Polovodičové lasery a LED-ky

Cílem tohoto článku je popsat LED a laserové diody od principu jejich činnosti až po praktické využití. Jsou zmíněny také některé aspekty barevného vidění lidského oka, které souvisejí s mícháním barev a jejich vnímáním. Jako praktická ukázka použití LED je představen světelný hudební efekt, kde je výkonová LED využita pro vytváření barevných světelných efektů řízených pomocí protokolu MIDI.

Klíčová slova: LED, laserové diody, RGB, světlo, osvětlení

Abstract: This study describes LEDs and Laser diodes from their principle to their practical use. Some aspects of human eye colour vision, which are related to colour mixing and their perception, are mentioned. As a practical illustration of LED utilisation is presented a light musical effect, where a power LEDs are used for colour light effects generating, controlled by MIDI protocol.

Key-Words: LED, Laser Diodes, RGB, Light, Illumination

1. Úvod

V současné době je ve světě tendence nahrazovat klasické světelné zdroje (žárovky, zářivky) polovodičovými elektroluminiscenčními diodami (LED = Light Emitting Diode). Jejich výhodou je nejen podstatně větší účinnost, ale také řádově delší životnost, malé rozměry, spektrální laditelnost, rychlost rozsvěcení a zhasínání atd. [1]

Další součástkou, kterou se v tomto článku budeme zabývat, je laserová dioda (LD). Tyto součástky nacházejí využití v mnoha oborech – od levných LD pro laserová ukazovátka přes použití v CD a DVD přehrávačích až po velmi drahé a kvalitní lasery pro optické komunikace, či výkonné lasery pro technologické procesy a vojenství [1].

O využití výkonové tříbarevné LED ve světelných efektech ovládaných pomocí sběrnice MIDI se podrobněji zmíníme v závěru tohoto článku.

1.1 Porovnání účinnosti světelných zdrojů

Účinnost používaných zdrojů světla porovnává následující tabulka a graf [1]:

Graf 1: Účinnost světelných zdrojů

Graf 2: Příkon na 5 W optického výkonu

2. LED a laserové diody

V této kapitole probereme princip činnosti LED a laserových diod.

2.1 Proč LEDky svítí

Klasická žárovka svítí díky rozžhavenému (obvykle wolframovému) vláknu, v němž jsou elektrony vázané v atomech vlákna tepelně excitovány z nižších orbitálních hladin na vyšší; fotony zde vznikají při přeskocích elektronů mezi hladinami.

Na rozdíl od žárovky fungují LED a LD na principu elektroluminiscence polovodičových materiálů. Zde vzniká světlo v důsledku přeskoků elektronů z vyšších energetických pásů do nižších. Rozdíl energie mezi dnem vodivostního a vrchem valenčního pásu pak odpovídá energii vyzářené ve formě fotonu. K tomuto jevu obecně dochází u všech diod, ale pouze v některých případech dojde ke vzniku světelného záření, jinak se elektrická energie mění na tepelnou nebo naopak vzniká neviditelné ultrafialové záření. Vlnová délka (a tedy barva světla) vzniklého záření je nepřímo úměrná vyzářené energii, která odpovídá šířce zakázaného pásu.

Pro vlnovou délku záření λ platí:
λ = c / ν,
kde je c je rychlost světla a ν je frekvence záření [2].

Princip elektroluminiscence blíže vysvětlí následující obrázek:

Při průchodu elektrického proudu diodou v propustném směru se energie elektronu při mezipásové rekombinaci může uvolnit ve formě fotonu o energii W = h · ν, kde h je Planckova konstanta a ν je frekvence fotonu. K přechodu může dojít také prostřednictvím příměsových hladin v zakázaném pásu. Emitované záření má pak o něco menší energii h·ν‘, resp. větší vlnovou délku ν [2].

K úplnému pochopení tohoto jevu je však potřeba se na Obr. 1 podívat „z boku“, neboli z hlediska závislosti energie valenčního a vodivostního pásu na vektoru k.

Přímé polovodiče jsou takové, které mají v E(k) diagramu (viz Obr. 2) dno vodivostního a vrchol valenčního pásu proti sobě, např. GaAs. U takových polovodičů je pravděpodobnost zářivé rekombinace o mnoho řádů vyšší než u nepřímých polovodičů, kde by pro rekombinaci navíc byla nutná účast fononů [3], [15].

Jak ukazuje Obr. 3, minimální energie výsledného záření závisí na šířce zakázaného pásu. Elektron však nemusí zrekombinovat s dírou pouze přechodem přes tuto minimální energii, ale je určitá pravděpodobnost, že se bude jednat o přechod s vyšší energií. Pravděpodobnost vyšších energií (tedy podíl barvy světla směrem k modré) je klesající.

2. 2 Laserové diody

Laser (z angl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) je kvalitativně novým typem světelného zdroje, svým principem v zásadě odlišným od „klasických“ zdrojů. Kvantový systém, nacházející se ve vybuzeném elektronovém energetickém stavu, může přejít do některého stavu s nižší energií za současného vyslání kvanta elektromagnetického záření – fotonu. Tento přechod může proběhnout dvojím způsobem: spontánní emisí (luminiscencí – viz výše) nebo stimulovanou emisí. Pro funkci laseru je důležitá druhá možnost [4].

Předpokladem stimulované emise je, že na systém již působí elektromagnetické záření stejné frekvence jako má vyzařovaný foton. Pravděpodobnost stimulovaného přechodu je přímo úměrná hustotě energie tohoto záření a vyzářený foton je s tímto zářením koherentní. Tohoto jevu, při němž se energie předává z kvantového systému do elektromagnetického pole, lze využít ke generování a zesilování koherentního záření [4].

Laserové záření jsou fotony nebo vlny prakticky identické, mají stejnou energii (a tedy barvu neboli vlnovou délku), dále směr, fázi vlny a polarizaci [1].

2.2.1 Podmínky vzniku laserového záření

Pro vznik koherentního záření je nutné splnění následujících tří podmínek:

1. Aktivní prostředí, které umožňuje dostatečně velké zesílení fotonů mechanismem stimulované emise. V případě polovodičů je aktivním prostředím např. GaAs.

2. Existuje kladná zpětná vazba, která zajistí, že část generovaných fotonů zůstává v aktivním prostředí, aby stimulovaly další přechody elektronů z vodivostního pásu (W_c) do valenčního pásu (W_v). Této vazby se dosáhne vložením aktivního prostředí do Fabry-Perotova rezonátoru, který je tvořen dvěma planparalelními zrcadly, z nichž alespoň jedno je polopropustné. Od zrcadel („z výstupu“) se část generovaných fotonů několikrát odrazí zpět do aktivního prostředí („na vstup“), kde stimuluje několik přechodů a nakonec vyletí polopropustným zrcadlem ven z laseru a přispěje k celkovému zářivému toku.

3. Inverze populace: V aktivním prostředí musí stimulovaná emise dominovat nad absorpcí. K tomu je zapotřebí zajistit, aby na vyšší energetické hladině (W_c) bylo více nosičů než na nižší (W_v). Tohoto stavu, který se nazývá inverzní obsazení (populace) hladin, se dosahuje buzením aktivního prostředí. V polovodičovém laseru je toho dosaženo injekcí nosičů na P-N přechodu. Inverzní obsazení se přitom rozumí inverzní oproti stavu rovnovážnému, který nastává, nedochází-li k buzení, kdy jsou nižší energetické hladiny obsazeny více než vyšší [2].

2.2.2 Druhy laserových diod

Klasické laserové diody s dvojitou heterostrukturou vyzařují hranou a jejich výstupní paprsek je eliptický. Mají tu nevýhodu, že hrany čipu se musí v závěru technologického procesu zlomit podle krystalové osy, aby vznikly opticky lesklé a rovné povrchy pro odrazové plochy Fabry-Perotova rezonátoru, který zajišťuje kladnou zpětnou vazbu. Tento proces je technologicky náročný a neumožňuje větší integraci laserových polí [5].

Vertikální lasery s povrchovým vyzařováním (VCSEL – Vertical Cavity Surface Emitting Laser) mají oproti klasickým laserům řadu výhod. Lze jich integrovat na čipu i několik desítek vedle sebe a možnost jejich menších rozměrů vede k nižším prahovým proudům [5].

Lasery s kvantovou jámou nebo kvantovou tečkou mají výhodu vyšší účinnosti, nižšího prahového proudu a menší teplotní závislosti [5].

Kaskádové mezipásové lasery využívají přechodů elektronů z vyšších do nižších stavů ve vodivostním pásu (nikoliv z vodivostního do valenčního pásu). Navíc oblasti přechodů jsou v kaskádě, což znamená, že poté co elektron projde přechodem, je injektován do vyššího stavu následující aktivní oblasti a tak stále směřuje k nižším energetickým stavům. Tak lze získat kvantovou účinnost větší než 100% [5].

2.2.3 Proč se LD nepoužívají pro osvětlování

Popisek obrázku: Obr. 5: Ukázka zrnitého obrazce LD

Vzhledem k velmi vysoké účinnosti a výkonu LD by mohlo být výhodné je používat k osvětlování. V praxi se však ukázalo, že efekt zrnění, ke kterému dochází u LD, působí velmi rušivě a nepřirozeně, a proto je nelze k běžnému osvětlování použít. V přírodě se totiž laserové záření nevyskytuje, a lidské oko tedy není zvyklé na jeho účinky.

Zrnění vypadá jako zdánlivě náhodný časově proměnlivý zrnitý obrazec vytvořený při dopadu laserového paprsku na drsný povrch. Vzniká vzájemnou interferencí koherentních vlnoploch, které jsou mezi sebou fázově posunuty a probíhají mezi nimi fluktuace intenzity. Každý bod vzniklého obrazce je superpozicí každého bodu drsného povrchu a příspěvku náhodné velikosti fáze v důsledku rozdílů v délce optické dráhy paprsku [6].

3. Barevné vidění

V lidském oku existují dva druhy buněk citlivých na světlo: čípky (angl. cones), které zprostředkovávají barevné vidění světla s větší intenzitou, a tyčinky (angl. rods), které sice podávají pouze obraz ve stupních šedi, ale jsou citlivé i na světlo s menší intenzitou. Proto při slabém osvětlení nevnímáme barvy tak zřetelně [7].

Jsou tři typy čípků, každý s jinou spektrální citlivostí: na červenou, zelenou a modrou barvu. Celkový barevný vjem vznikne složením obrazu jednotlivých složek v mozku. Spektrální citlivosti čípků se vzájemně výrazně přesahují (viz Obr. 7). Proto vnímání stejné barvy může být dosaženo složením více kombinací barev [7], [14]. Na druhou stranu ke vjemu barvy, kterou je oko schopné vnímat, postačí vždy tři složky: červená, zelená a modrá (anglicky red, green, blue, tedy zkratkou RGB). Této vlastnosti lidského vidění využívá veškerá zobrazovací a světelná technika – od klasické televize přes plynulé míchání barev osvětlení pomocí LED až po LCD monitory [8].

Lidské oko nevnímá celé světelné spektrum stejnoměrně, ale je uzpůsobeno spektru slunečního záření, které dopadá na Zem. Nejvíce je oko citlivé v oblasti kolem 555 nm, což odpovídá jasně zelené barvě. Shodou okolností z materiálových důvodů svítí zelené LEDky nejméně, což je však vyváženo zvýšenou citlivostí oka na zelenou barvu.

4. Bílé světlo a barevná teplota

Barevná teplota charakterizuje spektrum bílého světla. Světlo určité barevné teploty má barvu tepelného záření vydávaného černým tělesem zahřátým na tuto teplotu. Barevná teplota se měří v kelvinech. Uveďme několik příkladů barevných teplot různých světelných zdrojů:

4.1 Teplé a studené barvy

Je paradoxní, že skutečná teplota zdroje světla je v přímém protikladu se subjektivním vnímáním teplých a studených barev. Jinými slovy – relativně studené zdroje, jako je oheň, svíčka či žárovka, produkují v lidském slova smyslu teplé červené světlo, zatímco k dosažení modrého světla, kterému běžně říkáme „studené“, je potřeba zdroj ohřát na výrazně vyšší teplotu (například modrý plamen plynového hořáku) [8].

5. Barvy a materiály

Barva LED v podstatě závisí (pomineme-li legování) na šířce zakázaného pásu materiálu, ze kterého je vyrobena její aktivní oblast. Pro LED produkující viditelné světlo se používají dva hlavní materiály: z InGaN se vyrábí modré, bílé, zelené, případně ultrafialové LED, zatímco AlGaInP nebo AlInGaP se používá pro červené, žluté a oranžové LED.

Použitý materiál má také vliv na úbytek napětí na diodě při průchodu proudu v propustném směru. Pro základní orientaci je užitečné vědět, že první typ diod má úbytek kolem 3,3 V a druhý typ kolem 2 V [10].

5.1 Bílé LED

Jsou dvě možnosti, jak pomocí LED získat bílé světlo:

První metodou je kombinace světla ze tří složek, jak již bylo řečeno: červené, zelené a modré (RGB). Pokud jsou tyto zdroje dostatečně blízko, složky se promíchají a vyvolají výsledný vjem bílé barvy. Mícháním poměru jednotlivých složek můžeme ladit barevnou teplotu bílého světla [11].

Druhá metoda využívá modrou nebo ultrafialovou LED v kombinaci s luminoforem, který je obvykle zabudován do materiálu průsvitného pouzdra součástky z epoxidové pryskyřice. Modré světlo excituje elektrony ve fluorescenčním materiálu do vyšších energetických hladin, které mají dobu života několik nanosekund. Vlivem elektron-fononových interakcí v excitovaných stavech mají emitované elektrony menší energii než modré světlo, které bylo absorbováno. Tento jev je známý jako Stokesův posun. Nejčastěji používaným materiálem luminoforu je Y₃Al₅O₁₂:Ce₃⁺ neboli zkráceně YAG:Ce, který má široké emisní spektrum ve žluté oblasti. Smícháním žluté a modré složky vznikne vjem bílého světla [11].

6. Ceny a dostupnost

Při nahlédnutí do katalogu některé z prodejních sítí elektronických součástek (např. [13]) můžeme konstatovat, že na českém maloobchodním trhu je k dispozici velmi široká nabídka LED a naproti tomu velmi nepatrná nabídka laserových diod. Výsledek průzkumu shrnuje následující tabulka:

7. Využití LED ve světelném efektu ovládaném pomocí sběrnice MIDI

Součástí naší nabidky jsou světelné hudební efekty ovládané pomocí protokolu MIDI.

MIDI je sběrnice, která se používá k přehrávání a přenosu hudebních dat a pro komunikaci (nejen) mezi hudebními nástroji. V současné době je MIDI implementováno také do téměř každé zvukové karty a téměř každého mobilního telefonu. Pomocí MIDI protokolu lze také řídit světelné a vizuální efekty při koncertech.

V nabídce našeho online obchodu jsou akční členy, které reagují na příchozí MIDI data tím, že mícháním tří barevných složek rozsvěcejí efektové světlo s úzkým směrovým vyzařováním s libovolnou barvou a volitelnou intenzitou a dále se otáčejí pomocí krokových motorů ve dvou směrech. Princip tohoto zařízení blíže osvětlí následující blokové schéma.

Na základě výsledků této výzkumné práce byla zvolena jako zdroj barevného světla výkonová tříbarevná RGB LED Cosmo.

Tato součástka se skládá ze tří čipů (pro každou barvu jeden čip LED). Při vybuzení maximálním proudem 3×350 mA podává kontinuální optický výkon 5,1 W. Její vyzařovací úhel je 120° a její konstrukce umožňuje připnutí plastové čočky s fokusací paprsku na 15°, 30° nebo 60°. Samotná plocha tří čipů by se vešla do běžného pouzdra 5 mm LED, ale vzhledem k velkému výkonu je nezbytné k pouzdru součástky připojit chladič, který výrobce dodává zároveň s diodou. Pro lepší odvod tepla se doporučuje použít silikonovou pastu, která se používá také pro chladiče procesorů v počítačích. V síti prodejen GM Electronics se tato součástka dá zakoupit za 225 Kč [13].

Závěr

Nahrazení klasických světelných zdrojů pomocí LED je výhodné zejména z důvodů jejich relativně dlouhé životnosti a účinnosti přeměny elektrické energie na světlo, která dosahuje běžně desítek procent. Ceny osvětlovacích LED jsou zatím příliš vysoké, nicméně návratnost investic je nesporná zejména tam, kde se jedná o trvalý provoz světel (např. systém městských semaforů) [16].

Laserové diody se sice pro osvětlování nepoužívají, ale našly uplatnění v mnoha oblastech techniky, kde v podstatě (kromě vysoce výkonových aplikací) vytlačily jiné zdroje koherentního záření.

Poděkování

Děkuji Doc. Ing. Eduardu Huliciovi, CSc. za to, že mě hlouběji uvedl do problematiky LED a laserů a že mi pomohl tuto práci koncipovat tak, aby byla přínosem i pro mou další činnost.

Použitá literatura

[1] E. Hulicius, Optoelektronika – polovodičové zdroje záření, sborník Otevřená věda, Praktické kurzy z fyziky a chemie, vydala Akademie věd ČR, 2006, s. 79-96.

[2] J. Vobecký, V. Záhlava: Elektronika, Grada, 2001, s. 168 – 179.

[3] http://micro.feld.cvut.cz/

[4] http://physics.mff.cuni.cz/

[5] G. W. Wicks, V. G. Gupta, „Laser Diode Highlights of the 90‘s“, Compound Semiconductor, vol. 5, no. 9, p. 36 nn, 1999.

[6] http://en.wikipedia.org/wiki/Speckle_pattern

[7] http://en.wikipedia.org/wiki/Cone_cell

[8] http://www.grafika.cz/

[9] http://cs.wikipedia.org/wiki/Barevná_teplota

[10] http://led.linear1.org/

[11] Georg Bogner, „White LED Production at OSRAM“, Compound Semiconductor, vol. 5, no. 4, p. 28 nn, 1999.

[12] E. Fred Schubert, Light-Emitting Diodes, Cambridge University Press, 2003.

[13] http://www.gme.cz/

[14] G. W. Wicks, „The Color of Light“, Compound Semiconductor, vol. 1, no. 1, p. 39 nn, 1995.

[15] J. Voves, J. Kodeš, Elektronické součástky nové generace, Grada, Praha, 1995, s. 29.

[16] R. A. Metzger, „Turning Blue to Green“, Compound Semiconductor, vol. 1, no. 1, p. 26 nn, 1995.

Zpětné reference

Tento článek byl citován v diplomových a bakalářských pracích a v odborných článcích:

• SLOVÁK, F.: Analýza parametrů světloemitujících diod. Diplomová práce. ČVUT FEL, květen 2009. 125 s.
• HORÁK, J.:  Optické pojítko. Diplomová práce. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2009. 94s.
• SEDLECKÝ, L.: Vliv světla na fotomorfogenezi u rostlin ve výuce biologie na středních školách. Bakalářská práce. Praha: Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy v Praze, 2010. 39 s.
• MAŇÁSKOVÁ, D.: Světlo, světelné zdroje a účinky. [online]