Idag är lysdioden, LCD, och den flytande kristallen, LCD, självklarheter och vanliga elektronikkomponenter. De har en enda uppgift, och det är att överföra information.


En lysdiod ser skäligen enkel ut med sin genomskinliga knopp av epoxi och sina två ben, där det ena är lite längre än det andra. Det faktum att den har två ben skvallrar om att den är just en diod. Inne i lysdiodens epoxibubbla ligger också ett halvledarmaterial med en pn-övergång i. I det avseendet skiljer den sig inte från vilken halvledardiod som helst.

Skillnaden mellan lysdioden och den vanliga dioden är istället att man utnyttjar olika fenomen när ström flyter genom en pn-övergång. I den vanliga dioden är det själva likriktningen man är ute efter. I lysdioden är det en bieffekt som är intressant, nämligen det ljus man kan få när ström flyter genom en lämpligt utformad pn-övergång.

I en vanlig diod brukar elektronikkonstruktören vilja att strömmen flyter framåt så obehindrat som möjligt. I lysdioden vill man det inte, eftersom den bara ska indikera något. Därför kopplar konstruktören oftast en rejäl resistans i serie med lysdioden för att begränsa strömmen genom den. Det behövs ju bara så mycket ström att lysdioden orkar att sända ut ljus.

När man lägger en spänning över lysdioden strömmar elektronerna på n-sidan över pn-övergången in i det p-dopade materialet. Elektronerna attraheras av hålen på p-sidan, och när de kommer i kontakt med varandra slår de ihop sig, rekombinerar.

Men laddningarnas potentiella energi försvinner inte, utan den sänds ut som elektromagnetisk strålning, ett ljuskvantum eller en foton.



Färgen beror på materialet


Den energi som frigörs vid rekombinationen är helt beroende av halvledarmaterialet, och därför blir ljuset närmast enfärgat, monokromatiskt. Kisel är olämpligt för att producera synligt ljus, utan istället används galliumarsenid, GaAs.

För att få olika färger kombinerar man halvledaren gallium med andra ämnen. Så här blandar en tillverkare, Hewlett-Packard, ämnena för att få dioderna att lysa i olika färger:

RöttAlGaAs

OrangeAlInGaP

GröntGaP

GultGaAsP

BlåttSiC eller InGaN

Blått har varit den svåraste färgen att åstadkomma. Det var först i början av 1990-talet, 30 år efter lysdiodens födelse, som den blå varianten kom. Den nyaste typen med InGaN lyser också mycket starkare än den gamla med SiC.



Fotodiod och optokopplare


Antitesen till lysdioden är fotodioden, eller fototransistorn. De har pn- övergångar som är känsliga för ljus, vilket innebär att de kan absorbera ljuskvanta. Energin som absorberas vid pn-övergången genererar laddningar, som gör att ström kan flyta genom komponenten.

En optokopplare är en komponent som består av en lysdiod och en fotodiod, eller en fototransistor. När lysdioden får en spänning över sig börjar den lysa, och ljuset träffar fotodioden som ligger in-till. Då börjar fotodioden att leda, och sluter därmed en strömkrets.

Utifrån sett gör optokopplaren ingenting. En signal som matas in i den kommer ut opåverkad på andra sidan. Finessen är att lysdioden och fotodioden sitter en bit ifrån varandra i det gemensamma höljet. Optokopplaren fungerar alltså som en isolator som inte släpper igenom ström utan bara information.

Principen fungerar även om man, bildligt talat, klyver optokopplaren i två delar och sätter dem långt från varandra. Det enda kruxet är att ljuset från lysdioden inte får spridas eller dämpas på väg till fotodioden. Det gör man genom att leda in ljuset i en ljusledare, oftast en glasfiber eller optokabel.

Flytande kristaller


Lysdioder kan användas i enkla teckenmatriser, men när det gäller större teckenfönster eller bildskärmar väljer man oftast en mer praktisk teknik. På detta område härskar LCDn, den flytande kristallen.

En LCD består av celler med en vätska där det finns stavformade molekyler. Det finns också två skikt bakom de flytande kristallerna. Längst bak finns en ljuskälla, och skärmtypen kallas ibland för bakgrundsbelyst. Mellan ljuskällan och cellerna finns ett polarisationsfilter.

Molekylerna i cellerna bildar spiraler med optiska egenskaper som påminner om dem hos vissa kristaller. Det vrider till exempel ljusets polarisering med 90 - 270 grader, oftast 210 grader. När man lägger en elektrisk spänning över cellerna rätar spiralerna däremot ut sig, och då förlorar de förmågan att vrida ljusets polarisering.

Framför cellerna finns det ett polarisationsfilter till, med ett polarisationsplan som ligger förskjutet 90 grader mot det bakre filtret. När en LCD-cell inte har en spänning över sig släpps ljuset alltså igenom hela pannkakan av skikt och når betraktaren. Om LCD-cellen har spänningssatts stoppas allt ljus av det främre polarisationsfiltret.

Styrsignalerna kommer från en matris av elektroder som matar cellerna. Det finns kolonn- och radelektroder med en transistor för varje elektrod. Om en cell släpper igenom eller spärrar ljus beror då på vilket tillstånd de respektive transistorerna befinner sig i.

Eftersom cellerna inte har någon individuell drivning kallas den här tekniken för passiv matris. En bättre teknik är den aktiva, där varje LCD-cell har egen effektmatning, från ett särskilt skikt med tunnfilmstransistorer, TFT.

TFT-matrisen lägger ett starkare fält över cellerna än vad den passiva tekniken kan. Därför ger den aktiva matrisen bilder som kan uppdateras snabbare, med större lyskraft och med bättre kontrast än den passiva matrisen.

Per Stymne

Frilansjournalist



LED, LCD och andra lysande tekniker




Aktiv matris
Fönster med individuell effektmatning till flytande kristaller med hjälp av transistorer som bakats in i en tunn film.



Fotodiod
Diod med pn-övergång som börjar leda när den absorberar ljuskvanta.



Fototransistor
Transistor med pn-övergång som börjar leda när den absorberar ljuskvanta.



LCD
Liquid Crystal Display. Flytande kristallfönster.



LED
Light Emitting Diode. Lysdiod. Halvledarkomponent vars pn-övergång sänder ut monokromatiskt ljus när det flyter en ström genom övergången.



Ljusledare
Fast material som leder ljus, exempelvis glasfiber.



Optokopplare
Komponent som släpper igenom signaler men som galvaniskt skiljer två strömkretsar från varandra.



Passiv matris
Fönster med flytande kristaller som matas enbart via kolonn- och radelektroder.



TFT
Thin Film Transistor. Tunnfilmstransistor.