Skrót LED pochodzi od angielskiego Light-Emitting Diode. LEDowe źródła światła są strukturami półprzewodnikowymi, zbudowanymi właśnie na bazie półprzewodników. Budowa diody LED składa się między innymi z takich elementów jak warstwa półprzewodnika typu n, warstwa półprzewodnika typu p, obszar aktywny nazywany inaczej złączem p-n, a także para metalowych kontaktów w postaci elektrody dodatniej przeznaczonej do materiału typu p oraz elektrody ujemnej przeznaczonej do materiału typu n. Zjawisko elektroluminescencji jest zasadniczym motorem napędowym diod półprzewodnikowych emitujących światło, to właśnie elektroluminescencja jest podstawą technologii LED. Z tego powodu na diody LED używa się określenia diod elektroluminescencyjnych. Materiał p wyróżnia się tym, że w swojej strukturze ma nadmiar dziur w paśmie walencyjnym. Jeżeli zaś chodzi o materiał n, w paśmie walencyjnym posiada on nadmiar elektronów, to są główne różnice pomiędzy materiałem p, a materiałem n. Proces przenikania dziur i elektronów do warstwy o niższym poziomie energetycznym (warstwy aktywnej) rozpoczyna się wraz z chwilą spolaryzowania diody zgodnie z kierunkiem przewodzenia. Złącze łączące warstwę materiału półprzewodnikowego typu p i warstwę materiału półprzewodnikowego typu n, jest miejscem w którym elektrony uwalniają nadmiar energii i rekombinują z dziurami, w wyniku czego energia prowadzi do powstania kwantu światła, czyli emisji fotonu. Wartość przerwy między poszczególnymi stanami energetycznymi jest równa mniej więcej wartości energii emitowanej przez foton. Warto dodać, że w przypadku technologii LED można otrzymać praktyczne każdą barwę światła np. niebieską, żółtą, białą, zieloną, pomarańczową, czerwoną. Otrzymanie konkretnej barwy możliwe jest za sprawą odpowiedniego doboru zestawu diod, a także przez sterowanie strumieniem świetlnym. Wybrane materiały półprzewodnika wraz z długością fali: arsenek galu emituje w paśmie podczerwieni i czerwieni o dominującej długości fal wynoszącej od 650 do 950 nm, azotek indowo-galowy daje światło w kolorze białym o dominującej długości fal wynoszącej od 380 do 760 nm, azotek galu daje światło w kolorze niebieskim o dominującej długości fal wynoszącej 430 nm, z kolei arsenofosforek galu emituje o dominującej długości fal wynoszącej od 590 do 630 nm.

 

Otrzymywanie białego światła w diodach LED

Specyfika diod LED polega na tym, że zastosowanie wybranych przy ich produkcji związków chemicznych, wpływa bezpośrednio na to jaką barwę światła otrzymamy. Diody LEG emitują światło jednobarwne, za co odpowiadają wcześniej wspomniane związki chemiczne. Światła białego nie można otrzymać z pojedynczego złącza półprzewodnikowego p-n tak, żeby było możliwe ich użycie w celach oświetleniowych. Produkcja diod LED odbywa się na kilka sposobów, w tym artykule zostaną omówione trzy z nich. Warto dodać, że światło białe wytwarzane przez diody LED postrzegane są jako przyszłość w dziedzinie techniki świetlnej. Pierwszym sposobem na wytworzenie światła białego przy użyciu diod świecących jest mieszanie ze sobą podstawowej palety barw jaką jest RGB (red, green, blue – czyli czerwony, zielony i niebieski). Odpowiednie proporcje poszczególnych barw, pozwalają na otrzymanie koloru białego. W procesie produkcyjnym najczęściej zamyka się w jednej obudowie 3 chipy LED, które tworzą diodę w palecie barw RGB. Zaletą tego rozwiązania jest brak występowania strat w luminoforze, za co w innych sytuacjach odpowiadać może zjawisko konwersji światła. Kolejną zaletą jest szeroki zakres sterowania współczynnikiem oddania barw i temperaturą światła barwy białej. Do wad tej metody pozwalającej na otrzymanie światła białego, jest stosunkowo wysoki koszt produkcyjny, a także konieczność zainstalowania rozbudowanego układu zasilającego. W takim wypadku każda z diod potrzebuje oddzielnego układu zasilającego. Drugim rozwiązaniem pozwalającym na otrzymanie światła białego jest użycie luminoforu do konwersji długości fal. W takiej sytuacji dioda, która promieniuje w paśmie nadfioletu pokrywana jest luminoforem. Znajdujący się na diodzie luminofor posiada trzy warstwy, każda z tych warstw odpowiada za konwersję światła UV na jedną z trzech podstawowych barw. W wyniku wymieszania się barw otrzymywany jest biały kolor światła. Atutem tej metody jest to, że w porównaniu do wcześniej, jest dużo prostsza, ponieważ nie wymaga mieszania trzech barw z aż trzech różnych diod. Z kolei do minusów tego rozwiązania zaliczyć możemy niewątpliwie mniejszą wydajność, a także niewielka możliwość kontroli barwy i temperatury barwowej wskaźnika produkowanych diod. Ostatnią, trzecią metodą pozwalającą na otrzymanie białego światła jest tzw. metoda hybrydowa, będąca połączeniem dwóch wcześniej omówionych metod. W tym przypadku używane jest światło emitowane przez niebieską diodę w pasmie 470 nm w celu wzbudzenia żółtego luminoforu. Luminofor konwertuje część pochłanianego światła na żółtą barwę światła. Część światła niebieskiego jest przepuszczana przez luminofor. W wyniku dalszego wymieszania barwy żółtej i niebieskiej, otrzymujemy barwę białą. Podobnie jak każda metoda, ta również posiada swoje wady i zalety. Do wad metody hybrydowej zalicza się prostota wykonania, również w przypadku obwodu zasilania, a tym samym mniejsze koszty produkcji, ale również to, że układ świetlny nie promieniuje w paśmie UV, a także posiada sporą wydajność energetyczną. Do wad zaliczyć można mniejszą trwałość w kontekście parametrów luminoforu, w dłuższej perspektywie czasowej parametry luminoforu mogą się zmienić, ponadto światło wyprodukowane przy użyciu tej metody posiada niewielki współczynnik oddania barw na poziomie 60-80.