LED és OLED

Hajlékony OLED kijelző
Fotó: ecogeek

A LED betűszó a Light Emitting Diode, vagyis fénykibocsátó (világító) dióda angol kifejezés rövidítése. Működésének leírásához néhány szót kell ejteni arról is, hogy mi a dióda és mik azok a félvezetők.

Az elektromos áramot a különböző anyagokban az úgynevezett töltéshordozók – elektronok – továbbítják. Ahhoz, hogy egy anyag jól vezessen, úgynevezett szabad elektronoknak kell benne lenni, amelyek képesek az anyagban a negatív pólustól a pozitív pólus felé mozogni, vagyis vezetni az áramot. A fémekben bőségesen vannak szabad elektronok, a szigetelő anyagokban viszont nincsenek. A kettő között helyezkednek el a félvezetők, legismertebb közülük a szilícium (a mai elektronikai eszközökben döntően ebből készült elemeket használnak). Jellemzőjük, hogy a legkülső elektronhéjukon négy elektron helyezkedik el, és amikor ezek kristályrácsba rendeződnek, akkor minden egyes elektron részt vesz az atomok közötti kötésben, vagyis nincs olyan szabad elektron, amelyik képes lenne vezetni az elektromosságot. A tökéletesen tiszta kristályos szilícium például rendkívül kis mértékben vezeti az elektromosságot.
Ha ezt az anyagot egy másik olyan anyaggal „szennyezzük”, amelynek a legkülső elektronhéján három, vagy öt elektron van, és ha az anyag atomja beépülnek a kristályrácsba, akkor ott vagy egy a kötésben részt nem vevő, elektron szabaddá válik (öt külső elektron esetén), vagy egy elektronhiány, úgynevezett „lyuk” (három elektronnál) keletkezik. A szabad elektronok vezetik az elektromosságot, illetve a lyukak is hasonlóan viselkednek, hiszen a szilíciumatomok elektronjai átléphetnek a hiányzó elektron helyére, vagyis töltéshordozóként viselkednek, vándorolni tudnak. Azokat a szennyezett félvezetőket, amelyekben elektronok vezetnek, N-típusúaknak, amelyekben lyukak, P-típusúaknak nevezzük.
Ha egy P- és egy N-típusú félvezetőt egymás mellé teszünk, a kettő között kialakul egy szigetelő réteg, mert a találkozási ponton a feleslegben lévő vezetési elektronok „beleesnek” a lyukakba, úgy mondják, hogy rekombinálódnak, ezen a részen nem marad töltéshordozó. Ha viszont erre a szerkezetre elektromos feszültséget kapcsolunk, úgy, hogy a negatív pólust kapcsoljuk az N-típusú félvezető részre, akkor az elektronok elkezdenek a pozitív pólus, a P-típusú réteg felé áramlani, és eközben folyamatosan „beleesnek” a lyukakba, illetve az elektromos feszültség hatására újabb szabad elektronok keletkeznek. A vezetési sávban levő elektronoknak viszont nagyobb az energiájuk, mint azoknak, amelyek az atomok közötti kötést alkotják, ezért amikor megkötődnek, az energiájuk kisebb lesz, és a felszabaduló energia fotonok formájában távozik. A szilíciumban ez az energiakülönbség kicsi, ezért az így keletkező fotonok az infravörös sugárzás tartományába esnek. Ha viszont megfelelő félvezető anyagot választunk, akkor keletkezhet látható fény, vagy akár ultraibolya sugárzás is.

Nagy hátránya viszont ennek a fénynek, hogy egy viszonylag keskeny színtartományt fed le. Ebből fehér fényt kétféleképpen lehet létrehozni: vagy színkeveréssel – piros, kék és zöld fényt előállító diódák megfelelő kombinációjával -, vagy pedig úgy, hogy egy a kékhez közeli tartományban világító dióda fényével egy fényport világítanak meg, amely már fehér fényt bocsát ki.
A színkeverésre láthatunk példát a LED képernyőknél (érdemes nagyítóval megnézni, az apró piros, kék és zöld négyszögekből alakul ki a képernyő fehér színe), a fénypor használatára példa az egyre kiterjedtebben használt LED világítótestek.

A fejlesztés nagy reményét jelentik az OLED-ek, a szerves félvezetőkből készült világító diódák. Ezekből már ma is készítenek képernyőket – akár hajlékonyakat is -, a Utah Egyetem kutatói pedig olyan OLED-ek kifejlesztésén dolgoznak, amelyek valódi fehér fényt bocsátanak ki. Ehhez a szerves félvezető polimerláncába változó távolságban platina atomokat ültettek be, ezzel változtatni tudták a kibocsátott fény színét. A kísérletek még a kezdeteknél tartanak, egyelőre fénybesugárzás segítségével idézték elő a fénykibocsátást, a kutatók szerint még egy-két év kell a fejlesztéshez. A remény szerint ennek eredményeképpen egyrészt valódi fehér fényt kibocsátó OLED világítótesteket tudnak majd készíteni, másrészt viszont az így módosított szerves félvezető jobban tudná hasznosítani a napfény energiáját, azaz jobb hatásfokú napelemek készülhetnének belőle.

Írta: Egyed László