Gdyby nie poświęcenie tego naukowca, światła LED nigdy nie stałyby się codziennością graczy PC

Wielu z nas posiada komputery z przezroczystymi panelami obudowy, w których komponenty są dodatkowo wyeksponowane dzięki oświetleniu LED (RGB lub ARGB). Elementy świetlne potrafią wygenerować niemal każdy kolor, miksując trzy główne składowe – zieleń, czerwień i błękit. Tymczasem jeszcze 30 lat temu niemożliwe byłoby uzyskanie takiego efektu, mimo że diody elektroluminescencyjne istniały już od dwóch dekad. Trudno powiedzieć, jakby wyglądał obecny świat, gdyby nie pracowitość i talent pewnego człowieka – Shuji Nakamury, inżyniera z firmy Nichia.

Niebieska dioda LED

Pierwsze półprzewodnikowe źródło światła, jakim jest dioda elektroluminescencyjna, zaprezentował w 1962 roku amerykański inżynier Nick Holonyak. Jego LED (Light Emitting Diode) świeciła niezbyt mocnym, czerwonym blaskiem, ale zarazem była znacznie bardziej efektywna od jakichkolwiek ówcześnie znanych źródeł światła. Diody elektroluminescencyjne wykorzystują zjawisko przeskakiwania elektronów pomiędzy powłoką przewodzenia i walencyjną atomów, na styku dwóch półprzewodników – typu N (negatywny) i typu P (pozytywny).

LED w obudowie do montażu przewlekanego. Źródło: Veritasium / YouTube

Materiały te są ułożone warstwami, jak kanapka w LED. Naturalne właściwości przewodzące powodują na ich styku utworzenie się pola elektrycznego, które może rosnąć po przyłożeniu napięcia (po obu stronach tej „kanapki”) lub maleć, bo odwróceniu jego polaryzacji. Dlatego dioda (nie tylko LED) z reguły przewodzi prąd tylko w jednym kierunku. Dlaczego jednak w ogóle diody elektroluminescencyjne świecą?

Dlaczego LED świeci

Pomiędzy atomową warstwą walencyjną a przewodzenia jest przerwa, którą elektron może pokonać po dostarczeniu mu energii, a odbywając drogę z powrotem, tę różnicę poziomów energii wypromieniowuje. W diodach elektroluminescencyjnych elektron wracający na niższy pod względem energii poziom walencyjny, emituje foton światła. W technologii LED z reguły następuje to w miejscu styku półprzewodnika typu N i typu P, gdyż tam występują najbardziej dogodne warunki. Oba półprzewodniki posiadają tożsame poziomy energetyczne tych warstw elektronowych, ale domieszki innych atomów (dodatkowe warstwy reaktywne) powodują, że na ich styku elektron może przeskoczyć łatwiej.

Niebieskie diody są dziś powszechne, ale niewiele brakowało, aby było inaczej. Źródło: Vishnu Mohanan / Unsplash

Czerwone diody LED opracowane przez Nicka Holonyaka, jak i niedługo potem diody świecące na zielono, wykorzystywały pasma promieniowania elektromagnetycznego (którym jest światło) o stosunkowo niskiej energii. Do emisji światła niebieskiego potrzebny jest jednak znacznie większy impuls energii, a co za tym idzie – przerwa pomiędzy elektronowym pasmem walencyjnym a przewodzenia atomu (większa różnica poziomów energii). Dlatego przez długi czas nie byliśmy w stanie wyprodukować niebieskiej diody, naukowcy po prostu nie mogli znaleźć odpowiednich materiałów.

Shuji Nakamura

Pod koniec lat 80-tych ubiegłego wieku, inżynier Shuji Nakamura pracował w niewielkiej, japońskiej firmie Nichia. Niebieskie LED były już swego rodzaju „świętym Graalem” naukowców zajmujących się technologiami świetlnymi. Technologia ta ciągle wydawała się nieuchwytna, mimo starań wymykała się uczonym z rąk. Shuji Nakamura zaproponował swojemu przełożonemu, że zajmie się tym problemem i przystąpi do „wyścigu o niebieską diodę”. Dla Nichii takie odkrycie mogłoby być przepustką do wielkości, więc zgodę tą uzyskał.

Powiązane:Laptop stale podłączony do zasilania - czy to uszkadza baterię?

Czerwone i zielone LED bazowały na arsenku galu lub fosforku galu. Emisja fotonu w niebieskim paśmie wymagała zastosowania innego materiału. A także innych metod jego wytwarzania, gdyż potrzebna była znacznie czystsza struktura krystaliczna. Shuji Nakamura udał się więc na Florydę w USA, gdzie naukowcy pracowali nad metodą Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOVCD). Odpowiednio cienkie warstwy półprzewodników powstawały poprzez naparowanie materiału na podłoże, które posiadało odpowiednią krystaliczną siatkę. Reaktory MOVCD były więc ogólnie biorąc piecami, gdzie powstawały krystaliczne struktury dla diod LED. Shuji Nakamura wrócił do Nichii z niezbędną wiedzą, a także zamówieniem na nowy reaktor MOVCD.

Objaśnienie procesu migrowania elektrów pomiędzy warstwami z emisją fotonu. Źródło: Veritasium / YouTube

W tym czasie badania nad uzyskaniem niebieskiego światła prowadziło wiele firm, m.in. Toshiba. Jednak większość inżynierów eksperymentowała z selenkiem cynku, uważając ten materiał za najbardziej obiecujący. Tylko niewielka część pracowała z także odkrytym azotkiem galu (GaN). Należeli do nich m.in. dr Isamu Akasaki i dr Hiroshi Amano, a także Shuji Nakamura. Niestety bez większych sukcesów, ponieważ dość długo nie udawało się uzyskać wystarczająco uporządkowanej struktury azotku galu.

Shuji Nakamura rozpoczął trwające niemal 1,5 roku badania, w toku których m.in. samodzielnie zmodyfikował reaktor MOVCD dla swoich potrzeb. Eksperymenty kontynuował nawet mimo zmiany na stanowisku CEO Nichii. Nowy szef nie był przychylny badaniom nad półprzewodnikiem GaN, ale Shuji Nakamura przez długi czas ignorował jego polecenia. Na początku lat 90-tych XX wieku zaprezentował światu pierwszą na świecie działającą niebieską diodę, opartą na azotku galu. Jego LED świeciła słabo i bardziej na niebiesko-fioletowo, ale przyciągnął tym uwagę.

Poświęcił jeszcze trochę czasu na dopracowanie swojego sukcesu. Konstrukcja LED-owej „kanapki” uległa skomplikowaniu – Shuji Nakamura dodał warstwy azotku glinu i azotku indu. Dzięki temu podniósł znacznie skuteczność niebieskiej diody. W 1992 roku zaprezentował swoje przełomowe dzieło – niebieską LED o mocy świetlnej powyżej 1500 mikrowatów i idealnym paśmie świetlnym 450 nm. To był prawdziwy przełom, świat otrzymał trzeci, brakujący element układanki, który pozwolił na uzyskanie półprzewodnikowego białego światła.

Finalne dzieło Shuji Nakamury – niebieska dioda LED oparta na azotku galu. Źródło:

Upór, lata ciężkiej pracy i niebywałe umiejętności Shuji Nakamura sprawiły, że diody elektroluminescencyjne z prostych kontrolek w urządzeniach, mogły stać się wysokowydajnymi źródłami światła. Diody LED są znacznie efektywniejsze od żarówek, ponieważ praktycznie 70% energii jest przeznaczane na emisję widzialnego światła, podczas gdy w źródle żarowym tak staje się z zaledwie 12-15% energii.

Obecnie białe światło uzyskuje się nie tylko z mieszania barw w 3-chipowych LED (RGB), ale także dzięki konwersji niebieskiego światła diody poprzez odpowiedni luminofor. Tak działa większość tańszych diod LED, spotykane są też rozwiązania pośrednie, np. diody 2-chipowe, w których barwa światła niebieskiej diody z żółtym luminoforem jest korygowana diodą innego koloru. Technologia LED stale się rozwija, ta świetlna rewolucja trwa, a zapoczątkował ją wytrwały japoński inżynier. Pomyślcie o tym czasem, patrząc na swój rozświetlony komputer.

Czytaj więcej:Po CPU i GPU przychodzi czas na NPU - czym jest i co potrafi?

Arkadiusz Strzała

Arkadiusz Strzała

Swoją przygodę z pisaniem zaczynał od własnego bloga i jednego z wczesnych forum (stworzonego jeszcze w technologii WAP). Z wykształcenia jest elektrotechnikiem, posiada zamiłowanie do technologii, konstruowania różnych rzeczy i rzecz jasna – grania w gry komputerowe. Obecnie na GOL-u jest newsmanem i autorem publicystyki, a współpracę z serwisem rozpoczął w kwietniu 2020 roku. Specjalizuje się w tekstach o energetyce i kosmosie. Nie stroni jednak od tematów luźniejszych lub z innych dziedzin. Uwielbia oglądać filmy science fiction i motoryzacyjne vlogi na YouTube. Gry uruchamia głównie na komputerze PC, aczkolwiek posiada krótki staż konsolowy. Preferuje strategie czasu rzeczywistego, FPS-y i wszelkie symulatory.