Aktuální číslo:

2019/6

Téma měsíce:

Výboj

Doba LEDová

aneb Jak svítivé diody za padesát let dozrály k zásadní změně osvětlovací techniky
 |  31. 10. 2013
 |  Vesmír 92, 612, 2013/11

Tisíc vynálezů udělalo krach

hvězdy nevyšinuly se z věčných drah

pohleďte jak tisíc lidí klidně žije

ne to není práce ani energie

je to dobrodružství jako na moři

uzamykati se v laboratoři

Vítězslav Nezval: Edison, Praha 1928

Úžas, obdiv a okouzlení novou technikou se už v 21. století příliš nevyskytuje. Novinky se hrnou stále rychlejším tempem. Ze všech stran nás obklopují různé „chytré mašinky“, útočí na naši pozornost a kradou nám čas. Proto k nim mnohdy zaujímáme skepticky opatrný až obranný postoj. Často už ani nevnímáme, jaké novinky se zase objevily. Zásadních trendů si ale nemůžeme nevšimnout. Snad každý například pocítil, že v posledním desetiletí došlo k zásadní změně telefonie a ta spolu s dostupností internetu rozvrátila staré formy komunikace. Kdy naposledy jste dostali nebo poslali dlouhý ručně psaný dopis?

Podobně zásadní změna se vloudila i do techniky osvětlování. Ano, většinu lidí v této souvislosti napadne, jak nám ti zlovolní úředníci z Bruselu postupně zakazují staré dobré žárovky a místo toho nám vnucují drahé úsporky, co většinou nevydrží po deklarovanou dobu životnosti… a teď si vymysleli ty ještě mnohem dražší LED žárovky. Jistěže zákazy (byť se třeba označují jako „směrnice“) nenavozují dobrý vztah k novému svítidlu. Můžeme proti tomu bojovat, nakoupit zásoby žárovek na celý život nebo označit žárovky jako „tepelný zdroj“ a dovézt je z Číny... Můžeme s tím nesouhlasit, brblat a trucovat... ale to je tak všechno, co s tím můžeme dělat. Revoluce v osvětlování je tu!

Princip LED svítidel

Svítivá dioda neboli LEDka (zkratka z anglického označení Light-Emitting Diode) je malinká polovodičová součástka obvykle s plochou maximálně pár milimetrů čtverečních (a klasicky zalitá v plastovém pouzdře se dvěma „nožičkami“). Nebudeme se zde podrobně zabývat jejími fyzikálními principy (jejich vysvětlení lze nalézt i ve středoškolských učebnicích fyziky). Pro další čtení postačí vědět, že polovodičová dioda – i ta svítivá – je založena na „spojení“ dvou typů polovodičů, z nichž jeden má přebytek kladných a druhý záporných nábojů, které se získají zavedením vhodných příměsí do polovodičového krystalu. Tomu se říká polovodič p-typu a n-typu a jejich spojení vytváří p-n přechod. Připojením stejnosměrného proudu na součástku dochází v oblasti přechodu k „zářivé rekombinaci“ kladných a záporných nábojů a vznikají fotony světla. Tomuto jevu se říká injekční elektroluminiscence a barva vyzářeného světla je dána složením použitého polovodiče (tím, jakou má šířku tzv. pásu zakázaných energií) a je poměrně „monochromatická“.

Pokud chceme získat z LEDek bílé světlo se širokým spektrem vhodným k běžnému osvětlování, máme v zásadě dvě možnosti:

1. Seskupíme dohromady LEDky různých barev (nejčastěji červenou, zelenou a modrou – RGB – red, green, blue) nebo

2. přeměníme část fotonů z modré diody na fotony delších vlnových délek (žluté, oranžové nebo červené) pomocí luminoforů, a tím pokryjeme dostatečnou část viditelného spektra. Tato druhá možnost tedy využívá jev fotoluminiscence (luminiscence vyvolaná pohlcením světla) podobně jako v zářivkách, kde se přeměňuje ultrafialové a modré světlo z výboje v parách rtuti luminiscencí luminoforu naneseného na vnitřní straně baňky.

Zkrátka LEDky jsou založeny na jevech elektroluminiscence a fotoluminiscence. Připomeňme, že luminiscence (ve starší české literatuře označovaná jako „světélkování“) se definuje jako „nerovnovážné záření, vysílané tělesem navíc oproti rovnovážnému tepelnému záření (popsanému Planckovým zákonem)“.1) Z toho jasně plyne, že podmínkou luminiscence je uvedení látky do nerovnovážného stavu - vybuzení (excitace), které může mít různý původ: elektrický proud (elektroluminiscence), chemické reakce (chemiluminiscence a bioluminiscence), pohlcení světla (fotoluminiscence), tření (triboluminiscence), zvukové vlnění (sonoluminiscence) atd. Luminiscenci se také říká studené světlo, aby se zdůraznila zásadní odlišnost od záření tepelného, na kterém je založena žárovka – elektrickým proudem rozžhavený drátek (obvykle wolframový) skrytý v baňce s vakuem či inertním plynem o nízkém tlaku, zabraňujícím shoření vlákna i přílišnému zahřátí baňky.

Stručná historie svítivých diod

Celá historie elektrického osvětlení (podobně jako u jiných oborů techniky) je fascinujícím příběhem vědeckého, technického a podnikatelského úsilí. Ponechme stranou již vícekrát popsané příběhy obloukovky, žárovky, zářivky – Edisona, Křižíka, Jabločkova a dalších – a soustřeďme se pouze na lumidky (viz text v rámečku).

Vznik prvních svítivých diod je spojen s obrovským rozvojem polovodičového výzkumu v padesátých letech 20. století po objevu tranzistoru (1947) a poněkud překvapivě také s vynálezem laseru.2) Prvními podrobně zkoumanými polovodiči byly germanium a křemík, z nichž byly vyráběny první součástky – tranzistory a diody. Hledaly se však i jiné polovodičové materiály, které by lépe vyhovovaly pro určité aplikace, a mezi nimi byl asi nejvýznamnější arsenid gallitý (GaAs). Ke vzniku prvních LEDek pak pomohla i náhoda, která ovšem přeje připraveným. Těmi byli Robert H. Rediker a kolegové v Lincolnově laboratoři na MIT (Massachusetts Institute of Technology), kteří začali zkoumat GaAs s cílem vyrobit diody s velmi rychlým spínáním, což se posléze podařilo. Nicméně pro pochopení jistých rozdílů mezi vyrobenými diodami se vědci rozhodli využít měření elektroluminiscence.

Rediker popsal tento klíčový bod takto (volný překlad podle3)): „Rozhodl jsem se, že bychom měli diagnostikovat naše dva typy GaAs diod pomocí luminiscence při teplotě 77 K [teplota kapalného dusíku]. [...] Našli jsme kolegu, který měl spektrometr, a když jsme pak měřili luminiscenci [...], výstup z detektoru zcela zahltil zapisovač. Rozsah zapisovače musel být zvýšen nejméně o tři řády a štěrbiny spektrometru zavřeny téměř na nulu, aby se signál zobrazil. Tak jsme objevili vysoce účinnou elektroluminiscenci [...] a uvědomili jsme si, že by mělo být možné na tomto základě udělat laser... Práce pak byla prezentována na Solid-State Device Research Conference v červnu 1962 [...], odkud i další badatelé odjeli s přesvědčením, že polovodičový laser z GaAs je možný. Tak byl odstartován laserový závod, ovšem my jsme o tom nevěděli, a tak jsme nepostupovali tak rychle, jak by bylo bývalo možné.“

Zde se nám tedy objevuje avizovaný laser. V té době byly lasery obrovským hitem – první laser (z krystalu rubínu Al2O3 : Cr3+, buzený bleskovou výbojkou) byl sestrojen v roce 1960 Theodorem H. Maimanem v Hughesových výzkumných laboratořích. Jakmile se tedy objevila naděje na výrobu nového typu laseru z polovodiče, rozběhl se „tajný“ závod, kdo to dokáže jako první.

A závod to byl opravdu rychlý – ještě během listopadu a prosince 1962 publikovaly čtyři nezávislé skupiny − dvě z General Electric (GE), po jedné z MIT a z International Business Machines (IBM) − články o svých polovodičových laserech! První z nich sice nebyly příliš praktické (pracovaly pouze za kryogenních teplot – v kapalném dusíku), ale ukazovaly cestu k miniaturním laserovým zdrojům, nesrovnatelně menším a praktičtějším, než byly tehdy převládající plynové lasery (s trubicemi o délce desítek cm až jednotek metrů). V dalších letech šel pokrok polovodičových laserů ruku v ruce s rychlým pokrokem polovodičových technologií.

Nyní vidíte 19 % článku. Co dál:

Jsem předplatitel, mám plný přístup
Jsem návštěvník
Chci si přečíst celé číslo
Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru. Více o předplatném
OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Optika

O autorech

Ivan Pelant

Jan Valenta

Doporučujeme

Když se rodí nová země: příběh ostrova Surtsey

Když se rodí nová země: příběh ostrova Surtsey

Petr Brož  |  14. 6. 2019
Když jednoho listopadového rána 1963 spatřila posádka rybářské lodě nedaleko Islandu stoupat nad horizontem černý kouř, domnívala se, že má co...
Jak vosy dobývají svět

Jak vosy dobývají svět uzamčeno

Pavel Pipek  |  3. 6. 2019
Vosy jsou pro lidi jedním z nejnenáviděnějších organismů. Zatímco v původním areálu výskytu je jejich špatná pověst nezasloužená, protože v něm...
Hledá se blesk

Hledá se blesk uzamčeno

V chápání elektrických jevů jsme za uplynulých 250 let udělali obrovský pokrok. Úplnému porozumění ale stále vzdoruje záhadné chování obyčejných...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné