Jak se dělá světlo (4) - ode dneška už jen LED?

Ve jménu pokroku nám EU zakázala výrobu a prodej klasického zdroje světla - žárovek. Nahradily je LED lampy. Malé povídání o ledkách a bitce na stadionu chemie a fyziky. (délka blogu 15 min.) 

Poté, co EU zakázala produkci a prodej žárovek, už moc druhů “autorizovaného” osvětlení nezůstalo. Tolik neoblíbené zářivky jsou nejen nepříjemné na pohled, ale jejich výroba je odkázaná na jed - rtuťové páry. Jinou variantou jsou LED lampy. Je otázka, zda jsou na tom ohledně devastace životního prostředí lépe. I ony totiž potřebují exotičtější chemické prvky, které se musí ze zemské kůry nejprve dolovat a pak extrahovat a čistit, aby byly k dispozici v pokud možno co nejušlechtilejším stavu.

Co je to to LED?

Zkratka LED pochází z anglického Light-Emitting Diode, což je česky elektroluminiscenční dioda. Říká se jí světelná dioda, svítivá dioda a slangově také “ledka”. 

Ledky jsou fascinující kousek moderní technologie. Za to, že vůbec fungují, může velice zajímavý fyzikální jev. Pokud se do nich pustí proud, který je vyšší než určitá pevně daná hodnota, začnou vysílat elektromagnetické záření. To může být jak ve viditelné části spektra, tak infračervené nebo ultrafialové. Záleží na chemické sloučenině, která je součástí jejího “srdce”.

Na horním obrázku vidíte typickou LED. Uvnitř plastového domečku bydlí katoda a anoda, dvě elektrody, které se starají o vstup a odchod elektrického proudu. Vlevo je anoda a vpravo je na obrázku katoda. Aby se daly elektrody rozlišit na první pohled, má LED jednu z “nožiček” kratší… a ta patří k anodě. To je důležité hlavně proto, že LED funguje jednosměrně. Proud má vcházet do anody a směřovat ke katodě. Pokud ji zapojíte obráceně, odmítne se s vámi bavit. Důvodem, proč je tato dioda tak vybíravá, je její “srdce” - polovodičový krystal. 

Ten se nachází uvnitř malé prohlubně na katodě. S anodou i katodou jej spojuje tenký drátek. Ten ale nemá (tak jako v žárovce) za úkol svítit. Je tu jen v roli listonoše, který doručuje elektrony. 

Srdce LED - zázračný krystal, ve kterém se snoubí fyzika s chemií

Tou úplně nejdůležitější částí diody je její nejmenší součástka: různými chemickými prvky dotovaný polovodičový krystal v reflektorové “vaničce”, sedící na katodě. 

Už jeho název zní komplikovaně a vznešeně. Krystal si tedy představte jako významné fotbalové utkání. Na trávníku jsou dvě fotbalová mužstva a ochozy plné fanoušků. Naprostá většina návštěvníků se chová slušně a spořádaně. Pomyslně zastupují v našem krystalu atomy polovodiče - například křemíku. 

Polovodiče jsou látky, které v základním stavu nevedou elektrický proud. Nemají totiž žádné volné elektrony, které by to umožnily. Všechny jejich elektrony jsou spokojené a spárované s elektrony svých sousedů.

Zatímco se ale jiné materiály rozhodly, že buď proud vedou nebo izolují, je polovodič na vážkách. Stačí na něj dostatečně posvítit, zahřát ho, nebo ho nějakým jiným způsobem rozzuřit - a stane se z něj vodič. Stejně jako se z původně mírumilovného davu fotbalových fanoušků stane působením alkoholu tlupa krvelačných Vikingů. 

V rozzuřeném křemíku se pak vytváří  dostatek volných elektronů, které z něj udělají vodivý materiál. Jeho atomy se totiž působením energie rozkmitají a některé z jeho elektronů opustí své zažité místo. Volné elektrony jsou předpokladem pro vodivost materiálu. 

Konstruktéři LED se samozřejmě dokáží pojistit pro případ, že nesvítí slunce a není dost teplo. Do základního materiálu diody zabudovávají chemické prvky, které hrají roli provokatérů. Ty mají pak o kolečko víc nebo míň (respektive o elektron) než polovodič křemík. V praxi to pak znamená, že je v materiálu buď přebytek (volných) elektronů nebo “děr”- míst, kde by měl elektron být - ale chybí tam. 

Dostáváme stejnou situaci, jaká panuje na stadionu, kde se sešly dvě bandy bojechtivých fanoušků. Ne nadarmo se je pořadatel od sebe snaží oddělit. Když se k sobě totiž dostanou, poperou se (proreagují). 

U krystalu to v praxi znamená, že na styku obou různě dotovaných vrstev vzniká vrstva třetí, ve které se díky driftování a difuzi vytvořila vrstva rekombinovaného “mrtvého materiálu”. Podobně jako se na místě střetu dvou rozvášněných davů tvoří zóna se zbitými fanoušky. Reagovaly v ní elektrony (evtl. díry po nich), které sem byly zaneseny ze sousedního materiálu, s opačně elektricky nabitými domorodci. Jevu, ne nepodobnému hromadné bitce na stadionu, se odborně říká rekombinace. 

A právě o ni v LED (světlu emitující diodě) jde. Při “bitce” se totiž uvolňuje energie ve formě elektromagnetického záření. Z LED pak vychází buď viditelné světlo nebo IR, případně UV záření. 

Jak funguje LED

Poté, co se k sobě dostali fanoušci obou mužstev (p- a n-dotovaný materiál), se nejprve vytvoří vrstva “mrtvého” materiálu a nějakou dobu je klid. Přesněji do chvíle, kdy je ke správnému konci diody přiloženo elektrické napětí. Jen tehdy se totiž zmenšuje tloušťka “mrtvé vrstvy” - až nakonec zmizí úplně. Diodou protéká proud, neustále v ní dochází k rekombinaci a uvolňuje se záření, které (pokud má tu správnou vlnovou délku) vnímáme jako světlo. V opačném případě (nesprávné zapnutí) se vrstva ještě rozšiřuje a dioda není schopná vést proud vůbec. 

V roli polovodiče může vystupovat některý prvek ze čtvrté skupiny periodické tabulky, v rolích provokatérů pak například prvky ze sousedství.  

Je tedy z čeho vybírat. Chemické složení také určuje výslednou barvu (vlnovou délku) světla diody. 

Kombinací různobarevných ledek se dá docílit dokonce i bílého a téměř “denního” světla. 

To všechno se odehrává za poměrně nízkých teplot - ve srovnání se stavem, jaký panuje v žárovce. Vzniká tu jen málo odpadního tepla - efektivita tohoto světelného zdroje je tedy daleko lepší než u žárovek. 

Tímto můj malý seriál o zdrojích světla končí. Pátý díl - pokud vůbec - budou psát naši potomci. Možná vymyslí novou fyziku a s ní zdroje, o kterých se nám dnes ani nesní...