszczeniem, w rzeczywistości moduł ten okazał się czymś więcej i możecie o tym przeczytać w jednym z moich artykułów „Wyświetlacz, który okazał się czymś więcej”.

Niezależnie jednak czy jest to „moduł” czy tylko wyświetlacz to jego integralną częścią jest kilka półprzewodnikowych elementów świecących umieszczonych na szklano-żywicznym laminacie. Każdy z nich zawiera w rzeczywistości osiem bloków emitujących fotony, ułożonych w klasyczny krój cyfry wraz z towarzyszącym znakiem kropki. Co więcej, każdy z krzemowych elementów połączony jest niewielkim drucikiem z metalowymi ścieżkami sterującymi, ale co warto zauważyć, jedno z wyprowadzeń półprzewodnika umieszczono na jego spodzie i połączono z widocznymi tuż obok segmentów przelotkami. 

Konstrukcja ta wygląda całkiem ciekawie, na swój sposób enigmatycznie. Zastanawiający może być sposób jej wykonania, czy też sterowania, ale jednym z pytań, na które nie da się tak wprost odpowiedzieć to, dlaczego w ogóle taki wyświetlacz świeci? Jak to możliwe, że wyraźnie widzimy liczbę 0.36?

Zbliżenie na pojedynczą cyfrę wyświetlacza.

Może wystarczy spojrzeć na taki wyświetlacz z jeszcze bliższej perspektywy i w ten sposób dowiedzieć się co tak naprawdę tutaj świeci. Na wykonanej przeze mnie mikroskopowej fotografii możecie zobaczyć pojedynczą cyfrę w jeszcze bliższej perspektywie. Pozwala ona nieco dokładniej przyjrzeć się konstrukcji takiego wyświetlacza. Jak widać, wspomniane wcześniej świecące segmenty zbudowane są tak naprawdę z kilku subsegmentów, rozdzielonych umieszczoną wyżej warstwą przewodzącą, do której przytwierdzone są metalowe druciki. Poza tym na samej powierzchni półprzewodnika znalazło się tez miejsce dla literki „N”, pełniącej rolę oznaczenia National Semiconductor. 

Przybliżenie pojedynczego segmentu wyświetlacza. 

Na pojedynczy świecący segment możemy spojrzeć jeszcze dokładniej i co by nie mówić to według mnie to „coś” kompletnie nie przypomina konstrukcji, która miałaby świecić. Wygląda to, jak pewna warstwa innego materiału naniesiona na krzem, bądź też jak obszar innego typu domieszkowania, ale nie jak coś, co pod wpływem przepływających nośników ładunku elektrycznego mogłoby emitować fotony. 

Tak to jest z diodami czy też wyświetlaczami LED, potrafimy nimi sterować, obserwować emitowane światło, ale w gruncie rzeczy określenie, dlaczego coś na kawałku krzemu świeci, nie jest takie proste. Nie da się wprost wskazać żarnika, tak jak w klasycznej wolframowej żarówce, którego działanie, czy też spalanie się można dość prosto opisać. W świecie półprzewodników wygląda to nieco bardziej skomplikowanie, dlatego w tym artykule przyjrzymy się diodom LED, ich powstaniu, działaniu oraz niesamowitej historii związanej ze światłem niebieskim. 

 

Blask z ciemności 

Współczesna wizualizacja eksperymentu z węglikiem krzemu. (Źródło)

Podczas badania niesymetrycznego przepływu prądu przez styk węglika krzemu i innych substancji zaobserwowano interesujące zjawisko. Po przyłożeniu napięcia 10 woltów między dwa punkty kryształu węglika krzemu kryształ emitował żółtawą poświatę. Zaledwie jeden lub dwa okazy dawały jasne świecenie przy tak niskim napięciu, lecz przy 110 woltach można było znaleźć wiele kryształów, które zaczynały świecić. W niektórych kryształach światło pojawiało się tylko na krawędziach, a w innych zamiast żółtej barwy występowała zielona, pomarańczowa lub niebieska. We wszystkich zbadanych przypadkach poświata zdawała się pochodzić od bieguna ujemnego, natomiast przy biegunie dodatnim widoczna była jasna, niebiesko-zielona iskra. W pojedynczym krysztale, jeśli styk z biegunem ujemnym umieszczono w okolicy środka, a biegun dodatni przykładano w dowolnym innym miejscu, świecił tylko jeden określony fragment kryształu — zawsze ten sam, niezależnie od położenia bieguna dodatniego.

Wydaje się, że istnieje pewien związek między opisanym zjawiskiem a siłą elektromotoryczną wytwarzaną w złączu węglika krzemu z innym przewodnikiem, gdy nagrzewa się je prądem stałym lub zmiennym. Może to być jednak związek jedynie wtórny, ponieważ oczywistym wyjaśnieniem powstawania tej siły elektromotorycznej jest zjawisko termoelektryczne. Autor byłby wdzięczny za wskazanie jakichkolwiek publikacji opisujących badania tego lub pokrewnych efektów.

Tłumaczenie artykułu opublikowanego w 1907 roku w czasopiśmie Electrical World. (Źródło)

Pierwszym człowiekiem, który opisał zjawisko elektroluminescencji, był Henry Joseph Round, pracujący w brytyjskim Marconi Labs. Korzystając z tak zwanego „detektora kryształów”, urządzenia wykorzystywanego na początku XX wieku w odbiornikach radiowych zauważył, że przepuszczając prąd przez kryształ korborundu, czyli węglika krzemu można zauważyć delikatne światło. To zależało przede wszystkim od przyłożonego napięcia, ułożenia elektrod, ale też i czystości samego materiału. Round opublikował artykuł opisujący zaobserwowane zjawisko w czasopiśmie Electrical World, którego przetłumaczony fragment możecie przeczytać powyżej. Wydaje się jednak, że odkrycie to nie wzbudziło w branży większego zainteresowania. A przynajmniej nie udało mi się znaleźć jakichkolwiek informacji, aby ktoś inny prowadził w tamtym czasie podobne badania bądź eksperymenty.

Radziecki propagandowy plakat z wizerunkiem Olega Losev. (Źródło)

Na kolejne naukowe potwierdzenie zjawiska elektroluminescencji świat musiał poczekać około 20 lat. W 1927 roku radziecki naukowiec Oleg Losev korzystając podobnie jak Round z węglika krzemu, ale z dodatkiem tlenku cynku, zaobserwował, że kryształy tego typu mogą emitować zielonkawe światło. Jego intensywność nie była zbyt duża, nawet w promowaniu z ówcześnie stosowanymi lampami, ale najważniejszy był fakt, że Losev potrafił udowodnić, że emitowane fotony nie są dziełem przypadku, czy też warunków termicznych, jak wskazywało wielu uczonych. Radziecki uczony opracował w ten sposób pierwszy elektroniczny element, który moglibyśmy określić diodą LED, przeszkodą okazało się jednak państwo, które jak mawia żartobliwa anegdota – dumnie przezwyciężało problemy, które samo stwarzało. Swoboda prowadzenie badań naukowych w Rosji lat XX, była lekko mówiąc niewielka. Wszelkie tego typu działania musiały być zgodne z linią partii, a niestety partyjna nomenklatura nieszczególnie interesowała się szalonym naukowcem i jego świecącymi kryształami. Mimo to Losev publikuje szereg artykułów opisujących swój wynalazek, jak i zjawiska dokumentujące jego działanie, te ze względu na radziecki izolacjonizm pozostają szerzej nieznane, ale w przyszłości odegrają sporą rolę. 

W kolejnych latach wielu inżynierów nadal eksperymentowało z półprzewodnikami, które mógłby emitować fotony. W ten sposób opracowano struktury bazujące na antymonku galu, fosforku indu, czy też stopach krzemowo-germanowych. Ciekawym efektem badań było też skonstruowanie prostego łącza optycznego. Muzykę odtwarzaną z gramofonu przekierowano na diodę wykonaną z antymonku galu, której świecenie odpowiadało odtwarzanym dźwiękom. Rolę odbiornika pełniła struktura z siarczku ołowiu, reagowała ona na emitowane światło, a powstały sygnał elektryczny po wzmocnieniu sterował dołączonym do urządzenia głośnikiem. 

Pierwsze komercyjne diody LED – SNX-100 i SNX-110. (Źródło)

Na prawdziwy przełom w branży świecących półprzewodników świat musiał poczekać do początku lat 60. XX wieku. To wówczas we wrześniu 1961 roku James R. Biard i Gary Pittman, pracujący w filii Texas Instruments w Dallas, badali zachowanie wcześniej skonstruowanej diody tunelowej wykonanej z arsenku galu. Ku ich zaskoczeniu podczas jednego z eksperymentów półprzewodnik zaczęło emitować światło podczerwone, o długości fali około 900nm. Nie był to efekt zaplanowany, wszakże nikt wcześniej nie budował świecących diod tunelowych, ale obserwacja ta zainspirowała badaczy, aby przyjrzeć się temu zjawisku nieco dokładniej.

W ciągu kilku kolejnych tygodni dwójka badaczy, studiując pracę wspomnianego wcześniej Olega Losev, opracowała w pełni funkcjonalną diodę LED. Emitowała ona światło podczerwone i połączona była z półprzewodnikowym fotodetektorem, tworząc coś na kształt dzisiejszych transoptorów.

8 sierpnia 1962 roku Biard i Pittman złożyli wniosek patentowy zatytułowany „Semiconductor Radiant Diode”. Opisywał on diodę LED, w której warstwa rozproszonego cynku oraz specjalnie zaprojektowany punkt styku katody pozwalały na emitowanie podczerwieni przy nawet niewielkim napięciu. W ten sposób patent US3293513 trafił do dwójki amerykańskich uczonych, rozpoczynając tym samym historię współczesnych diod LED. 

Laboratorium Texas Instruments w Dallas lata 60/70. (Źródło)

Równolegle z pracami badawczo-rozwojowymi w Texas Instruments rozpoczęto pracę nad wdrożeniem masowej produkcji nowego typu produktów. Chwilę po złożeniu dokumentów patentowych, bo już w październiku 1962 roku ogłoszono pierwszy komercyjny model diody LED – SNX-100, która emitowała światło podczerwone o długości fali 890nm. Rok później firma zaprezentowała kolejną nowość – SNX-110, pierwszą dostępną w sprzedaży półkulistą diodę o nieco większej obudowie.

 

Pierwsza fala komercjalizacji 

Nick Holonyak (Żródło)

Ujarzmienie podczerwieni było naprawdę dużym osiągnięciem, ale walka o świecące półprzewodniki dopiero się zaczynała. W latach 60. XX wieku wiele laboratoriów zaczęło ścigać się o pierwszą diodę LED emitującą światło widzialne. 9 października 1962 roku Nick Holonyak, pracujący dla General Electric w Syracuse, zaprezentował urządzenie wykonane z mieszanki arsenku, fosforku i galu. Był to pierwszy półprzewodnikowy laser, który emitował światło widzialne, choć tylko w niskich temperaturach. W temperaturze pokojowej nadal funkcjonował, ale jego światło było znacznie bardziej rozproszone i słabsze, co jednak nie przeszkodziło, aby tego typu półprzewodnik stał się pierwszą czerwoną diodą LED. Element opracowany przez Holonyaka był podstawą pierwszej fali komercyjnych diod emitujących światło widzialne.

George Craford (Źródło)

„To świetnie, że macie żółte diody, ale nasi klienci są bardzo zadowoleni z czerwonych. Kto potrzebuje innych kolorów?” Jak wspomina George Craford, początkowy zachwyt rynku czerwonymi diodami LED był tak duży, że wielu komercyjnych sprzedawców kwestionowało sensowność badań nad elementami, które mógłby emitować światło w innych zakresach. Mimo tego badania nad nowymi typami diod LED nadal trwały. W 1972 roku wspomniany George Craford, laureat nagrody Królowej Elżbiety w dziedzinie inżynierii i współpracownik Nicka Holonyaka opracował element emitujący światło żółte, które było efektem zastosowania stopu arsenku galu i fosforku galu. Poza tym udoskonalił on dostępną już na rynku diodę czerwoną, zwiększając jej jasność prawie dziesięciokrotnie. 

Czerwone, żółte, czy też zielone diody LED opracowane w podobnym czasie dość szybko stały się branżowym standardem, chętnie wykorzystywanym przez producentów elektronicznego sprzętu. Świecące półprzewodnikowe struktury pełniły rolę wskaźników, kontrolek, czy też zebrane w większe bloki działały jako wyświetlacze, podobnie jak moduł, który pokazałem wam na samym początku tego materiału. Jednak mimo tego badacze i inżynierowie zdawali sobie sprawę z pewnego problemu, na którego rozwiązanie świat musiał poczekać jeszcze kilkanaście lat.   

 

Problem koloru niebieskiego

Struktura ultrafioletowej diody LED przy granicy napięcia przewodzenia. Warto zwrócić uwagę na nierównomierne świecenie – obszary białe lub bardziej szare. 

Lata 60. i 70. XX wieku to wyścig między największymi korporacjami takim jak IBM, Matsushita, RCA, czy też Bell Labs, na którego mecie był patent na niebieską diodę LED. Jej opracowanie wydawało się wręcz niemożliwe, ale z drugiej strony też niezbędne. Dysponując kolorem czerwonym i zielonym paleta barw, które można było dzięki nim uzyskać, była znacznie ograniczona. Poza tym celem była też biała barwa światła, która potrzebowała wszystkich trzech kolorów podstawowych. Wróżono, że w przyszłości białe struktury półprzewodnikowe będą mogły zastąpić klasyczne żarówki, choć nie każdy tak sądził. Wspomnieć można tutaj wypowiedź dyrektora firmy Monsanto MacLeoda, według którego – diody nigdy nie zastąpią oświetlenia kuchennego, stosować będziemy je tylko w deskach rozdzielczych samochodów, czy też wieżach stereo. Z dzisiejszej perspektywy brzmi to oczywiście zabawnie, ale jest dobrym przykładem, jak trudno jest przewidywać przyszłość. 

Historia niebieskiej diody LED zaczyna się od pewnego japońskiego badacza imieniem Shuji Nakamura. Pracował on w niewielkiej firmie Nichia wywodzącej się z branży chemicznej, która produkowała również czerwone i zielone diody LED. Jednak pod koniec lat 80. XX wieku sytuacja tego przedsiębiorstwa nie była zbyt dobra. Niewielkiej firmie trudno było konkurować z branżowymi gigantami, produkującymi półprzewodniki na masową skalę. Pracując w dziale badawczo-rozwojowym Nakamura nie był pewny swojej przyszłości. Z jednej strony oczekiwano od niego opracowania czegoś przełomowego, z drugiej jednak podkreślano, że prowadzone badania to tylko strata pieniędzy. 

W 1988 roku kierownictwo Nichia zarządza zakończenie wszelkich prac badawczych, podstawiony pod ścianą Japończyk stawia wszystko na jedną kartę. Udaje się do prezesa firmy Nebuo Ogawy z dość szalonym pomysłem opracowania niebieskiej diody LED. Odczucia prezesa firmy są dość mieszane, zastanawia się on jakim cudem jeden inżynier będzie w stanie zbudować coś, z czym nie poradziły sobie dotąd największe światowe korporacje. Jednak mimo tek zgadza się, oferując Nakamurze budżet w wysokości około 500 milionów jenów, mniej więcej 3 miliony dolarów. Była to ogromna kwota stanowiąca 15% rocznych zysków firmy. 

Komora współczesnej maszyny MOCVD. (Źródło)

Pierwszym krokiem japońskiego badacza było udanie się do Stanów Zjednoczonych, a dokładniej na Florydę, gdzie miał on zaznajomić się z procesem uzyskiwania czystego krzemowego podłoża. Niezależnie od typu diody to było niezbędne, każde zaburzenie w strukturze atomowej pogarszało właściwości półprzewodnika, czego efektem były straty cieplne. Nakamura spędził rok w laboratorium stosującym metodę MOCVD. Jest ona stosowana po dziś dzień i polega na wstrzykiwaniu do komory temperaturowej krystalicznego krzemu, który osiada, na wcześniej przygotowanym podłożu. Niestety zważywszy na fakt, że Nakamura nie jest doktorem, inni pracownicy traktują go jak zwyczajnego technika. Nie może on pracować na sprawnych maszynach MOCVD, a jedynie naprawiać te, które wcześniej uległy awarii.  

W 1989 roku Japończyk wraca do kraju kwitnącej wiśni z dokumentami potwierdzającymi zamówienie na komorę MOCVD dla Nichia, jak i pewnym wyjątkowym doświadczeniem. Jak sam wspominał, fakt, że wszystkiego musiał uczyć się tak naprawdę na własną rękę, pozwoliło mu spojrzeć na proces produkcji krzemowego podłoża w unikalny sposób. 

W tamtym czasie naukowcy uważali, że potencjalnym materiałem, który w przyszłości posłuży do zbudowania niebieskiej diody, będzie selenek cynku lub azotek galu. Pierwszy z nich charakteryzował się znacznie lepszym dopasowaniem, domieszkowanie w komorze MOCVD pozwalało uzyskać materiał niemal doskonały w strukturze ułożenia atomów. Ponadto wiedziano już jak uzyskać półprzewodnik typu N, ale prace nad typem P nadal trwały. Z drugiej strony azotek galu wydawał się mieć mniejszy potencjał. Podobnie wiedziano, jak uzyskać obszar o większej liczbie elektronów, ale sam sposób domieszkowanie był mało dokładny, a uzyskany półprzewodnik nie był tak doskonały, jak w przypadku selenku cynku. 

Nakamura zdecydował się jednak wybrać materiał o mniejszym potencjale przede wszystkim przez fakt, że ten cieszył się mniejszym zainteresowaniem. Japończyk planował wydanie co najmniej pięciu artykułów opisujących ten rodzaj materiału, co pozwoliłby mu uzyskać doktorat. W tamtych czasach było to możliwe właśnie w ten sposób. 

Dioda opracowana w laboratorium RCA. (Źródło)

Poza tym azotek galu miał jeszcze jedną zaletę. W 1972 roku Amerykanin Herbert Maruska pracujący w laboratorium RCA wykorzystał ten materiał do zbudowania tak naprawdę pierwszej niebieskiej diody LED. Ta jednak była bardzo niedoskonałą, a jej światło było bardzo słabe. Inżynierowie nie wiedzieli, jak rozwiązać ten problem, dlatego zarząd RCA anulował ten projekt, traktując go jako ślepą uliczkę. 

Równoległe pracę nad azotkiem galu prowadziła także dwójka doktorów – Isamu Arasaki i Hiroshi Amano. Rozwiązali oni problem niedoskonałej struktury półprzewodnika, stosując tak zwaną warstwę buforową z azotku glinu umieszczoną między szafirowym podłożem a azotkiem galu. Proces ten jednak był dość problematyczny, ówczesne maszyny MOCVD nie radziły sobie zbyt dobrze z nanoszeniem tego typu materiału buforowego. Nakamura również eksperymentował z nanoszeniem azotku glinu, ale efekty były dość mierne, dlatego badacz postanowił zbudować własną maszynę MOCVD. 

Pomysł był taki, aby do komory temperaturowej dodać druga dyszę. Gdy napylana była warstwa buforowa, azotek glinu mieszał się ze wszelkimi innymi cząsteczkami tworząc zanieczyszczenia. Dlatego zadaniem drugiej dyszy było utworzyć strumień ochronnego, obojętnego gazu, który kierowałby azotek glinu bezpośrednio na szafirowe szkło. Nakamura zdecydował się wykorzystać azot i wodór, co było strzałem w dziesiątkę. Zmodyfikowana maszyna pozwoliła uzyskać próbki, których ruchliwość nośników ładunku była znacznie większa. Co więcej, Nakamura postanowił sprawdzić, czy warstwa buforowa może być całkowicie wyeliminowana lub chociaż zastąpiona przez dodatkową powłokę z azotku galu. To również okazało się działać, w ten sposób Japończyk uzyskał niemal doskonały półprzewodnik. 

Wydawał się, że wszystko zmierza w dobrym kierunku, ale początek lat 90. to też moment, gdy ze stanowiska prezesa Nichii rezygnuje Nebuo Ogawa. Zastępuje go jego zięć EIji Ogawa i natychmiast każe porzucić projekt niebieskiej diody LED. Co ciekawe Nakamura postanawia kompletnie zignorować to polecenie i pracować dalej, co więcej publikuje on swój pierwszy artykuł opisujący własną maszynę MOCVD. 

Jednak, aby opracować nowy typ diody, należało rozwiązać jeszcze jeden problem – jak uzyskać półprzewodnik typu P. Tutaj również Nakamura skupił się na wnioskach przygotowanych przez Arasakiego i Amanogiego. W swojej pracy eksperymentowali oni z domieszkom magnezu, którą w kolejnym kroku bombardowano wiązką elektronów. Proces ten pozwalał uzyskać materiał o większej ilości dodatnich nośników ładunku, ale był bardzo powolny, nienadający się do zastosowania w seryjnej produkcji. Japończyk postanowił spróbować innego rozwiązania i domieszkowany magnezem półprzewodnik podgrzał do temperatury około 400°C. Przyniosło to efekt identyczny jak bombardowanie elektronami, a co warto zauważyć, proces ten był niezwykle prosty i skalowalny. 

W ten sposób Nakamura miał już praktycznie wszystko, aby zbudować pierwszy prototypu niebieskiej diody LED. Ten ujrzał światło dzienne na konferencji w St. Louis w 1992 roku. Słuchający zgromadzeni na Sali, byli pod ogromnym wrażeniem osiągnięcia japońskiego badacz, nagradzając go owacjami na stojąco. 

Trzeba jednak pamiętać, że był to nadal prototyp, którego jasność nie była zbyt wielka, wynosiła około 42mW, gdzie za przyzwoity poziom emisji fotonów uznaje się wartość 1000mW. Jasność świecenia diody zależy w dużej mierze od miejsca styku dwóch typów półprzewodnika, a dokładniej od szerokości warstwy, którą muszą przekroczyć elektrony. Nakamura musiał znaleźć jeszcze sposób, w jaki można by jak najbardziej zmniejszyć ta warstwę. W toku eksperymentów zdecydował się na dodanie kolejnej warstwy półprzewodnika. Tym razem był to azotek indu. W tamtym czasie uważano, że materiał ten niespecjalnie łączy się z azotkiem galu, tak jak woda i olej, ale Japończyk miał na to rozwiązanie. Tak jak wcześniej dodatków dysza w maszynie MOCVD służyła do tworzenia gazowego płaszcza, tak tym razem za jej pomocą rozpylany był ind, z nadzieją, że jak najwięcej jego cząsteczek osiądzie na materiale półprzewodnikowym.   

Shuji Nakamura trzymający niebieską diodę LED. (Źródło)

Rozwiązanie to okazało się skuteczne, eliminując problem niewielkiej jasności. Ostatecznie struktura niebieskiej diody LED okazała znacznie bardziej skomplikowana niż początkowo mógłby się wydawać, ale jej opracowanie było początkiem prawdziwej rewolucji w dziedzinie oświetlenia.  

„Miałem wrażenie, że dotarłem na szczyt góry Fuji” – Shuji Nakamura

 

Skąd się bierze światło?

Struktura diody LED, przy minimalnym napięciu, tak aby zaobserwować zielone światło.

Artykuł ten rozpocząłem od dość ogólnego pytania, dlaczego tak naprawdę diody LED świecą? Chcąc to zrozumieć, musimy zejść niemal do struktury atomowej półprzewodnika. Niezależnie od typu diody podstawowym jej budulcem jest krzemu, który jednak sam w sobie nie jest szczególnie fascynujący. Pierwsze skrzypce gra tutaj materiał, którym krzem jest domieszkowany, arsenek galu, bor, fosfor, do dzięki tego typu pierwiastką można uzyskać obszary o zwiększonej ilości elektronów lub wręcz przeciwnie, taki, gdzie tych będzie brakowało. Od domieszki zależeć będzie też barwa światła, jaką emitować będzie dioda. 

Jak wiadomo, według książkowej definicji prąd elektryczny to nic innego jak uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. W rzeczywistości jednak ani on uporządkowany, ani tak do końca ruch, ale jest to temat na inny artykuł. Dla uproszczenia można założyć, że tak właśnie jest. W półprzewodniku, jak i innych materiałach możemy wyróżnić coś takiego jak pasma energetyczne, z kolejnymi warstwami elektronów, dla nas najbardziej interesujące będą ostatnie dwa.

Między nimi znajduje się przerwa, którą elektrony mogą przekroczyć, jeśli się im trochę pomoże, przykładowo dostarczając odpowiednie napięcie lub też podgrzewając materiał. Co ciekawe podobne zjawisko występuje w palącym się tranzystorze, kiedyś już przygotowałem artykuł opisujący co dzieje się na poziomie atomowym, gdy tranzystor dosłownie się pali. Wszystkich zainteresowanych tym tematem odsyłam do tego materiału. 

Wizualizacja momentu przejścia nierzeczywistego elektronu w postaci kulki w złączu PN. (Źródło)

Ciekawie zaczyna się robić, gdy połączymy ze sobą dwa typu półprzewodnika, tworząc złącze PN. Na ich styku tworzy się tak zwany obszar zubożony. Miejsce, gdzie z jednej strony mamy nadmiarowe elektrony, a z drugiej jest ich zbyt mało, wówczas mówimy o czymś takim jak dziury elektronowe.  

Polaryzując tego typu złącze w kierunku zaporowy, tak naprawdę zwiększamy jeszcze bardziej obszar zubożony, jednak, gdy ułożymy diodę w kierunku przewodzenia, dzieje się coś niezwykłego. Elektrony z półprzewodnika typu N zaczynają przeskakiwać do tego typu P, przechodząc przez warstwę zubożoną. Kluczowy jest tutaj moment przejścia, zmiana energii, która powoduje pojawienie się fotonu, wyrzucanego poza strukturę półprzewodnika. Foton podobnie jak elektron nie potrafi się do końca zdecydować, czy jest falą, czy cząstką, dlatego zachowuje cechy obu z nich i dla naszego oka widoczny będzie jako emitowane przez fragment półprzewodnikowego obszaru światło. I to jest właśnie odpowiedź, dlaczego dioda LED świeci.

Cytat

Źródła:

• https://rafalbartoszak.pl/wyswietlacz-ktory-okazal-sie-czyms-wiecej/

• https://makezine.com/article/science/make-presents-the-led-a-m/

• https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_LED

• https://archive.org/details/electricalworld49newy/page/309/mode/1up

• https://ieeexplore.ieee.org/document/6579634

• https://www.facebook.com/315787870186/photos/the-first-commercial-led-tis-snx-100-gaas-ir-led-vs-the-first-commercial-hemisph/10157006575930187/

• https://texashistory.unt.edu/ark:/67531/metapth118165/m1/1/

• https://spectrum.ieee.org/yellow-led-inventor

• https://en.wikipedia.org/wiki/Shuji_Nakamura

• https://spectrum.ieee.org/rcas-forgotten-work-on-the-blue-led

• https://www.ledlightingsupply.com/blog/the-history-of-led-lights

 

Edytowano Grudzień 3, 2025 przez rafal2808

[SOYER]

Bardzo ciekawy artykuł. Dziękuję. Nie zdawałem sobie sprawy jak bardzo skomplikowaną strukturą jest zwykły LED. Pamiętam też zamieszanie w mediach kiedy pojawiły się te świecące na niebiesko:). 

Jednak:

”przyjrzymy się diodom” nie „diodą”

Oleg Łosiew albo Losev, nie „Loseva” 

dość kontrowersyjne jest też używanie terminu „dioda LED”, to tak jakby pisać „dioda emitująca światło dioda”;)

Pozdrawiam autora i proszę o więcej tak ciekawych artykułów:).

 

Edytowano Listopad 23, 2025 przez SOYER

[rafal2808]

Dnia 23.11.2025 o 20:05, SOYER napisał:

Bardzo ciekawy artykuł. Dziękuję. Nie zdawałem sobie sprawy jak bardzo skomplikowaną strukturą jest zwykły LED. Pamiętam też zamieszanie w mediach kiedy pojawiły się te świecące na niebiesko:). 

Jednak:

”przyjrzymy się diodom” nie „diodą”

Oleg Łosiew albo Losev, nie „Loseva” 

dość kontrowersyjne jest też używanie terminu „dioda LED”, to tak jakby pisać „dioda emitująca światło dioda”;)

Pozdrawiam autora i proszę o więcej tak ciekawych artykułów:).

 

Dzięki za wskazówki, błędy poprawione. Co do terminu dioda LED, to zgadzam się, że jest to trochę dwuznaczne, ale też staram się dostosować tekst, do kogoś, kto niekoniecznie zna się na elektronice. Dla zainteresowanych łatwo jest określić typ diody wyłącznie z kontekstu zdania, a tutaj chciałem wskazać, że jest to konkretnie LED, czyli to, co świeci Ale również racja momentami można by zrezygnować z tego dopisku.

[ethanak]

A propos LED: zawsze można użyć starego terminu "dioda elektroluminescencyjna". 11 sylab vs 3... poza tym powiedz coś takiego po setce wódki

[Elvis]

Na pewno nie jestem specjalistą od poprawnej polszczyzny, ale moim zdaniem nie ma nic złego w używaniu terminu dioda LED. Po prostu LED przyjęło się jako nazwa własna i nie należy tej biednej literki D się czepiać...

Bo jeśli przyjmiemy, że dioda LED jest językowym błędem, powinniśmy być konsekwentni i przestać mówić o pamięci RAM, czy ROM, dyskach SSD, płytkach PCB, wiadomościach SMS i pewnie jeszcze wielu, wielu innych. 

[kamolix321]

Bardzo ciekawy artykuł, bo nie ukrywam lubię czytać o historii i historii techniki. Zwrócę tylko uwagę, że arsenek galu to nie pierwiastek, a związek chemiczny, ale to na marginesie.