| Apie | Žurnalas | Archyvas | Mokslo įdomybės | Paieška |

2001 m. Nr. 2 turinys

· Nacionalinis numeracijos planas - telekomunikacijų rinkos vystymosi užtikrinimo priemonė
· Garso paslaugos DSL tinkluose
· GJNASS - globalinė jūrų nelaimės atveju saugumo sistema
· Kazakhtelecom didina investicijas
· Žinutės

Internetas
· Interneto anarchistai
· Elektroninė laiko žymė
· Karas tinkle
· Kompiuterių e-muniteto beieškant
· IP telefonija, kurioje reikalingas tik vienas komponentas
· Ethernetas - konverguojančių technologijų tinklas
· Žinutės

Optinis ryšys
· Nuo idėjos iki milijardinio biznio
· Greičiau nei vakuume skriejantis fotonas
· Saugiai persiunčiamas kvantinis raktas
· Nauji perderinamieji bangos ilgio lazeriai optinio ryšio sistemoms
· Silicis tampa lazerine terpe
· Idealus fokusas
· Povandeninis optinis ryšys
· Šviesos diodai: geriausiojo šviesos šaltinio beieškant
· Mažesnės CCD matricos padidina vaizdų gavimo spartą
· Žinutės

Mobilusis ryšys
· Apie radijo prieigų signalus
· Radijo atgimimas
· Norvegijos prašmatnus mobilusis telefonas
· Pirmasis CMOS matricos technologija gamanintas GSM transyveris
· Žinutės

Elektronika
· Kada sušlubuoja atmintis
· Įpilk man dar kelis lazerius
· Naujoviškas ekranas
· Superlaidus plastikas
· Automobilis - tinklo naršyklė su padangomis
· Kas toliau?
· Airijos aukštųjų technologijų pramonė nepasiduoda nuosmukiui
· Pasiklausyk!
· Kokia yra atminties mikroschemų ateitis?
· Žinutės

Šviesos diodai: geriausiojo šviesos šaltinio beieškant

   Vis labiau plinta visą matomos šviesos spektrą spinduliuojantys šviesos diodai. Prasideda lenktynės, kas pirmas sukurs baltą šviesą spinduliuojančius prietaisus, pakeisiančius daugiau kaip prieš šimtą metų Edisono išrastąsias kaitinimo lemputes. Apie tai žurnale „Scientific American" rašo amerikiečių fizikai M. G. Crafordas, N. Holonyakas ir F. A. Kishas.

   Mums visą tai bestebint vyksta tikra technikos revoliucija. Ją sukėlė puslaidininkiniai prietaisai, vadinami šviesos diodais. Labai gerai žinoma, kaip nedidelės raudonos ar žalios prietaisų skydelių indikatorių švieselės, šviesos diodai dabar pradeda daugelyje taikymų keisti kaitinimo lemputes. Kodėl? Šviesos diodai verčia elektrą įvairių spalvų šviesa kur kas efektyviau nei jų giminaitės kaitinimo lempos - raudonos šviesos atveju šis efektyvumas yra 10 kartų didesnis. Jie yra patvarūs ir nedideli; kai kurie šviesos diodų tipai gali veikti fantastiškai ilgai - 100 000 valandų, arba dešimt metų netrūkaus darbo. Palyginkime, vidutinė kaitinimo lempa veikia apie 1000 valandų. Negana to, šviesos diodų spinduliuojamas intensyvumas ir spalvų gama pagerėjo taip ženkliai, jog jie dabar tinka dideliems displėjams; bene įspūdingiausias iš jų yra aštuonių aukštų dydžio akcijų biržos Nasdaq skelbimų lenta Niujorko Times skvere.

   Šiuo metu inžinieriai stengiasi sumažinti šviesos diodų gamybos kainą, padidinti jų efektyvumą ir išplėsti spinduliuojamų spalvų gamą. Tiesą sakant, raudonų, žalių ir mėlynų šviesos diodų išvesčių spinduliuotes visada galima sumaišyti ir gauti baltą šviesą, kuri būtų labai plačiai taikoma. Vieną dieną tokie diodai turėtų pakeisti prieš daugiau kaip šimtmetį Thomas Edisono išrastas kaitinimo lempas.

   Kai kur šviesos diodais keičiamos kaitinimo lempos jau ir dabar. Labiausiai pastebimi nauji jų taikymai automobilių pramonėje. Europoje nuo 60 iki 70 procentų pagamintų automobilių naudojami šviesos diodai aukštai montuojamuose stabdžių signaluose; JAV automobilių pramonė irgi pradeda judėti šia kryptimi. Šviesos diodai pradedami naudoti ir gabaritiniuose bei posūkių šviesos signaluose. Tikimasi, kad šio dešimtmečio pabaigoje jie bus svarbiausi automobilių išorės raudonuose ir geltonuose signaluose naudojami šaltiniai.

   Šviesoforuose ir kitose spalvinėse lempose paprastai naudojamos kaitinimo lempos, padengtos filtrais, išskiriančiais reikalingos spalvos šviesą. Nors pats filtravimas yra labai nebrangus - lempos spinduliuoja šviesą, kuri kainuoja dalelę cento už kiekvieną liumeną (standartinis apšviestumo matavimo vienetas), - bet toks šviesos gavimo būdas yra siaubingai neefektyvus. Pavyzdžiui, raudonasis filtras nepraleidžia apie 80 proc. spinduliuotės, todėl sukuriamos šviesos kiekis nuo 17 liumenų kiekvienam elektros srovės vatui nukrinta iki trijų keturių.

1 pav. Patobulinus šviesos diodų technologiją jų spinduliavimo efektyvumas tapo žymiai didesnis už įprastinių šviesos šaltinių.

   Priešingai tam, šviesos diodus naudojančiame stabdžių signale sukurta raudona šviesa kainuoja apie 15 centų už liumeną, bet beveik visa ji yra reikalingos spalvos. Maža to, stabdžių signalo šviesos diodai suvartoja tik nuo 10 iki 25 W - gerokai mažiau nei panašaus ryškio kaitinimo lempa, kuri sunaudoja nuo 50 iki 150 W. Taip sutaupyta elektros energija leidžia kompensuoti didesnę šviesos diodų kainą vos per vienerius metus. Pridėjus sumažėjusius šviesos diodų aptarnavimo kaštus darosi aišku, kodėl šviesos diodus vis labiau pamėgsta miestų planuotojai.

   Interjerų kūrėjai pradėjo naudoti šviesos diodus prieš kelerius metus, kai pasirodė visų spalvų didelio ryškio prietaisai. Kadangi kiekvienas šviesos diodas duoda tam tikrą charakteringą atspalvį, vartotojai gali valdyti beveik visą spektrą. Sudėję skirtingų spalvų šviesos diodus į vieną matricą, vartotojai gali tiksliai keisti jų kartu spinduliuojamos šviesos spektrą. Pavyzdžiui, iš raudonos, žalios ir mėlynos spalvų sudarytą baltąją šviesą galima padaryti „šaltesnę", jei pašalinama dalis raudonos spalvos ir pridedama daugiau mėlynos spalvos.

   Panašus lankstumas duoda visai naujų šviesos panaudojimo būdų. Sakykime, užuot keitę kambario apmušalus ar perdažę jo sienas naujai, galėsime kaitalioti kambario spalvą derindami spinduliuojamos šviesos bangos ilgius. Dirbtinės šviesos privalumus taip pat netruks įvertinti fotografai, kuriems nebereikės gremėzdiškų filtrų.

   Šviesos diodai siūlo įdomių galimybių ir medicinos mokslui. Pavyzdžiui, šviesos diodai su savo maža darbo temperatūra, tiksliai nustatomu bangos ilgiu ir plačiu pluošteliu leis vėžį tiriantiems mokslininkams efektyviau tirti fotodinaminius navikų gydymo būdus. Gydomi šiuo būdu pacientai gauna šviesai jautrių vaistų, kurie pagrindinai susikaupia navikų ląstelėse. Reikiamo bangos ilgio šviesa apšvietus šias chemines medžiagas jos tampa sužadintos ir sunaikina ląsteles. Naudodami šviesos diodų matricą mokslininkai galės sudaryti lygų šviesos „lapą", stimuliuosiantį šviesai jautrius vaistus, nenudeginant paciento odos.

Šviesos diodas iš arčiau

   Tipiškas šviesos diodas būna skaidrus, bespalvis, cilindro formos bumbuliukas, kurio skersmuo yra apie 5 mm, o ilgis - apie 8 mm. Jeigu diodą įjungsime ir apžiūrėsime atidžiau, pamatysime per jo pagrindą einančią vielą ir kažką, kas primena miniatiūrišką taurelę. Ši taurelė - reflektorius, kuriame yra maždaug smėlio kruopelės dydžio puslaidininkinis lustas. Šis lustas ir yra šviesos diodo „širdis".

   Lusto viduje yra sluoksnis su elektronų pertekliumi - tokia medžiaga vadinama n tipo (nuo žodžio „negative" - neigiamas). Kitas sluoksnis, esantis virš pirmojo, pasižymi elektronų stoka, arba, kaip elektronikai sako, turi teigiamai įkrautų dalelių - skylių perteklių. Ši medžiaga yra p tipo („positive" - teigiamas). p ir n tipo sandūroje yra vadinamasis aktyvusis sluoksnis, kuriame ir išspinduliuojama šviesa.

   Pridėta įtampa verčia elektronus ir skyles judėti aktyvaus sluoksnio link, kur susitikę jie emituoja fotonus - šviesos kvantus. Fotonų skaičius ir jų bangos ilgis priklauso nuo atominės aktyviojo sluoksnio ir jam gretimų sluoksnių sandaros.

   Pirmuosiuose šviesos dioduose, gamintuose septintajame dešimtmetyje iš galio, arseno ir fosforo lydinio, elektronai ir skylės susiliedavo labai neefektyviai - po raudonos šviesos fotoną atsirasdavo vos iš kas tūkstantojo elektrono. Tokie šviesos diodai generuodavo mažiau nei dešimtąją dalį šviesos, spinduliuojamos palyginti nedidelės galios kaitinimo lemputėse su raudonu filtru.

2 pav.Puslaidininkio lustas sudaro šviesos diodo pagrindą. Prijungus įtampą „skylutės“ iš p laidumo sluoksnio ir elektronai iš n laidumo sluoksnio keliauja į aktyvųjį sluoksnį. Susitikę jie išspinduliuoja fotoną. Šviesos spalva priklauso nuo aktyviojo sluoksnio medžiagos.

   Jeigu kalbėsime apie raudonąją spektro dalį atitinkančius prietaisus, laikui bėgant ypač išvesties charakteristikos buvo drastiškai pagerintos. 1999 m. Michaelis Krameris su savo bendradarbiais iš kompanijos Hewlett-Packard pasiekė efektyvumo rekordą ir pagamino šviesos diodą, verčiantį fotonais net 55 procentus visų į aktyviąją sritį atkeliaujančių elektronų. Bene svarbiausia tokio patobulėjimo priežastis buvo nenutrūkstamas medžiagos kokybės gerėjimas bei tai, kad buvo kuriamos medžiagos, geriau verčiančios elektronus ir skyles fotonais. Efektyvumas labai pagerėjo, kada mokslininkai suprato, jog medžiagos nebūtinai turi būti vienalytės. Kai kiekvienas darinio sluoksnis būna sudarytas iš kitokių cheminių medžiagų, leidžiančių geriau sukaupti elektronus ir skyles aktyviajame sluoksnyje, elektrono tikimybė rekombinuoti su skyle ir sukurti šviesą padidėja.

   Mokslininkai taip pat išmoko tiksliau keisti puslaidininkių sluoksnių savybes. Jie gali keisti aktyviojo sluoksnio cheminę sudėtį ir legiruoti sluoksnius priemaišomis. Legiravimas keičia n ir p tipo sluoksnių charakteristikas. Norėdami išsiaiškinti paprasčiausią pavyzdį, pažiūrėkime į silicį. Silicis yra Mendelejevo periodinės sistemos ketvirtosios grupės elementas - jis turi keturis elektronus, kuriais jungiasi su kitais atomais. Kristale kiekvienas atomas dalijasi elektronais su jam gretimais atomais. Kai kristale atsiranda nedidelis II grupės atomų kiekis, tai yra turinčių išoriniame sluoksnyje po tris elektronus, darinyje atsiranda nepakankamas skaičius su greta esančiais silicio atomais sudaromų jungčių. Ima trūkti elektronų, susikuria skylės ir medžiaga pasidaro p tipo.

   Ir priešingai, V periodinės sistemos grupei priklausantys elementai, pavyzdžiui, fosforas, išoriniame sluoksnyje turi vieną papildomą elektroną. Silicį legiruojant fosforu kristalas gauna papildomų elektronų ir tampa n tipo medžiaga.

   Šviesos diodų medžiaga nėra silicis, o III ir V grupės elementų mišinys. Kruopščiai kontroliuojant aliuminio, galio, indžio ir fosforo koncentracijas ir įvedant tinkamas priemaišas, paprastai telūrą ir magnį, mokslininkai gali valdyti n ir p tipo sluoksnių susidarymą bei gaminti šviesos diodus, spinduliuojančius raudoną, geltoną ar oranžinę spinduliuotę. Jau aštuntojo dešimtmečio pradžioje galio arsenido fosfido šviesos diodai buvo tiek ryškūs, jog juos pradėjo naudoti pirmuosiuose kalkuliatoriuose ir skaitmeniniuose laikrodžiuose.

   Kita svarbi šviesos diodų charakteristikų pagerėjimo priežastis buvo naujos gamybos technologijos, leidusios patikimai gauti aukštos kokybės kristalus. Ir p tipo, ir n tipo medžiagų atominės gardelės privalo sutapti su darinį palaikančio padėklo ir paties aktyviojo sluoksnio gardelėmis. Viena iš tokių technologijų yra nusodinimas iš dujų fazės, kai įkaitintos dujos leidžiamos į padėklą, kuriame sukuria ploną sluoksnį. Pirmąkart masiškai šviesos diodų gamybai šią technologiją panaudojo septintojo dešimtmečio pabaigoje kompanija Monsanto. 1977 m. Russellas Dupuis, dabar dirbantis Teksaso universitete, pasiūlė skirtingą technologiją - šaltos dujos yra nukreipiamos į įkaitintą padėklą. Šis procesas leidžia gauti daug įvairesnių medžiagų, ir dabar yra pagrindinis gaminant šviesos diodų darinius. Būtent naudodamas šį MOCVD pavadintą būdą (Metal Organic Chemical Vapour Deposition - metaloorganinių cheminių dujų nusodinimas) Shuji Nakamura, dabar dirbantis Kalifornijos universitete Santa Barbaroje, pagamino pirmuosius mėlynai šviečiančius puslaidininkinius lazerius.

   Dešimtojo dešimtmečio viduryje grupė iš kompanijos Hewlett-Packard rado dar vieną ryškio padidinimo būdą - keičiant paties puslaidininkinio lusto formą. Mokslininkai sugebėjo pradinį galio arsenido padėklą, ant kurio ir buvo auginamas aktyvusis sluoksnis, pakeisti skaidriu galio fosfidu. Be to, šviesos diodui buvo suteikta apverstos piramidės forma. Tokia forma sumažina vidinių atspindžių skaičių ir padidina lustą paliekančios šviesos intensyvumą.

Didelės šviesios viltys

   Dėl šių patobulinimų mokslininkai pasiekė tokį lygmenį, kad jau matosi ryškiai šviečiančių ir nebrangių baltų šviesos diodų sukūrimas. Jau dabar galima pirkti nedidelės galios baltai šviečiančius šviesos diodus, kurių efektyvumas yra kiek geresnis nei kaitinimo lempučių, bet apšvietimui tinkami didelės galios prietaisai vis dar per brangūs masinei rinkai. Jeigu tokius prietaisus pavyktų pagaminti pigiau, jų potencialas būtų milžiniškas. Vietoj dužių, karštų, dujų pripildytų stiklinių elektros lempučių, kurios palyginti greitai perdega, o didesnę dalį energijos paverčia nenaudinga šiluma, vartotojas galėtų naudotis ilgaamžiais kietakūniais šviesos šaltiniais. Pavyzdžiui, automobiliuose įmontuoti šviesos diodai galėtų būti niekad nekeičiami per visą automobilio tarnavimo amžių. O nedidelė šviesos diodų sunaudojama energija reikštų, kad akumuliatoriuje jos liks daugiau likusiems elektronikos prietaisams.

   Laimėtų ir visa visuomenė. Jungtinėse Valstijose apšvietimui sunaudojama nuo 20 iki 30 proc. visos šalyje pagamintos elektros energijos. Net ir pačios geriausios standartinės apšvietimo sistemos neleidžia šviesa paversti daugiau kaip 25 proc. elektros energijos. Jeigu baltųjų šviesos diodų efektyvumas prilygtų šiandieninių raudonųjų šviesos diodų efektyvumui, vien JAV energijos poreikiai sumažėtų tiek, jog šios šalies elektrinės kasmet išmestų į atmosferą net 300 milijonų tonų mažiau anglies dvideginio.

   Kompanija, kuri pirmoji pradės masiškai gaminti nebrangius didelio ryškio baltuosius šviesos diodus, automatiškai užsiims puikią vietą pasaulinėje apšvietimo prietaisų rinkoje, kurios dydis vertinamas 12 mlrd. dolerių. Būtent dėl to trys patys didžiausi apšvietimo prietaisų gamintojai - Philips, Osram Sylvania ir General Electric - skiria tiek daug dėmesio šviesos diodų tyrimo darbams, todėl kaip grybai po lietaus dygsta naujos šioje srityje veikiančios kompanijos.

   Nedidelės galios baltieji šviesos diodai jau dabar yra naudojami mobiliųjų telefonų displėjaus ir klaviatūros apšvietimui ir signaluose, reguliuojančiuose pėsčiųjų eismą. Pradeda atsirasti ir antrosios kartos galingesnių šviesos diodų, kurie gali tikti, pavyzdžiui, gatvių apšvietimui ar reklamoms. Tačiau masiško lempų pakeitimo apšvietimo įrangoje vargu ar galima tikėtis per artimiausius dešimt dvidešimt metų, visų pirma dėl to, kad baltuosius šviesus diodus vis dar nelabai sekasi padaryti pakankamai efektyvius ir nebrangius.

   Šviesos diodai gali generuoti baltą šviesą dvejopai. Vienas būdas, kai raudonojo, žaliojo ir mėlynojo šviesos diodų spinduliuotės maišomos panaudojant spalvų teorijos sumavimo principą. Šio būdo silpnoji vieta yra ta, jog įvairiaspalvių šviesos diodų spinduliuotę efektyviai ir homogeniškai maišyti yra labai sunku.

   Kitas kelias remiasi liuminoforu, sužadinamu šviesos diodo spinduliuojamais fotonais. Pavyzdžiui, mes galime apgaubti mėlyną šviesos diodą geltonu liuminoforu. Kai šviesos diodo spinduliuojami energijos kvantai pasiekia liuminoforą, jis sužadinamas ir išspinduliuoja geltoną šviesą, kuri susimaišo su mėlynąja šviesa ir duoda baltą šviesą. Kitu atveju galime naudoti ultravioletinį šviesos diodą ir jo sužadinamą raudono, žalio ir mėlyno liuminoforų mišinį, ir šitaip gauti baltą šviesą. Šiuo atveju viskas vyks panašiai kaip dienos šviesos lempose, - šis procesas yra paprastesnis nei trijų spalvų maišymas, bet iš prigimties mažiau efektyvus, nes verčiant ultravioletinę ar mėlyną spinduliuotę ilgesnių bangos ilgių balta šviesa yra prarandama nemažai energijos. Be to, nemažai šviesos yra prarandama ir dėl sklaidos ir sugerties pačiame liuminofore.

   Bet kuriuo atveju nemaža dabartinė šviesos diodų modulių kaina užtveria abiejų šių techninių alternatyvų taikymus apšvietimo sistemose. Dabar geriausi komerciniai balti šviesos diodai kainuoja po 50 centų (JAV) už spinduliuojamą liumeną, o tipiška kaitinimo lempa - mažiau kaip centas.

   Nors ir koks būdas būtų pasirinktas, svarbiausia yra ženkliai sumažinti diodų gamybos kainą ir pagerinti jų charakteristikas. Be to, gali tekti palaukti ir to, kol prie naujųjų apšvietimui skirtų prietaisų pripras vartotojas. Šviesos diodai gali darytis patrauklesni kylant energijos kainai ir aiškėjant visuotinio atšilimo pasekmėms. Gali būti taip, kad, norėdami išspręsti energetines ir ekologines problemas, turėsime atsigręžti į šviesą.


El. p.: info@elektronika.lt