LED se stává často skloňovaným pojmem v souvislosti s moderním osvětlováním. Přitom ještě před několika lety bylo osvětlování pomocí technologie LED pouze záležitostí futuristického designu či utopickou sci-fi. Co tedy stojí za úspěchem této technologie a čemu vděčí světloemitující diody (LED) za svůj dramatický vývoj? Na tyto otázky se pokusíme odpovědět v následujících odstavcích.

Abychom pochopili, proč jsou "LEDky" poslední dobou tolik propagovány, podíváme se nejprve trochu do historie a na technologii jako takovou. Základním stavebním kamenem pro funkci LED (light-emitting diode) je elektroluminiscence. Tento fyzikální jev lze jednoduše popsat jako vznik fotonu rekombinací elektronu s dírou, jinými slovy přímá přeměna energie na (viditelné) světlo. Objev tohoto jevu je připisován H. J Roundovi  roku 1907. První funkční LED byla představena v roce 1955, kdy Rubin Braunstein předvedl infračervenou emisi na GaAs (polovodič, gallium arsenid). Konečně v roce 1962 objevil Nick Holonyak červenou diodu, což můžeme chápat jako samotný počátek LED pro osvětlování. Avšak cesta za diodou s bílým světlem byla ještě dlouhá - trvala několik desetiletí.

Nepředbíhejme, začněme hezky od začátku. LED spadají do skupiny světelných zdrojů, které vyzařují z pevné fáze. Proto se můžeme občas setkat v souvislosti s LED se zkratkou SSL (Solid-State Lighting). Pevné látky můžeme nalézt ve dvou základních podobách, a sice amorfní a krystalické. Krystalické látky dále dělíme na monokrystalické, kde je v celém objemu materiálu zachována stejná orientace krystalové mřížky, a polykrystalické, kde můžeme vysledovat větší množství náhodně orientovaných zrn.

Pásové teorie

Cestou jak odpovědět na otázku, proč dioda svítí, je pásový model polovodičů, který vychází z kvantové teorie. Omezme se na zjednodušený případ, kdy vztahujeme celé řešení na monokrystalické prostředí, uvažujmee hmotnost elektronů mnohem menší, než je hmotnost atomových jader, a pohyb těchto jader zanedbáme. Pro tento případ můžeme řešit tzv. Schrödingerovu rovnici:

HΨ = EΨ.

H je Hamiltonův operátor (tzv.: hamiltonián), který udává kinetickou a potenciální energii všech jednotlivých jader a atomů, Ψ je vlnová funkce jader a elektronů a E vyjadřuje energii krystalu. Hledaným řešením Schrödingerovy rovnice je Blochova funkce, kterou chápeme jako rovinnou vlnu šířící se ve směru vlnového vektoru k. Tato vlna je modulována funkcí u_k(r) v periodě krystalové mříže. Odvozujeme z ní, že chování elektronu v krystalové mříži je podobné chování volného elektronu a navíc nám dovoluje omezit se pouze na periodu krystalové mříže. Platí:

Ψ(r)=ε^ikru_k(r).

Podrobnější analýzou zjistíme, že existuje omezený počet stavů, ve kterých se může elektron v krystalu nacházet. Pro nás jsou ale paradoxně důležitějí stavy, ve kterých se elektron nacházet nemůže, tedy zakázané pásy. Obojí můžeme zobrazit pomocí Brillouinových zón. Tyto grafy můžeme číst tak, že na ose X je uvedena vzdálenost v periodě krystalové mříže, na ose Y možná potenciální energie elektronu v tomto krystalu. Všimnout si můžeme, že mezi jednotlivými funkcemi existují energie, kterých elektron nemůže nikdy nabývat. Pásový model tedy chápeme jako zjednodušený popis chování elektronů v krystalové struktuře.

Otázkou zůstává, v jakém pásu se elektrony nacházejí. V úvodních odstavcích bylo naznačeno, že elektrony se stávají nositeli elektrického náboje, pokud se nacházejí v tzv. vodivostní vrstvě neboli pásu. Zároveň víme, že do  tohoto pásu přecházejí z valenční vrstrvy, což je obecně platný model pro všechny materiály, který vychází z Pauliho vylučovacího principu. Pro popis dějů uvnitř diody tedy vždy budeme hovořit pouze o valenčním pásu, který je za běžných podmínek vždy zaplněn elektrony, a pásu vodivostním, kde je přítomnost elektronů nezbytná, má-li se látka chovat jako vodivý materiál.

PN přechod

Nyní přecházíme k prvnímu zásadnímu rozdílu mezi klasickými usměrňujícími diodami a LED. U klasických diod je naší snahou, aby po přiložení vnějšího elektrického pole oblastí prostorového náboje prošlo maximum volných nosičů, a nechodázelo tak ke ztrátám v oblasti prostorového náboje, což by kromě snižování účinnosti diody způsobovalo také její ohřívání a v důsledku možné zničení. U LED se naopak snažíme, aby maximum těchto nosičů vzájemně rekombinovalo v této oblasti za vzniku viditelného záření v podobě světla. Zmiňovaný rekombinační proces, který stojí za vznikem viditelného záření v podobě fotonu, si nyní zběžně popíšeme.

Rekombinace

Vlnová délka světla vyzářeného z diody je dána typem použitých materiálů. Jinými slovy: lze volbou materiálů (případně koncentrací) nastavovat, jakou barvu světla má dioda vyzařovat. Souvislost mezi materiálem a vlnovou délkou je jednoduchá - každý materiál má různou šířku zakázaného pásu, tedy existuje jiná energie, kterou musí elektron přijmout/vyzářit, aby tento pás překonal. Pokud známe šířku zakázaného pásu, frekvenci vyzařovaného světla spočítáme jednoduše pomocí Planckovy konstanty:

E = hf = hc/λ

, kde E značí energii, h je Planckova konstanta, f frekvence vyzařovaného světla, c rychlost světla ve vakuu a λ je vlnová délka světla.

Budoucnost

Podobně jak je tomu u mikropocersorů, i světloemitující diody (LED) slibují veliký potenciál v příštích letech. Podíváme-li se do minulosti, zjistíme, že vyzářený výkon  jednotky plochy čipu je 30x větší každých 10 let, přičemž cena za vyzářený lumen každých 10 let 10x klesne. Proto když vezmeme v potaz, že současná kvalitní LED svítidla nabízejí dostatečný výkon a zajímavé úspory, je zřejmé, že budoucnost bude jedině "zelenější". Dalším příkladem zvyšování kvality osvětlení skrz LED světelné zdroje je stále se zvyšující index podání barev. Dnes již není problém pořídit LED svítidlo s CRI >80, zatímco ještě před dvěma lety byl tento úkol takřka neřešitelný.