LED

LED (מאנגלית: Light-Emitting Diode - דיודה פולטת אור או בשמה העממי "לד") היא דיודה הפולטת אור בספקטרום צר בעת מעבר זרם חשמלי. דיודות מסוג זה הן הרכיב העיקרי בנוריות חיווי ובקרה וכן בנורות LED, והן נמצאות גם בטלפונים סלולריים ובצגי טלוויזיה ומחשב. כמו התקנים רבים באלקטרוניקה, גם לד מיוצר מחומרים מוליכים למחצה, ותכונותיו נובעות מהפיזיקה התת-אטומית שלהם.

דיודות אור בשלושת הצבעים הבסיסיים

היסטוריה

תצוגת LED במחשבון משנת 1978. הספרות הוגדלו משמעותית על ידי שימוש בעדשות בגלל העוצמה הנמוכה של האור

ב-1957 דיווח רובין בראונסטין (אנ'), עובד RCA, על גילוי פליטת אור אינפרא אדום ממוליך למחצה מסוג גליום ארסניד.

ב-1962 רשמו שני חוקרים, ג'יימס בירד וגרי פיטמן, מחברת טקסס אינסטרומנטס פטנט מספר US3293513A על פיתוח דיודה פולטת אור אינפרא-אדום, שהתבססה על התרכובת. דיודות פולטות אור בספקטרום אינפרא אדום משמשות עד היום בהתקני שלט-רחוק. באותה שנה פיתחו ניק חולונייק (אנ') ואולג לוסב (אנ') את הדיודה הראשונה שפולטת אור בתחום האור הנראה. הדיודה פלטה אור אדום^[1]. ב-1972 פותחה דיודה הפולטת אור צהוב. הייצור שלהן החל בשנות השישים, בתחילה בצבע אדום, ובמחיר גבוה יחסית. דיודות אלו פלטו אור חלש יחסית, שהתאים בעיקר לשימוש כנורות בקרה וחיווי למכשור חשמלי, שעונים ומכשירים אחרים, אך לא לתאורה. בהמשך פותחו גם דיודות אור בצבעים אחרים, ומחירן הוזל מאוד.

עד שנות השבעים ניתן היה לייצר דיודות אור בצבעים ירוק, אדום, תת אדום, כתום וצהוב. עם ההתפתחות הטכנולוגית ניתן לייצר דיודות שיפלטו אור בצבעי הספקטרום הנראה, בתחום התת-אדום ובתחום העל-סגול (לרוב עד ל-350 ננומטר, אם כי חברות כמו אוסרם וסמסונג הציגו דיודות שפולטות באורכי גל קצרים^[2][3]). כדי לייצר אור לבן, נדרש היה פיתוח של LED לאור כחול^[4]. ב-1972, הרברט פאול מארושקה וואלי רהינס מאוניברסיטת סטנפורד, פיתחו את הדיודה הראשונה שפולטת אור בצבע כחול מסוג גליום ניטריד^[5][6]. בשנת 1989, חברת Cree (אנ') פיתחה דיודות אור כחולות מסוג צורן קרביד שאפשרו לייצר דיודות RGB^[7][8] ואף אור לבן משילוב שלושת הצבעים. אולם רק עם פיתוח דיודות פולטת אור כחולות בבהירות גבוהה ביפן בתחילת שנות התשעים על ידי שוג'י נקמורה, הירושי אמאנו, ואיסאמו אקאסאקי, התאפשר לקראת סוף העשור פיתוחן של דיודות פולטות-אור לבנות, המורכבות מדיודה כחולה וציפוי זרחני צהוב שיוצרים ביחד אור לבן, בעוצמה מספקת כדי לשמש לתאורה, ולייצור של נורות LED שיחליפו את נורות הליבון הוותיקות. למרות היתרונות העיקריים עליהם מצהירים יצרני התאורה ביחס לנורות אלה, הכוללים נצילות אורית גבוהה ואורך חיים משוער שיכול להגיע ל-60,000 שעות פעולה, בפועל מסיימות רבות מנורות ה-LED את חייהן כבר לאחר מספר שנים בודדות^{[9][10][11][12]}.

אף ששוג'י נקמורה, הירושי אמאנו, ואיסאמו אקאסאקי לא המציאו את דיודת ה-LED הכחולה, אלא תרמו להפיכתה למוצר מסחרי, הם זכו בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2014 על הישג זה^[13]. זהו הפיתוח הראשון בהיסטוריה בתחום התאורה שזוכה להכרה על ידי פרס נובל. אחרים, שעסקו בפיתוחים לא פחות חשובים בתחום התאורה (כדוגמת תומאס אדיסון, שהפך את התאורה החשמלית לנחלת הכלל, המפרי דאווי שגילה את הקשת החשמלית, ניק חולונייק ואולג לוסב, ממציאי דיודת ה-LED הראשונה שפלטה אור בתחום האור הנראה^[14], וכן הרברט פאול מארושקה, ממציא דיודת ה-LED הכחולה בפועל^[3][4]), לא זכו בפרס נובל. זהו גם אחד מההישגים הטכנולוגיים הבודדים בהיסטוריה שזכה להכרה על ידי פרס נובל, שאיננו ממוקד בתחום הטכנולוגיה. הפרס המקביל לנובל בתחום הטכנולוגיה הוא פרס טכנולוגיית המילניום (אנ').

עקרון הפעולה

דיודות פולטות אור מסוגים שונים

ה-LED היא דיודה בעלת תכונות ייחודיות. בדומה לדיודה רגילה, הדיודה פולטת האור כוללת מוליך למחצה, שייחודו בפליטת אור לא קוהרנטי. ספקטרום האור נקבע בהתאם לתרכובת המוליך למחצה. תהליך פליטת האור מהדיודה, מבוסס על המנגנון הפיזיקלי של פליטה ספונטנית לפיו אלקטרון שנמצא ברמת אנרגיה גבוהה, שתחתיה נמצאות רמות אנרגיה נמוכות יותר שאינן מאוכלסות, עשוי לרדת באופן ספונטני לרמה הנמוכה הפנויה, כך שהפרש האנרגיה מהתהליך יוצר פוטון בעל אנרגיה מתאימה (אור בתדר מסוים).
בחומר מוליך למחצה רמת האנרגיה הגבוהה נמצאת בפס ההולכה, רמת האנרגיה הנמוכה בפס הערכיות, וביניהם יש פער אסור שמגדיר את האנרגיה שמומרת לאור. כאשר המוליך למחצה בעל טמפרטורה גבוהה מהאפס המוחלט, ישנן רמות בפס ההולכה שמאוכלסות באלקטרון, ויש גם רמות ריקות בפס הערכיות שמתייחסים אליהם כחלקיק עצמאי בשם חור. התהליך בו אלקטרון יורד רמה ופולט אור נקרא התאחות (רקומבינציה), משום שבתהליך זה אלקטרון מתמזג עם חור ושניהם נעלמים.

במצב בו המוליך למחצה נמצא בשיווי משקל תרמודינמי, מספר האלקטרונים הנמצאים בפס ההולכה הוא קבוע, וכך גם מספר החורים הנמצאים בפס הערכיות, ולכן לא נפלט אור. על מנת להוציא את המוליך למחצה משיווי משקל, המוליך למחצה שבדיודה עובר אילוח, באופן שיוצר בו צומת p-n. בדיודה, ובכללה גם ב-LED, הזרם החשמלי זורם רק כאשר מופעל ממתח קדמי מצד ה-p לצד ה-n, אך לא זורם כאשר הדיודה בממתח אחורי. בהפעלת ממתח קדמי על הדיודה, נושאי מטען (אלקטרונים וחורים) יסחפו אל תוך הצומת ויוציאו אותה משיווי משקל. במצב כזה ישנו עודף של נושאי מטען, וכשאלקטרון יפגוש חור, הוא יאבד מהאנרגיה שלו וייפול למצב אנרגטי נמוך יותר תוך פליטה של אור.

בניגוד לרכיבי אלקטרוניקה רבים המיוצרים מסיליקון, ב־LED סיליקון אינו חומר שמאפשר את התופעה. דיודת LED מבוססת על קבוצות חומרים מוליכים למחצה שלהם, בניגוד לסיליקון, פער אנרגטי ישיר בין נקודת השיא האנרגטית בפס ההולכה לבין השפל האנרגטי בפס הערכיות של המוליך למחצה. משמעות הפער האנרגטי הישיר היא שהאלקטרון יכול ליפול מפס ההולכה לפס הערכיות תוך כדי שימור התנע שלו, ולפלוט פוטון בעל אנרגיה המתאימה לפער אנרגיה זה - כלומר הדיודה תפלוט אור כשהיא נמצאת בממתח קדמי. בחומרים כמו סיליקון שבהם פער האנרגיה אינו ישיר, תהליך ההתאחות מורכב יותר וצריך לערב חלקיק נוסף שאליו יעבור התנע, כמו פונון, דבר שאינו מאפשר לאור להיווצר בצורה יעילה.

שימושים ב־LED

נורת LED ביתית

דיודות פולטות אור הן הרכיב העיקרי בנוריות חיווי ובקרה וכן בנורות LED.

רמזור מופעל בתאורת LED

אורות נסיעה ביום (Daylight running lights) של מכונית, עם לדים

• נוריות בקרה
• נוריות בשלט רחוק
• גלאי תזוזה - כמו בעכבר האופטי
• פנס יד
• הדפסה (חלק מהמדפסות הקרויות "לייזר" משתמשות למעשה ב-LED)
• תקשורת אופטית על גבי סיבים אופטיים לטווחים קצרים
• תאורת חירום
• תאורת מסכי LCD ו-OLED - טלוויזיות, צגי מחשב, מסכי טלפון סלולרי ומסכי בית קולנוע^[15].
• תאורה ביתית - נורות LED וגופי תאורה
• תאורת רחוב
• תאורת גנים ושצפ"ים
• תאורת מנהרות רכב ומנהרות רכבת
• תאורת מגרשי ספורט
• תאורה אדריכלית (הארת מבנים, פסלים, מונומנטים ועוד), שימוש ב-RGB
• תאורת רכבים
• רמזורים
• שלטי חוצות
• תאורה דקורטיבית (פסי LED, סרטי LED, גרילנדות וצינורות אורות)

פעולה תקינה של ה-LED תלויה מאוד בטמפרטורה שבה היא נמצאת, דבר שמהווה את אחד מחסרונותיה. בטמפרטורה גבוהה מדי, אורך חיי ה-LED מתקצר והבהירות יורדת. עם זאת בטמפרטורה נמוכה מאוד, עוצמת הבהירות של ה-LED עולה ואורך החיים גדל. ניתן לנצל יתרון זה להתקנת תאורת LED במקררים ובמקפיאים. כיוון שהנורה הופכת אנרגיה חשמלית לאור ומסוגלת לעשות את התהליך ההפוך, ניתן להשתמש בה עם רב מודד כדי לבדוק את עוצמת האור.

ה-LED איננו מסיים את חייו בדרך כלל באופן פתאומי כמו נורת להט, אלא מספק פחות ופחות אור לאורך זמן.

מיחזור

כמו בכל מוצר אלקטרוני, נורות וגופי תאורה של LED מכילות רכיבים אלקטרונים רבים שייצורם מזהם מאוד את הסביבה והן מהוות פסולת אלקטרונית בעת השלכתן, עקב כך יש לפנות אותן למיחזור אלקטרוניקה שידוע כמזהם סביבתי חמור^{[16][17][18][19]}.

ראו גם

• נורה חשמלית
• נורת להט
• נורה פלואורסצנטית
• סרט לד

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא LED בוויקישיתוף

• תאורת לד – מורה נבוכים באתר חברת החשמל
• איתי נבו, האיש שגילה את האור, ריאיון עם ממציא הלד, רשת ב', ספטמבר 2012
• איתי נבו, פרס נובל בפיזיקה למפתחי הלד הכחול, רשת ב', אוקטובר 2014
• הצד האפל של נורות הלד, ‏ScientificAmerican, ספטמבר 2012 (באנגלית)
• LED, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)