Dwukierunkowa dioda elektroluminescencyjna opracowana przez polskich naukowców.

Dziś chcemy napisać o ważnej pracy polskich uczonych, która prawdopodobnie ułatwi skonstruowanie bardziej energooszczędnych diod. Nie mniej ważne jest również to, że wynalazek ten pozwoli lepiej zrozumieć działanie standardowych LEDów. O czym mowa?

Naukowcy z Instytutu Wysokich Ciśnień PAN opracowali diody, które emitują światło niezależnie od kierunku przepływu prądu przez urządzenie - bezpośrednio z prądu przemiennego (AC), a nie tylko ze stałego (DC). Czemu takie diody są przełomowe?

Dwukierunkowa dioda elektroluminescencyjna (BD LED)

Diody elektroluminescencyjne oparte na azotku galu są najbardziej energooszczędnymi źródłami światła. Jednak wymagają zasilania prądem stałym, a sieć energetyczna jest zbudowana w oparciu o prąd przemienny. Dlatego, do tej pory, gdy chcieliśmy włączyć diodę (a raczej urządzenie diodę posiadającą np. lampę) potrzebny był konwerter AC/DC (potocznie mówiąc - zasilacz/transformator), który służy do zmiany prądu zmiennego na prąd stały.

"Niestety urządzenia te nie dość, że zajmują trochę miejsca, to również generują straty energii rzędu 10-20 proc." - wyjaśnia pierwszy autor rozwiązania Mikołaj Żak.

Naukowcy zatem podjęli próbę opracowania takich diod, które nie będą potrzebowały konwertera i będą w stanie działać bezpośrednio w oparciu o prąd przemienny.

W artykule opublikowanym na łamach Nature Communications Mikołaj Żak wraz ze współpracownikami prezentują dwukierunkową diodę elektroluminescencyjną (BD LED), która emituje światło w obu kierunkach przepływu prądu przez urządzenie, a nie tylko wtedy, gdy jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia, jak w konwencjonalnych LED.

Cofnijmy się na chwilę do naszego wcześniejszego artykułu o diodach świecących. Dotychczasowe działanie diody elektroluminescencyjnej opierało się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku między warstwami N i P półprzewodnika.

LED zbudowana jest z dwóch warstw półprzewodników (N i P).  Półprzewodnik typu N zawiera dużą liczbę elektronów (mają ładunek ujemny), dlatego sam półprzewodnik również ma ładunek ujemny. Natomiast półprzewodnik typu P zawiera mało elektronów, a tym samym dużą liczbę tzw. dziur elektronowych. Dostarczając energię elektryczną do takiego elementu nastąpi przeskok elektronów z warstwy typu N (która ma dużo elektronów) do warstwy typu P (która ma ich mniej). Podczas tego przeskoku wydzieli się energia w postaci fotonu, czyli powstanie... światło!

Dwukierunkowa dioda elektroluminescencyjna na bazie azotku galu składa się z dwóch skrzyżowań tuneli otaczających obszar aktywny. Światło jest emitowane w obu kierunkach dostarczonego prądu, w przeciwieństwie do konwencjonalnych diod elektroluminescencyjnych. Elektrony i dziury są skutecznie wstrzykiwane do tej samej studni kwantowej powyżej napięcia otwarcia zarówno dla napięć ujemnych, jak i dodatnich. Stąd BD LED można uznać za półprzewodnikowe źródło światła zasilane bezpośrednio prądem przemiennym.

"Poskładaliśmy znane już dotąd klocki w zupełnie nowy sposób. Pokazujemy, że diodę LED można zbudować inaczej niż do tej pory niż o tym uczą w podręcznikach. W naszym projekcie wykorzystaliśmy złącza tunelowe w niekonwencjonalny sposób. A to otwiera drogę do konstruowania nowych urządzeń zasilanych niezależnie od kierunku przepływu prądu" - podsumowuje Mikołaj Żak.

Źródła:

Dwukierunkowa dioda elektroluminescencyjna przeznaczona do zasilania prądem przemiennym, unipress-waw-pl; dostęp: 19-01-2024

Ludwika Tomala, Polski pomysł na dwukierunkowe diody LED - bez zasilacza AC/DC, www-gov-pl/web/nauka/polski-pomysl-na-dwukierunkowe-diody-led---bez-zasilacza-acdc, dostęp: 19-01-1024

Jakub Zygmunt, Polacy stworzyli całkiem nową diodę LED. Wynalazek otwiera drogę nowym źródłom światła, www-focus-pl/artykul/polacy-stworzyli-nowa-diode-led; dostęp: 19-01-2024

Mikołaj Żak, Grzegorz Muziol, Marcin Siekacz, Artem Bercha, Mateusz Hajdel, Krzesimir Nowakowski-Szkudlarek, Artur Lachowski, Mikołaj Chlipała, Paweł Wolny, Henryk Turski & Czesław Skierbiszewski, Bidirectional light-emitting diode as a visible light source driven by alternating current, www-nature-com/articles/s41467-023-43335-7; dostęp: 19-01-2024