Spontánní Emise LED: Princip a Aplikace

31.10.2025

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. 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. Další součástkou, kterou se v tomto článku budeme zabývat, je laserová dioda (LD).

Princip Elektroluminiscence v LED a LD

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.

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‘. Přímé polovodiče jsou takové, které mají v E(k) diagramu dno vodivostního a vrchol valenčního pásu proti sobě, např. GaAs. 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.

Spontánní a Stimulovaná Emise

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) nebo stimulovanou emisí. 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.

V případě polovodičů je aktivním prostředím např. Existuje kladná zpětná vazba, která zajistí, že část generovaných fotonů zůstává v aktivním prostředí, aby stimulovaly další přechody elektronů z vodivostního pásu (Wc) do valenčního pásu (Wv). Této vazby se dosáhne vložením aktivního prostředí do Fabry-Perotova rezonátoru, který je tvořen dvěma planparalelními zrcadly, z nichž alespoň jedno je polopropustné.

Čtěte také: Emise záření: princip

Inverze Populace

V aktivním prostředí musí stimulovaná emise dominovat nad absorpcí. K tomu je zapotřebí zajistit, aby na vyšší energetické hladině (Wc) bylo více nosičů než na nižší (Wv). 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.

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. Vertikální lasery s povrchovým vyzařováním (VCSEL - Vertical Cavity Surface Emitting Laser) mají oproti klasickým laserům řadu výhod. 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.

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. 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.

Barevné Vidění a Vnímání Barev

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. 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. Proto vnímání stejné barvy může být dosaženo složením více kombinací barev. 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).

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. 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. Je paradoxní, že skutečná teplota zdroje světla je v přímém protikladu se subjektivním vnímáním teplých a studených barev.

Čtěte také: Živá příroda a spontánnost

Barva LED a Metody Míchání Barev

Barva LED v podstatě závisí (pomineme-li legování) na šířce zakázaného pásu materiálu, ze kterého je vyrobena její aktivní oblast. Použitý materiál má také vliv na úbytek napětí na diodě při průchodu proudu v propustném směru. 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.

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.

Dostupnost a Aplikace LED a LD

Při nahlédnutí do katalogu některé z prodejních sítí elektronických součástek můžeme konstatovat, že na českém maloobchodním trhu je k dispozici velmi široká nabídka LED a naproti tomu velmi nepatrná nabídka laserových diod.

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. 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.

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. 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.

Čtěte také: Koeficient spontánní emise