En lysande framgång - 50 år med lysdioden

Går inte via värme

Lysdioden lyser genom elektroluminiscens, alltså att elektricitet omvandlas direkt till ljus, utan att ta steget via värme som i glödlampan eller jonisering som i lysröret. Som med allt ljus handlar det om att en elektron byter energinivå och kastar ut en ljuspartikel, en foton, som uppväger skillnaden i energinivå.

En lysdiod tillverkas av ett halvledarmaterial med två skikt, som förorenats (dopats) så att det ena skiktet (n-skiktet), som utgör basmaterialet (substratet) är negativt laddat, och ett pålagt skikt ovanpå är positivt laddat (p-skiktet).
När man lägger två sådana skikt på varandra uppstår en pn-övergång, i dagligt tal kallat diod, eftersom strömmen bara kan flyta från det positiva till det negativa skiktet. I realiteten betyder detta att elektronerna flyter åt andra hållet.

Föroreningarna stör kristallmönstren så att det negativa skiktet har ett överskott på elektroner, medan det positiva skiktet saknar elektroner på vissa ställen där det normalt borde finnas sådana.

Förlusten av en elektron kallas för hål. Elektronerna som kommer till p-skiktet tycker om att ramla ned i hålen. Är hålet tillräckligt djupt, blir den foton som avges som kompensation för fallet en synlig ljuspartikel.

Hålets djup bestäms av materialets bandgap, en kvantfysisk egenskap hos det halvledarmaterial som används.

Det första material som användes i lysdioder, galliumarsenid (GaAs), hade ett bandgap som gav fotoner i infrarött ljus. Teknikerna gick vidare och hittade på material med större bandgap. Rött ljus avges till exempel av aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs), grönt ljus av aluminiumgalliumfosfid (AlGaP) och blått av indiumgalliumnitrid (InGaN).

Alla dessa är kombinationer av halvmetaller och olika föroreningar. Ultraviolett ljus avges däremot av aluminiumnitrid (AlN) som är en förorenad metall, eller ur diamant, alltså kolkristall. Exakt vilken färg som avges bestäms av föroreningarna, som i sin tur modifierar bandgapet och därmed hålens djup.

Lågenergilampan ser ut att ha blivit en parentes i belysningens historia. Om några år kommer till exempel Ikea enbart att sälja lysdiod­lampor. Bild: Ikea

Laservapen, till exempel amerikanska marinens Laws på 100 kilowatt, kan användas dels till att skjuta ned granater och drönare, dels till att smälla oexploderad ammunition på fältet. Laserkanoner som ska kunna riktas om snabbt drivs av multipla laserdioder vars ljus leds upp i ”pipan” genom glasfibrer. Bild: US Army

En diod på steroider

Laserdioden är en specialvariant av lysdioden. Den är inget annat än en lysdiod på steroider, eller man kanske kan säga en rå sten som slipats till ett perfekt smycke. Den lyser både genom elektroluminiscens och genom stimulerad emission.

Elektroluminiscens är vad man kallar spontan emission, det vill säga att fotonerna avges när som helst, så fort en elektron träffar ett hål. Genom att utforma kristallen som en långsträckt resonator, en laserkavitet, som är förspeglad i båda ändar, kan man få ljuset att studsa fram och tillbaka många gånger inuti kristallen.

Om man ökar strömmen genom dioden för att få fler elektroner, uppstår stimulerad emission. Det går till så att när en foton av rätt våglängd träffar en elektron som just ska till att falla ned i ett hål, kan denna stimuleras att avge en foton som är av precis rätt våglängd och som är i fas med den infallande fotonen. Då har man fått två precis likadana fotoner, eller med ett annat ord: förstärkning. När fotonerna fått studsa tillräckligt många gånger fram och tillbaka och stimulera ännu flera elektroner, kommer de ut som en laserstråle ur kristallens ena ände.