Alle har vi vel merka at det er vanskeleg å finne gammaldagse glødepærer i butikken. EU har nemleg innført forbod mot produksjon av slike. Butikkane kan selje restlageret, men så er det slutt. Grunnen er at desse og andre typar lyspærer produserer altfor mykje varme i høve til lysmengda dei gjev oss. Om ikkje lenge er det nok berre LED-pærer å få kjøpt til lys i hushaldet.

Glødepærer brukar så mykje som 95 prosent av energien til oppvarming. Å skifte frå 60 W glødepærer til 6 W LED-pærer inneber derfor ei solid energisparing. Ei gjetting er at hushalda sparer 20–30 prosent av straumrekninga ved å byte til LED-pærer. Men så kjøper folk nye lamper til uteveggene eller dei hengjer opp lysdekorasjonar til jul, og så går straumforbruket opp att.

LED står for lysemitterande diodar og er basert på det vi kallar halvleiarar. Slike lysdiodar vart først oppfunne på 1920-talet av ein sovjetisk forskar, Oleg Lesov. Oppfinninga gjekk i gløymeboka, men fenomenet vart oppdaga på nytt i USA tidleg i 1960-åra. Aktiviteten rundt teknologien auka, og i 2014 fekk tre japanarar nobelprisen for å ha oppfunne den blå lysdioden. Den er viktig for å kunne få kvitt lys frå lyspærene. Kvitt lys treng nemleg ein blå komponent for at vi skal sanse det som kvitt.

Diodar er bygde av fast stoff som leier straum den eine vegen, men ikkje den andre. Sidan straum handlar om elektron som flyt gjennom materiale, må ein heilt ned på eigenskapane til ulike grunnstoff for å forklare kvifor denne prosessen kan lage lys.

Det kvantefysiske omgrepet energiband er sentralt i forklaringa. Dette er energinivå som elektron kan ha. Men samstundes er det avgrensa kva energinivå eit elektron kan vere på. Med ein analogi kan ein tenkje seg at kvart elektron i eit atom berre kan vere på eitt av trappetrinna i ei trapp, aldri mellom to trappetrinn.

Dei elektrona som har lågast energi, ligg på dei lågaste trappetrinna, medan dei med høg energi ligg lenger oppe i trappa. På kvart trappetrinn er det avgrensa kor mange elektron det er plass til. Dei nedste trinna er nesten alltid fulle, medan dei øvste kan ha nokre få elektron.

Elektron kan flytte seg opp og ned trappa. Om det hoppar opp eit trappetrinn, må det ha fått tilført energi som svarer til hoppet i energinivå. Motsett må det gje frå seg energi når det hoppar ned eit trinn. Denne overskotsenergien er i form av foton, masselause energipartiklar. Desse fotona kan, om dei har rett energinivå, lage synleg lys.

Elektronflyttinga i diodane kan òg skje sidelengs mellom trapper, altså mellom atom, og dette er viktig for å forstå korleis elektrisk straum kan skape lys. I metall er det få elektron på dei øvste trappetrinna, og det er god plass. Då flyttar elektrona seg ganske fritt mellom trappene, og det gjer at stoffet leier straum ganske godt, det vil seie at elektron flyttar seg frå ein negativ pol mot ein positiv pol.

Diodar er ofte laga av silisium. Reint silisium dannar eit krystall der silisiumatoma ligg tett saman, men for at dei skal bli diodar, set ein til bitte små mengder av ureining, kalla doping, i stoffet. På eine sida av dioden set ein til grunnstoff der atoma har god plass på det øvste energitrappetrinnet. For silisium er boratom passande til dette. Boratoma vert bundne i krystallet, men har topptrappetrinn som kan ta fleire elektron. På den andre sida av dioden dopar ein med stoff der topptrinna er fullare og attpåtil ligg høgare. Arsen er eit stoff som passar til dette.

Dioden har altså ei donorside med atom med litt overfylte topptrinn, og elektrona der kan lett hoppe ned til lågare trinn. Dioden har òg ei akseptorside med atom som har plass til fleire elektron på topptrinnet. Om ein set på straum med donorsida ved den negativ polen, vil elektrona flytte seg mot akseptorsida. Hoppet ned eit energinivå gjer at elektronet kvittar seg med eit foton, ein liten energipakke. Om ein prøver å sende elektron andre vegen, vil det ikkje bli særleg god flyt. Elektrona må nemleg hoppe opp trappetrinn til eit trinn som er fullare enn der dei kjem frå. Då krevst det ekstra energi frå omgjevnadene.

Transistorar er ein teknologi som òg nyttar silisiumbaserte halvleiarar. Dei har vore revolusjonerande for moderne elektronikk, sidan dei kan endre elektriske signal, til dømes i datamaskiner. Transistorar og diodar generelt lagar foton som ikkje er synlege når elektrona hoppar. Dei produserer varme. Lysdiodar, derimot, sender ut foton som vi kan sjå. Og det får vi om vi byter ut silisiumet med andre grunnstoff eller blandingar av grunnstoff, til dømes ein miks av gallium og arsen. Sinnrike blandingar av grunnstoff gjev oss kvitt, behageleg lys.

Grunnen til at lysdiodar ikkje brukar så mykje straum som glødepærer, er at materialet i dioden er spesiallaga for å sleppe ut synlege lysfoton. Avstanden mellom trappetrinna i dei ulike trappene har akkurat dei rette verdiane. Hopp som ikkje lagar lys, er nesten ikkje mogleg. Ein glødetråd i ei glødepære slepper òg ut synlege foton, men genererer i tillegg ei stor mengd med foton som berre medverkar til varme.

I LED-pærer er det gjerne fleire lysdiodar slik at vi får sterkt nok og kvitt lys. Men lysdiodar vert ikkje berre brukte i lyspærer. Dei ligg bak TV- og mobilskjermen, dei skapar laserlys, og dei er lyskjelder i optiske fiberkablar, som er med på å gje oss superraskt breiband. Oppfinninga er essensiell i den rivande utviklinga vi ser innan informasjonsteknologien.

Bjørnar Tessem
og Lars Nyre