pienoiskuva|Ledeillä toteutettu 7-segmenttinäyttö ja erivärisiä LEDejä. thumb|Ledejä LED () eli loistediodi, valodiodi, hohtodiodi tai ledi on puolijohdekomponentti, joka säteilee valoa, kun sen läpi johdetaan sähkövirta. LEDit, kuten muutkin diodit, päästävät virtaa läpi vain toiseen suuntaan. LEDien valmistusmateriaali (monesti galliumyhdisteitä) määrää komponentin lähettämän valon värin, jota voidaan edelleen muokata LEDin pintaan lisätyillä kalvoilla ja pinnoitteilla.Pauli Reinikainen: Led mullistaa valaistuksen. Energia virtaa, Vantaan Energia Oy:n asiakaslehti 4/2006 Kaukosäätimissä käytetään yleensä LEDejä, jotka säteilevät infrapunavaloa. Yksittäisen LEDin emittoiman valon spektri on yleensä varsin kapea eli säteily on lähes monokromaattista, mutta useita ledejä voidaan pakata samaan koteloon yhdistelmävärien saamiseksi.
LEDejä käytettiin pitkään lähes yksinomaan elektronisten laitteiden merkkivaloina ja näyttötauluissa, LED-näytöissä, mutta ne ovat yleistyneet myös valaistuksessa. Tämän ovat tehneet mahdolliseksi entistä valovoimaisempien LEDien kehittäminen ja etenkin valkoisen LEDin keksiminen.
Valkoisen LEDin kehittäjälle Shuji Nakamuralle myönnettiin Millennium-teknologiapalkinto vuonna 2006. Valkoinen LED perustuu siniseen LEDiin, joka on päällystetty fluoresoivalla loisteaineella, joka muuntaa osan säteilystä kellertäväksi niin, että silmän aistima valon väri on valkoinen. Toinen periaate tehdä valkoinen LED on yhdistää erivärisiä LEDejä.How is white light made with LEDs? Lightning Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute
Historia Ensimmäisen valoa lähettävän diodin valmisti Marconin laboratorioissa työskennellyt brittiläinen kokeilija H. J. Round vuonna 1907. Hänestä riippumatta venäläinen Oleg Vladimirovitš Losev teki saman keksinnön 1920-luvulla. Vaikka siitä kerrottiin venäläisissä, saksalaisissa ja brittiläisissä tieteellisissä aikakauskirjoissa, keksintö ei vielä tullut kovin tunnetuksi eikä sitä vuosikymmeniin käytetty hyväksi mihinkään tarkoitukseen. Vuonna 1955 Radio Corporation of Americassa työskennellyt Rubin Braunstein havaitsi, että eräät puolijohdeaineet lähettävät infrapunasäteilyä. Sitä lähettivät hänen tutkimustulostensa mukaan galliumarsenidista (GaAs) galliumantimonidista (GaSb), indiumfosfidista tai piin ja germaniumin seoksesta valmistetut puolijohdekomponentit, jotkin niistä huoneenlämmössäkin, toiset alhaisissa lämpötiloissa (77 K). Saman havainnon tekivät galliumarsenidin osalta vuonna 1961 Texas Instrumentsissa työskennelleet kokeilijat Bob Biard ja Gary Pittman. Vaikka Braunstein oli tehnyt keksinnön aikaisemmin, Briard ja Pittman voittivat prioriteettikiistan ja patentti keksinnöstä myönnettiin heille.
Ensimmäisen käyttökelpoisen näkyvää valoa lähettävän, punaisen LEDin kehitti vuonna 1962 General Electricissä työskennellyt Nick Holonyak, joka myöhemmin siirtyi Illinoisin yliopistoon. Holonyakia pidetäänkin "valoa emittoivan diodin isänä". Holonyakin oppilaana yliopistossa opiskellut George Craford keksi vuonna 1972 ensimmäisen keltaisen LEDin sekä kymmenen kertaa entistä kirkkaammat punaiset ja punaoranssiset LEDit.
Shuji Nakamura japanilaisessa Nichia Corporationissa valmisti ensimmäisen entisiä huomattavasti kirkkaamman sinisen LEDin. Sen materiaalina oli indiumgalliumnitridi (InGaN). Jo sitä ennen oli galliumnitridista (GaN) valmistettu kirkkaita LEDejä. Vuonna 1995 Alberto Barbieri Cardiffin yliopiston laboratoriossa (GB) tutki kirkkaiden LEDien tehokkuus- ja luotettavuusominaisuuksia ja osoitti, että erityisen hyvä tulos saadaan, jos indiumtinaoksidi (InSnO) kytketään yhteen galliumarsenidin kanssa. Kun siniset ja erityisen tehokkaat LEDit oli keksitty, Nakamura sai pian kehitetyksi myös ensimmäisen valkoisen LEDin, johon käytettiin yttriumalumiinigranaatin ja ceriumin seosta Y3Al5O12:Ce, "Ce:YAG". Fosforipitoisella päällysteellä saatiin sinisen valon väri muuttumaan niin, että se näyttää valkoiselta. Nakamuralle myönnettiin tästä vuonna 2006 Millennium-teknologiapalkinto ja vuonna 2014 Nobelin fysiikanpalkinto (jälkimmäinen yhdessä Isamu Akasakin ja Hiroshi Amanon kanssa).
LEDien tehokkuus ja valovoima on 1960-luvulta saakka kasvanut likipitäen eksponentiaalisesti ja kaksinkertaistunut aina noin 36 kuukaudessa. Tämä muistuttaa tietotekniikan alalla havaittua Mooren lakia ja kehityksestä onkin käytetty nimitystä Haitzin laki, tohtori Roland Haitzin mukaan. LEDien kehitys johtuu suurelta osaltaan puolijohteiden muiden sovellusten sekä optiikan ja materiaalitieteiden kehityksestä.
Ensimmäiset käyttötarkoitukset thumb|right|Poliisiauto, jonka hälytysvaloissa käytetään LED-teknologiaa.
LEDien ensimmäisiä kaupallisia käyttötarkoituksia olivat erilaisten laitteiden merkkivalot. Ensin niitä käytettiin kalliissa laboratoriolaitteissa ja elektronisissa tutkimusvälineissä kuten oskilloskoopeissa, mutta jo 1970-luvulla myös televisioissa, radioissa, puhelimissa, laskimissa ja sittemmin kelloissakin. Esimerkiksi laskinten näyttötauluissa numerot on usein muodostettu LEDeistä, joskin niiden asemasta alettiin myöhemmin käyttää myös nestekidenäyttöä. Tällaisissa sovelluksissa käytettiin yleensä punaisia LEDejä, joiden valovoima riitti vain merkkivaloihin, mutta ei huoneen valaistukseen. Myöhemmin näissä laitteissa alettiin yleisesti käyttää myös muunvärisiä LEDejä. Vasta 1990-luvulla uusien LEDien valovoima oli kehittynyt niin kirkkaaksi, että niitä voitiin käyttää myös valaisimina.
Toimintaperiaate pienoiskuva|291x291px|LEDin toimintaperiaate. Vasemmalla on p- ja oikealla n-puolijohde liitettynä tasavirtalähteeseen. Kuvassa alla on kaavakuva elektronien energiatasosiirtymästä. LEDien toiminta perustuu niiden n-tyypin puolijohteiden "ylimääräisten" elektronien ja p-puolijohteiden elektronivajaiden "aukkojen" yhtymiseen. Yhtymisessä n-puolijohteen elektronien korkeat energiatasot laskevat niiden täyttäessä p-puolijohteen matalamman energian aukkoja. Energiatason muutoksissa vapautuu energiaa lähinnä fotoneina. Valon vapautumista kutsutaan elektroluminesenssiksi, joka voidaan ajatella aurinkopaneelien käyttämän valosähköisen ilmiön käänteiseksi tapahtumaksi.
Negatiivisessa eli n-puolijohteessa on ylimääräisiä elektroneja ja elektronivajaassa positiivisessa p-puolijohteessa on elektronivajaus, eli vapaita paikkoja, joihin voi siirtyä elektroneja. Elektronien lisä tai vajaus on puolijohdemateriaaliin saatu douppaamalla, eli lisäämällä niihin sopivan elektronirakenteen omaavia alkuaineita hyvin pieniä määriä. Puolijohteena voi esim. olla galliumarseeni (GaAs).
Tasavirtalähteen negatiiviselta navalta tulee sähkövirta eli elektroneja johdinta pitkin, joka on liitetty LEDin n-puolijohteeseen. Johtimen elektronit työntävät edeltään n-puolijohteen elektroneja muuttuen itse n-puolijohteen ylimääräisiksi elektroneiksi. Tieltä pois työntyvät elektronit siirtyvät kohti p-puolijohteen vapaita elektronipaikkoja.
p-puolijohde on kytketty tasavirtalähteen (esim. paristo) positiiviseen napaan ja p-puolijohteen elektronivajaat aukot lähestyvät samanaikaisesti sähkövirran kulkiessa LEDin lävitse kohti n-puolijohteelta tulevia elektroneja.
Energiataso, jossa n-puolijohteen elektronit ovat, on rajoittunut (kvantittunut) korkeammalle energiatasolle kuin p-puolijohteen vapaat elektronipaikat. Kun aukko ja elektroni yhtyvät p-n rajapinnan (engl. junction) kohdalla, "putoaa" n-puolijohteen elektroni energiaa vapauttaen tältä korkealta tasolta p-puolijohteen aukkoon, jolloin aukko täyttyy.
p-puolijohteeseen siirtyneet elektronit saavat aikaan elektronien liikkeen pois p-puolijohteelta kohti tasavirtalähteen positiivista napaa ja niiden poistumiskohtiin muodostuu uusia aukkoja.
Kussakin putoamisessa vapautuvan energian täytyy muuntua energian säilymisperiaatteen mukaisesti johonkin muotoon: tämä energia muuttuu valona tai muuna säteilynä (esim. IR, UV) nähtäväksi fotoniksi ja usein vähäisessä määrin lämpöliikkeeksi.
Energiatasojen välinen ero on suhteellinen LEDin säteilyn aallonpituuteen: suuri ero tarkoittaa lyhyempää aallonpituutta (tai suurta taajuutta), jolloin valo on esim. sinistä. Punaisen valon kohdalla aallonpituus on suhteessa suurempi ja tasojen energiaero on siksi pienempi. Säteilyä vapautuu rajatulla aallonpituudella. Siksi monta eri aallonpituutta sisältävä valkoinen valo saadaan yksittäisessä LEDissä yleensä aikaan fosforesenssin avulla: tässä ilmiössä p-n-rajapinnan välissä oleva tähän käyttöön sopiva materiaali absorboi rajatun aallonpituuden säteilyn ja vapauttaa sen hajauttavasti usealla eri aallonpituudella.
LEDien ominaisuudet
LEDien käyttö elektroniikassa
pienoiskuva|LEDin symboli. Ledejä voidaan käyttää joko suoraan tasajännitteellä virtaa rajoittavan etuvastuksen kanssa tai tasajännitepulsseja antavalla ohjaimella. Etuvastus kuluttaa osan tehosta, jolloin LEDistä ei saada maksimaalista hyötyä valotehossa. LED toimii vain oikein päin kytkettynä ja tasajännitteellä, eli anodille + (pidempi jalka) ja katodille – (lyhyempi jalka/lovi 5 mm LEDissä/usein täplä pintaliitos-LEDissä).
Värit ja materiaalit Perinteiset LEDit on tehty epäorgaanisista puolijohdekomponenteista. Seuraava taulukko esittää värit, aallonpituuden, jännitealeneman ja materiaalin:
VäriAallonpituus [nm]Jännite [V]Puolijohdemateriaaliinfrapuna λ > 760 ΔV < 1,9 galliumarseeni (GaAs) alumiinigalliumarseeni (AlGaAs)punainen 610 < λ < 760 1,63 < ΔV < 2,03 alumiinigalliumarseeni (AlGaAs)galliumarseenifosfaatti (GaAsP)alumiinigalliumindiumfosfaatti (AlGaInP) gallium(III)fosfaatti (GaP)oranssi 590 < λ < 610 2,03 < ΔV < 2,10 galliumarseenifosfaatti (GaAsP)alumiinigalliumindiumfosfaatti (AlGaInP) gallium(III)fosfaatti (GaP)keltainen 570 < λ < 590 2,10 < ΔV < 2,18 galliumarseenifosfaatti (GaAsP)alumiinigalliumindiumfosfaatti (AlGaInP) gallium(III)fosfaatti (GaP)vihreä 500 < λ < 570 2,18 < ΔV < 4,0 indiumgalliumnitridi (InGaN) / gallium(III)nitridi (GaN)gallium(III)fosfaatti (GaP)alumiinigalliumindiumfosfaatti (AlGaInP)alumiinigalliumfosfaatti (AlGaP)sininen 450 < λ < 500 2,48 < ΔV < 3,7 sinkkiseleeni (ZnSe)indiumgalliumnitridi (InGaN) piikarbidi (SiC) substraattinapii (Si) – (kehitteillä)violetti 400 < λ < 450 2,76 < ΔV < 4,0 indiumgalliumnitridi (InGaN)purppura monta eri tyyppiä 2,48 < ΔV < 3,7 tupla sini/puna -LED, sininen punaisella fosforipäällysteellä, valkoinen LED purppuramuovillaultravioletti λ < 400 3,1 < ΔV < 4,4 timantti (C)alumiininitridi (AlN) alumiinigalliumnitridi (AlGaN) alumiinigalliumindiumnitridi (AlGaInN) – (alle 210 nm)
Lisäksi voidaan tehdä valkoisia eli laajaspektrisiä LEDejä, joissa jännite on 3,5 V. Ne ovat sini/UV-diodeja keltaisella fosforipäällysteellä.
LED sarjavastuksella
Tavallisen halkaisijaltaan 5 millimetrin LEDin nimellisvirta on tyypillisesti 20 mA ja sen kynnysjännite on n. 1,7–3,7 V riippuen LEDin väristä. Valaistuskäyttöön tarkoitetuissa LEDeissä on yleensä useita LED-siruja sarjaan- ja rinnankytkettynä. Tämä kynnysjännitteen vaihtelu eri värien kohdalla johtuu LEDin sisällä olevien puolijohteiden eroista. Sarjavastusta laskettaessa tarvitaan tieto käytettävästä käyttöjännitteestä. Ensiksi lasketaan jännite, joka on jäätävä vastuksen yli, vähentämällä LEDin kynnysjännite käyttöjännitteestä. Sopiva vastus saadaan Ohmin lain avulla kaavasta: R = U/I, jossa R = vastus ohmeissa, U = edellä laskettu jännite volteissa, ja I = virta ampeereissa. Käytettäessä LEDiä täydellä teholla virta on yleensä 20 mA. LEDiä voidaan himmentää kasvattamalla vastusta. Käytettäessä korkeita jännitteitä tulee varmistaa myös vastuksen tehonkesto ja sähköturvallisuus.
LEDien edut pienoiskuva|Sininen LED.
LEDit ovat valonlähteinä hehkulamppuun verrattuna erittäin pienikokoisia ja mekaanisesti kestäviä: niissä ei ole helposti rikki menevää lasikuorta eikä hehkulankaa. LEDit ovat myös oikein asennettuna pitkäikäisiä. Valkoisilla LEDeillä sininen valo muutetaan loisteaineen avulla osittain valkoisemmaksi. LEDien suhteellisen hyvä suuntaavuus tekee niistä myös sisustuksellisesti houkuttelevia valonlähteitä.