összes videóa hét videói

összes képa hét képei

eseménynaptár

hírlevél

A furán működő LED

 

A LED (Light Emissing Diode - fénykibocsátó dióda) és a villanykörték fényességét lumenben mérik. (A fizika illetve műszaki adatok iránt érdeklődőknek: definíció szerint 1 lumen az a fényáram, amelyet az 1 kandela fényerősségű, minden irányban egyenletesen sugárzó, pontszerű fényforrás 1 szteradián térszögbe sugároz. De maradjunk most abban, hogy egy egységnyi fényáram.) Amíg a LED-en 1 lumen kb. 16 centbe kerül, a villanykörte esetében ez csak 0,1 cent. A mai villanykörték nem sokban különböznek ősüktől, Edison találmányától, melyet az előző évszázadban hoztak forgalomba. Ezek a villanykörték a felhasznált energiának még mindig kb. 90%-át elveszítik.

A LED-ek sötét titka

A villanykörte 16 lumen/Wattos teljesítménnyel dolgozik, a fluoreszkáló csövek több mint 100 lm/W-ot bocsátanak ki, de még ez utóbbi sem ér fel a LED-ek 250 lm/W-os teljesítményével. A kék fénykibocsátó dióda - az elmúlt 25 év legnagyobb sikere - azonban egy „sötét" titkot rejt magában: nagyobb áramnál a teljesítménye csökken. Hatásfokuk csak kis áram esetében kiemelkedő, ezért van az, hogy csak néhány milliamper szükséges a mobiltelefonunk háttérvilágításához például. Nagyobb megvilágításhoz nagyobb áram szükséges, ekkor azonban a LED-ek teljesítőképessége 100 lm/W alá csökken. Különös összefüggés: nagyobb áramot kapcsolunk a LED-re, és erre ahelyett, hogy fényesebb lenne, sötétebb lesz a szobában.

Hogyan is működik?

A probléma megértéséhez tekintsük át a LED működési elvét. Az áramforrás a dióda anyagában levő atomok elektronjait gerjeszti, ezáltal ezek nagyobb energiaszintű pályára kerülnek, majd miközben visszatérnek helyükre, közben fotonokat bocsátanak ki. Természetesen nagyobb feszültség hatására nő a kisugárzott fotonok mennyisége is, de ez csak egy bizonyos nyitóirányú áramértékig igaz, ahonnan már nem nő jelentős mértékben. A kibocsátott fény színe függ a félvezető anyag összetételétől. Az első, 1907-ben kifejlesztett LED szilikon-karbid tartalma miatt sárgás fényű volt. A maihoz hasonló diódákat az 50-es években az USA-ban fejlesztették ki, melyek zöld, vörös és sárga színű fényt bocsátottak ki. Utóbbi kettőhöz alkalmazott összetevő a gallium-arzenid, a zöld színhez pedig gallium-nitrid szükséges.

Mi az oka, hogy nagyobb feszültségnél nem nő a hatékonyság?

Kutatók először nitrid alapú LED-ekben próbálták meghatározni ennek okát, a hőveszteségre gyanakodtak. De hamar elvetették ezt az elméletet, mivel rövid, pulzáló feszültség rávezetésénél is elég ideje volt az eszköznek lehűlni. A japán Nakamura és kutatótársai 1996-ban elektronmikroszkóppal vizsgálták meg a diódákat, és azt találták, hogy az anyag nem egyenletes. A kristályszerkezetet jobban megvizsgálva azt tapasztalták, hogy vannak indiumban gazdag „világosabb", illetve indiumban szegényebb „sötét" részek. Nakamura szerint a magas hatásfok ki áramerősségnél annak tudható be, hogy nagy az elektronok és üres helyek újrakombinálódásának száma. Nagyobb áramerősségnél azonban a telítődés helyzete lép fel. Ezt a klaszterelméletet azonban a cambridge-i egyetem kutatócsoportja megdöntötte 2007-ben. Mindenestre ez az elmélet fontos szerepet játszott a kutatásban. A Philips kaliforniai kutatócsoportja megfigyelte az elektronok újrakombinálódását, melyet egy 20. századi francia kutatóról Auger-effektusnak neveznek. "Ez az effektus abban nyilvánul meg, hogy egy elektron kilépése az atomból egy másik elektron kilépését vonja maga után. Ez a másodjára kibocsátott elektron az Auger-elektron. Egészen pontosan, ha egy elektron elmozdul az elektronhéj alsó szintjéről, az ott maradt helyre egy elektron kerül magasabb energiaszintről. A folyamat energiafelszabadulással jár. Ez az energia néha foton formájában távozik, azonban ezt az energiát egy másik elektron is megkaphatja, és elhagyhatja az atomot." Ez a jelenség mindig fennáll. Viszont arányos az atomok sűrűségének négyzetével. Így a jó hír az, hogy nagyobb áramerősségnél az atomok számát csökkentve növelhetjük a hatékonyságot - a kutatók a kvantumcsatorna méretét 3-4 nanométerről 13 nanométerre növelték. Ez az elrendezés alacsony áramerősségnél kevésbé effektív, azonban magasabb áram esetén annál inkább.

Az IEEE Spectrum The LED's Dark Secret című cikke nyomán.