A LED és kapcsolástechnikája

Az ismertetésre kerülő optoelektronikai kapcsolások működésének megérté­séhez röviden ismertetjük a fényemittáló dióda (LED) működését. Lényegében ennek az eszköznek a megjelenése te­remtett önálló alapot az optoelektronikának.

A fényemittáló dióda olyan félvezető eszköz, amely az elektromos energiát közbenső hőenergia nélkül közvetlenül alakítja fénnyé. (Ez természetesen nem jelent veszteség nélküli átalakítást, hiszen a fényemittáló diódák hatásfoka néhány % körül mozog, a többi hőveszteség. A közvetlen átalakítás azt jelenti, hogy a fényenergia nem hőenergiából keletkezik izzítással, így hullámhosszát sem a hőmérséklet határozza meg, bár a környezeti hőmérséklettől függ.) A fény­keltést az elektrolumineszcencia jelensé­gével magyarázzuk, amelyet először H. J. Round írt le 1909-ben. Az ilyen „hi­degfényű" eszköz előállítását azonban csak a félvezetőkutatás eredményei tet­ték lehetővé. Ha egy pn-átmenetben nyi­tóirányú feszültség hatására az a rétegből elektronok haladnak a p rétegbe (vagy lyukak az ellenkező irányba), ak­kor adott valószínűséggel találkoznak lyukakkal (vagy elektronokkal), amelyekkel egyesülnek (rekombinálódnak). A gerjesztett elektron-lyuk-pár rekom­binációja során közvetlen vagy közve­tett módon egy fénykvantum keletkezik. A rekombinációs fény hullámhosszát az alkalmazott félvezető anyag tiltott zóná­jának szélessége határozza meg.

Ahhoz, hogy a felszabaduló fénykvantumok hullámhossza az emberi szem számára látható legyen, vagy az iparilag haszno­sítható infravörös tartományba essen, olyan anyagot kell választani, amelyben a tiltott zóna elegendően széles, és a rekombinálódás valószínűsége nagy. A négy vegyértékű germánium és szilícium e célra nem alkalmas, a fényemittálásra képes félvezető anyagok a periódusos rendszer III. és V. oszlopából kerülnek ki (azaz három és öt vegyértékűek). Leg­alkalmasabbnak a galliumarzenid és a galliumfoszfid bizonyult, de néhol talál­kozunk szilíciumkarbiddal is. Ezekből külön-külön, vagy megfelelő ötvözési arányokban vegyesen, egyéb adalék­anyagokkal keverve állíthatók elő a ma ismert színű fényemittáló diódák félve­zető anyagai. A teljes színskálából nap­jainkig csak néhányat sikerült megvaló­sítani: négy különböző látható színű és a láthatatlan infravörös fényt emittáló diódákat gyártják nagy sorozatban. A piros, zöld, sárga és narancs színek kö­zött erős hiányát érezzük a kéknek, amelyet még csak laboratóriumi szinten állítottak elő galliumnitridből - gyártása még megoldatlan. Színes képmegjele­nítők készítésére ezért napjainkban még nincs lehetőség.

A különböző optoelektronikai eszközök alkalmazásánál az első biztató kísérletek után csakhamar rájövünk, hogy azok adatainak beható ismerete nélkül különböző üzemeltetési problémák adódnak, de az is lehet, hogy a lehetősé­gekhez képest alig merjük ezeket az esz­közöket használni. Ilyenkor kerülnek elő az adatlapok, amelyeken a félvezető­technikában járatos szakember és amatőr sok új fogalommal találkozik. Fenn­áll a veszély, hogy a candela, font-lambert stb. ismeretlen mértékegységek kö­zött nem tudván eligazodni, ezeket fi­gyelmen kívül hagyjuk, és megelégszünk a kísérleti eredményekkel. Ennek elke­rülése végett egy rövid elméleti összefog­lalóban megadjuk a használatos megha­tározásokat és mértékegységeket. Ma­gyarázatunk a fényemittáló diódákra mint fényforrásokra vonatkozik, de ter­mészetesen a többi optoelektronikai eszközre is értelmezhető.

Egy fényemittáló eszközből kisugár­zott fényt vizsgálhatunk úgy, mint elekt­romágneses hullámokat, és úgy is, mint az emberi szem által érzékelt vizuális be­nyomást. Az első esetben a fizika sugár­zásokkal foglalkozó ága (radiometria) írja le a jelenséget, a másodikban pedig a fotometria. Időben a fotometria tekint vissza nagyobb múltra, mert ennek alapja az érzékszervi észlelés. A fizika sugárzásokkal foglalkozó ágát az elekt­romágneses hullámok felfedezése ala­pozta meg, és a fényt csak a XIX. század végétől számítjuk ezek közé. Ezzel sok, addig megmagyarázhatatlan jelenség vált érthetővé (p1. a diffrakció). Ez a fejlődés azonban egy sor problémát is felvetett, amely mind a mai napig zavart okozhat a műszaki életben. A probléma abban rejlik, hogy a fotometria mennyi­ségei és mértékegységei a vizuális be­nyomásokra épülnek, és így legtöbbször nélkülöznek minden fizikai alapot (pl. régi gyertya, új gyertya stb.). A fény hullámtermészetét tárgyaló fizika mennyi­ségei és mértékegységei a kvantummechanika állandóin és a metrikus fizikai egységeken alapulnak. Természetesen a kétféle rendszer mennyiségei egymásnak megfelelnek, mértékegységei pedig át­számolhatók egymásba.

A fizikai mértékegységek sokkal racionálisabbak és más hullámokra is kiterjeszthetők, mégsem tudták kiszorítani a fotometriai mennyiségeket. Ennek több oka van: a fotometria ugyanis nagy hagyományokkal rendelkező tu­dományág. Jelentős ipari háttérrel, mér­tékegységein alapuló műszerparkkal (csupán a látható fénnyel foglalkozva) azt a gyakorlati alkalmazásnak megfelelő részletességgel tárgyalja.

A fotometria különböző színű fényről beszél, ugyanezt a fizika különböző hul­lámhosszúságú sugarakként tartja nyil­ván. A fotometria az egyes színeket színtónusával, színtisztaságával és fedettségével jellemzi. A fizika ugyanezt a domináns hullámhosszal, a félsávszélességgel és a spektrális tisztasággal írja le. A fotometria minden gyakorlati előnye mellett viszont el kell mondani, hogy a fizikai ismeretek nélkül nem születtek volna meg napjaink fényemittáló diódái.

Nem célunk itt részletes fénytani tárgyalásba bocsátkozni, csupán az optoelektronikai eszközök adatlapjain található mennyiségek megértéséhez szeret­nénk segítséget nyújtani. Ezért áttekint­jük néhány alapmennyiség meghatáro­zását és mértékegységét, valamint ezek átszámítási tényezőit.
A cikk még nem ért véget, lapozz!