LED ( engl. light-emitting diode ) eli loistediodi ^[1] , valodiodi ^{[2] [a]} , hohtodiodi tai ledi on puolijohdekomponentti , joka sateilee valoa , kun sen lapi johdetaan sahkovirta . LEDit, kuten muutkin diodit, paastavat virtaa lapi vain toiseen suuntaan. LEDien valmistusmateriaali (monesti galliumyhdisteita ) maaraa komponentin lahettaman valon varin , jota voidaan edelleen muokata LEDin pintaan lisatyilla kalvoilla ja pinnoitteilla. ^[3] Kaukosaatimissa kaytetaan yleensa LEDeja, jotka sateilevat infrapunavaloa . Yksittaisen LEDin emittoiman valon spektri on yleensa varsin kapea eli sateily on lahes monokromaattista , mutta useita ledeja voidaan pakata samaan koteloon yhdistelmavarien saamiseksi.

LEDeja kaytettiin pitkaan lahes yksinomaan elektronisten laitteiden merkkivaloina ja nayttotauluissa, LED-naytoissa , mutta ne ovat yleistyneet myos valaistuksessa. Taman ovat tehneet mahdolliseksi entista valovoimaisempien LEDien kehittaminen ja etenkin valkoisen LEDin keksiminen.

Valkoisen LEDin kehittajalle Shuji Nakamuralle myonnettiin Millennium-teknologiapalkinto vuonna 2006 . ^[4] Valkoinen LEDi perustuu siniseen LEDiin, joka on paallystetty fluoresoivalla loisteaineella, joka muuntaa osan sateilysta kellertavaksi niin, etta silman aistima valon vari on valkoinen . Toinen periaate tehda valkoinen LED on yhdistaa erivarisia LEDeja. ^[5]

Ensimmaisen valoa lahettavan diodin valmisti Marconin laboratorioissa tyoskennellyt brittilainen kokeilija H. J. Round vuonna 1907 . ^[6] Hanesta riippumatta venalainen Oleg Vladimirovit? Losev teki saman keksinnon 1920-luvulla. Vaikka siita kerrottiin venalaisissa, saksalaisissa ja brittilaisissa tieteellisissa aikakauskirjoissa ^{[7] [8]} , keksinto ei viela tullut kovin tunnetuksi eika sita vuosikymmeniin kaytetty hyvaksi mihinkaan tarkoitukseen. Vuonna 1955 Radio Corporation of Americassa tyoskennellyt Rubin Braunstein havaitsi, etta eraat puolijohdeaineet lahettavat infrapunasateilya . ^[9] Sita lahettivat hanen tutkimustulostensa mukaan galliumarsenidista (GaAs) galliumantimonidista (GaSb), indiumfosfidista tai piin ja germaniumin seoksesta valmistetut puolijohdekomponentit, jotkin niista huoneenlammossakin, toiset alhaisissa lampotiloissa (77  K ). Saman havainnon tekivat galliumarsenidin osalta vuonna 1961 Texas Instrumentsissa tyoskennelleet kokeilijat Bob Biard ja Gary Pittman ^[10] . Vaikka Braunstein oli tehnyt keksinnon aikaisemmin, Briard ja Pittman voittivat prioriteettikiistan ja patentti keksinnosta myonnettiin heille.

Ensimmaisen kayttokelpoisen nakyvaa valoa lahettavan, punaisen LEDin kehitti vuonna 1962 General Electricissa tyoskennellyt Nick Holonyak , joka myohemmin siirtyi Illinoisin yliopistoon . ^[11] Holonyakia pidetaankin "valoa emittoivan diodin isana" ^[12] . Holonyakin oppilaana yliopistossa opiskellut George Craford keksi vuonna 1972 ensimmaisen keltaisen LEDin seka kymmenen kertaa entista kirkkaammat punaiset ja punaoranssiset LEDit ^[13] .

Shuji Nakamura japanilaisessa Nichia Corporationissa valmisti ensimmaisen entisia huomattavasti kirkkaamman sinisen LEDin. Sen materiaalina oli indiumgalliumnitridi (InGaN). Jo sita ennen oli galliumnitridista (GaN) valmistettu kirkkaita LEDeja. Vuonna 1995 Alberto Barbieri Cardiffin yliopiston laboratoriossa (GB) tutki kirkkaiden LEDien tehokkuus- ja luotettavuusominaisuuksia ja osoitti, etta erityisen hyva tulos saadaan, jos indiumtinaoksidi (InSnO) kytketaan yhteen galliumarsenidin kanssa. Kun siniset ja erityisen tehokkaat LEDit oli keksitty, Nakamura sai pian kehitetyksi myos ensimmaisen valkoisen LEDin, johon kaytettiin yttriumalumiinigranaatin ja ceriumin seosta Y ₃ Al ₅ O ₁₂ :Ce, "Ce:YAG". Fosforipitoisella paallysteella saatiin sinisen valon vari muuttumaan niin, etta se nayttaa valkoiselta. Nakamuralle myonnettiin tasta vuonna 2006 Millennium-teknologiapalkinto .

LEDien tehokkuus ja valovoima on 1960-luvulta saakka kasvanut likipitaen eksponentiaalisesti ja kaksinkertaistunut aina noin 36 kuukaudessa. Tama muistuttaa tietotekniikan alalla havaittua Mooren lakia ja kehityksesta onkin kaytetty nimitysta Haitzin laki , tohtori Roland Haitzin mukaan. LEDien kehitys johtuu suurelta osaltaan puolijohteiden muiden sovellusten seka optiikan ja materiaalitieteiden kehityksesta.

LEDien ensimmaisia kaupallisia kayttotarkoituksia olivat erilaisten laitteiden merkkivalot. Ensin niita kaytettiin kalliissa laboratoriolaitteissa ja elektronisissa tutkimusvalineissa kuten oskilloskoopeissa , mutta jo 1970-luvulla myos televisioissa , radioissa , puhelimissa , laskimissa ja sittemmin kelloissakin . Esimerkiksi laskinten nayttotauluissa numerot on usein muodostettu LEDeista, joskin niiden asemasta alettiin myohemmin kayttaa myos nestekidenayttoa . Tallaisissa sovelluksissa kaytettiin yleensa punaisia LEDeja, joiden valovoima riitti vain merkkivaloihin, mutta ei huoneen valaistukseen. Myohemmin naissa laitteissa alettiin yleisesti kayttaa myos muunvarisia LEDeja. Vasta 1990-luvulla uusien LEDien valovoima oli kehittynyt niin kirkkaaksi, etta niita voitiin kayttaa myos valaisimina.

LEDien toiminta perustuu niiden n-tyypin puolijohteiden "ylimaaraisten" elektronien ja p-puolijohteiden elektronivajaiden "aukkojen" yhtymiseen. Yhtymisessa n-puolijohteen elektronien korkeat energiatasot laskevat niiden tayttaessa p-puolijohteen matalamman energian aukkoja. Energiatason muutoksissa vapautuu energiaa lahinna fotoneina. Valon vapautumista kutsutaan elektroluminesenssiksi ^{[14] [15]} , joka voidaan ajatella aurinkopaneelien kayttaman valosahkoisen ilmion kaanteiseksi tapahtumaksi.

Negatiivisessa eli n-puolijohteessa on ylimaaraisia elektroneja ja elektronivajaassa positiivisessa p-puolijohteessa on elektronivajaus, eli vapaita paikkoja, joihin voi siirtya elektroneja. Elektronien lisa tai vajaus on puolijohdemateriaaliin saatu douppaamalla , eli lisaamalla niihin sopivan elektronirakenteen omaavia alkuaineita hyvin pienia maaria. Puolijohteena voi esim. olla galliumarseeni (GaAs). ^{[14] [15]}

Tasavirtalahteen negatiiviselta navalta tulee sahkovirta eli elektroneja johdinta pitkin, joka on liitetty LEDin n-puolijohteeseen. Johtimen elektronit tyontavat edeltaan n-puolijohteen elektroneja muuttuen itse n-puolijohteen ylimaaraisiksi elektroneiksi. Tielta pois tyontyvat elektronit siirtyvat kohti p-puolijohteen vapaita elektronipaikkoja. ^{[14] [15]}

p-puolijohde on kytketty tasavirtalahteen (esim. paristo ) positiiviseen napaan ja p-puolijohteen elektronivajaat aukot lahestyvat samanaikaisesti sahkovirran kulkiessa LEDin lavitse kohti n-puolijohteelta tulevia elektroneja. ^{[14] [15]}

Energiataso, jossa n-puolijohteen elektronit ovat, on rajoittunut ( kvantittunut ) korkeammalle energiatasolle kuin p-puolijohteen vapaat elektronipaikat. Kun aukko ja elektroni yhtyvat p-n rajapinnan (engl. junction ) kohdalla, "putoaa" n-puolijohteen elektroni energiaa vapauttaen talta korkealta tasolta p-puolijohteen aukkoon, jolloin aukko tayttyy. ^{[14] [15]}

p-puolijohteeseen siirtyneet elektronit saavat aikaan elektronien liikkeen pois p-puolijohteelta kohti tasavirtalahteen positiivista napaa ja niiden poistumiskohtiin muodostuu uusia aukkoja. ^{[14] [15]}

Kussakin putoamisessa vapautuvan energian taytyy muuntua energian sailymisperiaatteen mukaisesti johonkin muotoon: tama energia muuttuu valona tai muuna sateilyna (esim. IR , UV ) nahtavaksi fotoniksi ja usein vahaisessa maarin lampoliikkeeksi . ^{[14] [15]}

Energiatasojen valinen ero on suhteellinen LEDin sateilyn aallonpituuteen : suuri ero tarkoittaa lyhyempaa aallonpituutta (tai suurta taajuutta ), jolloin valo on esim. sinista. Punaisen valon kohdalla aallonpituus on suhteessa suurempi ja tasojen energiaero on siksi pienempi. Sateilya vapautuu rajatulla aallonpituudella. Siksi monta eri aallonpituutta sisaltava valkoinen valo saadaan yksittaisessa LEDissa yleensa aikaan fosforesenssin avulla: tassa ilmiossa p-n-rajapinnan valissa oleva tahan kayttoon sopiva materiaali absorboi rajatun aallonpituuden sateilyn ja vapauttaa sen hajauttavasti usealla eri aallonpituudella. ^{[14] [15]}

Tahan osioon ei ole merkitty lahteita, joten tiedot kannattaa tarkistaa muista tietolahteista. Voit auttaa Wikipediaa lisaamalla artikkeliin tarkistettavissa olevia lahteita ja merkitsemalla ne ohjeen mukaan.

Ledeja voidaan kayttaa joko suoraan tasajannitteella virtaa rajoittavan etuvastuksen kanssa tai tasajannitepulsseja antavalla ohjaimella. Etuvastus kuluttaa osan tehosta, jolloin LEDista ei saada maksimaalista hyotya valotehossa. LEDi toimii vain oikein pain kytkettyna ja tasajannitteella, eli anodille + (pidempi jalka) ja katodille ? (lyhyempi jalka/lovi 5 mm LEDissa/usein tapla pintaliitos -LEDissa).

Perinteiset LEDit on tehty epaorgaanisista puolijohdekomponenteista . Seuraava taulukko esittaa varit, aallonpituuden, jannitealeneman ja materiaalin:

	Vari	Aallonpituus [nm]	Jannite [V]	Puolijohdemateriaali
	infrapuna	λ > 760	Δ V < 1,9	gallium arseeni (GaAs) alumiini gallium arseeni (AlGaAs)
	punainen	610 < λ < 760	1,63 < Δ V < 2,03	alumiini gallium arseeni (AlGaAs) gallium arseeni fosfaatti (GaAsP) alumiini gallium indium fosfaatti (AlGaInP) gallium (III) fosfaatti (GaP)
	oranssi	590 < λ < 610	2,03 < ΔV < 2,10	gallium arseeni fosfaatti (GaAsP) alumiini gallium indium fosfaatti (AlGaInP) gallium (III) fosfaatti (GaP)
	keltainen	570 < λ < 590	2,10 < ΔV < 2,18	gallium arseeni fosfaatti (GaAsP) alumiini gallium indium fosfaatti (AlGaInP) gallium (III) fosfaatti (GaP)
	vihrea	500 < λ < 570	2,18 < ΔV < 4,0	indium gallium nitridi (InGaN) / gallium (III) nitridi (GaN) gallium (III) fosfaatti (GaP) alumiini gallium indium fosfaatti (AlGaInP) alumiini gallium fosfaatti (AlGaP)
	sininen	450 < λ < 500	2,48 < ΔV < 3,7	sinkki seleeni (ZnSe) indium gallium nitridi (InGaN) piikarbidi (SiC) substraattina pii (Si) ? (kehitteilla)
	violetti	400 < λ < 450	2,76 < ΔV < 4,0	indium gallium nitridi (InGaN)
	purppura	monta eri tyyppia	2,48 < ΔV < 3,7	tupla sini/puna -LED, sininen punaisella fosforipaallysteella, valkoinen LED purppuramuovilla
	ultravioletti	λ < 400	3,1 < ΔV < 4,4	timantti (C) alumiini nitridi (AlN) alumiini gallium nitridi (AlGaN) alumiini gallium indium nitridi (AlGaInN) ? (alle 210 nm [16] )

Lisaksi voidaan tehda valkoisia eli laajaspektrisia LEDeja, joissa jannite on 3,5 V. Ne ovat sini/UV-diodeja keltaisella fosforipaallysteella.

Tavallisen halkaisijaltaan 5 millimetrin LEDin nimellisvirta on tyypillisesti 20 mA ja sen kynnysjannite on n. 1,7?3,7 V riippuen LEDin varista. Valaistuskayttoon tarkoitetuissa LEDeissa on yleensa useita LED-siruja sarjaan- ja rinnankytkettyna . Tama kynnysjannitteen vaihtelu eri varien kohdalla johtuu LEDin sisalla olevien puolijohteiden eroista. Sarjavastusta laskettaessa tarvitaan tieto kaytettavasta kayttojannitteesta. Ensiksi lasketaan jannite, joka on jaatava vastuksen yli, vahentamalla LEDin kynnysjannite kayttojannitteesta. Sopiva vastus saadaan Ohmin lain avulla kaavasta: R = U/I, jossa R = vastus ohmeissa , U = edella laskettu jannite volteissa , ja I = virta ampeereissa . Kaytettaessa LEDia taydella teholla virta on yleensa 20 mA. LEDia voidaan himmentaa kasvattamalla vastusta. Kaytettaessa korkeita jannitteita tulee varmistaa myos vastuksen tehonkesto ja sahkoturvallisuus .

LEDit ovat valonlahteina hehkulamppuun verrattuna erittain pienikokoisia ja mekaanisesti kestavia: niissa ei ole helposti rikki menevaa lasikuorta eika hehkulankaa . LEDit ovat myos oikein asennettuna pitkaikaisia. Valkoisilla LEDeilla sininen valo muutetaan loisteaineen avulla osittain valkoisemmaksi. LEDien suhteellisen hyva suuntaavuus tekee niista myos sisustuksellisesti houkuttelevia valonlahteita.

Pienet LED-merkkivalot tarvitsevat vain vahan virtaa, tyypillisesti alle 20 mA. ^lahde? Suuria niin kutsuttuja teho-LEDeja voidaan ajaa jopa 2,5 A:n virralla. ^lahde? Parhaimpien valkoisten, kirkkaiden LEDien hyotysuhde on parempi kuin loisteputkissa ja hehkulamppuihin verrattuna moninkertainen. ^[3] LEDit luokitellaan huoltoa tarvitsemattomiksi ja niiden vaihtovali on tyypillisesti yli 10 000 tuntia ^[3] ja nykyaan jopa 100 000 tuntia ^[3] . Kestoika maaritellaan tyypillisesti ajaksi, jonka kuluttua valoteho on pudonnut 70 prosenttiin alkuperaisesta tasosta. LEDin rikkoontuminen siten, etta siita ei tule valoa, on erittain harvinaista, ja silloinkin se on yleensa vioittunut jonkin ulkopuolisen voiman vaikutuksesta.

LEDien syttymis- ja sammumisajat ovat kymmenien nanosekuntien pituisia, joten niilla voidaan helposti lahettaa tietoa moduloimalla valoa. Nain tehdaan esimerkiksi infrapunakaukosaatimissa. Pienitehoisten LEDien valmistaminen on halpaa, koska raaka-aineena on lahinna muovia ja puolijohteita. ^[3]

LEDit soveltuvat hyvin akkukayttoisiin sovelluksiin. Nykyisin LED-valoja on saatavilla lahes kaikilla tyypillisilla valaisinkannoilla. ^[17]

Pienteho-LEDien valoteho ei ole kovin suuri, minka vuoksi niita kaytetaankin yleensa vain kasivalaisimissa. Saatavilla on kuitenkin jo suuritehoisia LEDeja, joissa valoteho yltaa jopa yli 1 000 luumeniin ^[3] (27 watin LED). LED-valaisimien valotehokkuus on noin 75 luumenia wattia kohti ^[18] . Valaistukseen sopivien LEDien hinnat ovat laskeneet voimakkaasti viime aikoina.

LEDin spektrikayra ei ole tasainen vaan sisaltaa suuria voimakkuuseroja. Tasta syysta valkoisen LEDin valo saattaa suuresti vaaristaa yksittaisia vareja huolimatta kohtalaisen korkeasta varintoistoindeksista .

Pienet LEDit eivat yleensa kesta korkeita lampotiloja (yli 80 °C) eivatka kosteutta. Perinteiset pienet LEDit eivat siis kesta esimerkiksi saunassa korkean lampotilan takia, ellei niita ole suunniteltu huolellisesti. ^[3] Siksi useita LED-valoja ei suositella yli 45 °C:n lampotiloihin, mika merkitsee tavanomaisessa saunassa alle metrin korkeutta.

Nykyiset teho-LEDit kestavat jo yli 85 °C:n lampotiloja. ^lahde? LEDien muihin valonlahteisiin verrattuna huono lammonkesto on haaste valaistuskaytossa, ja huono valaisinsuunnittelu johtaa helposti lyhentyneeseen kayttoikaan.

LEDit vaativat yleensa pienia lisatoimenpiteita asennettaessa ainakin hehkulamppuun verrattuna. Kayttojannite on laskettava sopivaksi, ja LEDille meneva virta rajoitettava esimerkiksi sarjavastuksella. LED vaatii tasajannitetta toimiakseen. Parhaan hyotysuhteen valaisimet tarvitsevat ohjauselektroniikkaa kuten hakkurityyppisen vakiovirtalahteen.

LED ei hehkulampusta ja loisteputkesta poiketen varastoi kaytannossa ollenkaan valoenergiaa, joten laitteissa joissa LEDin kirkkaudensaato toteutetaan pulssitaajuusmodulaatiolla , saattaa nopeasti vilkkuva valo aiheuttaa silmakipua tai paansarkya (esim. LCD-naytot tai jotkin huonevalaistuksessa kaytettavat lamput). Terveysongelmat voidaan yleensa kuitenkin valttaa mikali tehonsaato tuotetaan korkeataajuuksisella kantoaallolla (esim. 20 kHz) tai kaytetaan kokonaan muunlaista tehonsaatoratkaisua.

Halytysajoneuvojen uudet vilkkuvalot toteutetaan yha useammin LEDeilla, samoin liikennevalot . Jopa uusien autojen etuajovaloja valmistetaan LED-tekniikalla ^[19] . Taka- ja sivuvaloissa LED-tekniikkaa on kaytetty jo yli kymmenen vuotta. Haittapuolena on, etta talvikaytossa LED-valojen kehittama lampo ei valttamatta riita sulattamaan valojen paalle kertynytta lunta ja voi aiheuttaa vaaratilanteita.

Polkupyorien valot ovat myos nykyaan usein LEDeja. Pattereita saastaakseen naissa on yleensa mahdollisuus vilkuttaa valoa. ^lahde? LED-valoissa valon paalle laittaminen ei kuluta erikseen virtaa, joten vilkuttaminen pidentaa pattereiden ikaa. ^lahde?

Yleisvalaistuksen lisaksi LEDeja kaytetaan muun muassa merkkivaloissa, valokylteissa, kohdevalaistuksena ja pienissa valaisimissa. Monet julkisten tilojen jattinaytot on toteutettu LED-tekniikalla.

Suuritehoisilla LEDeilla voi toteuttaa isojakin valaisimia, kayttokohteena vaikkapa siltojen ja rakennusten julkisivujen yksityiskohtien korostus. Suomessa kaytetaan enenevassa maarin LED-valoja katulampuissa. Vanhoista monimetallikatulampuista pyritaan eroon. Myos ulkoilmatapahtumissa kaytetyt videoseinat on toteutettu LED-tekniikalla. LED-valaistuksella voidaan saavuttaa huoltoasemilla jopa 70 %:n saasto sahkonkulutuksessa perinteiseen loisteputkivalaistukseen verrattuna. ^[20]

LED-valaisimen kokonaistehosta 75 % kuluu muuhun, esim. lammoksi . Loput n. 25 % muuttuu valoksi, jonka kasvi voi kayttaa hyvakseen lahes 100-prosenttisesti (fotosynteettisesti aktiivinen sateily, PAR: 400?700 nm). ^{[21] [22]}

LEDia voidaan kayttaa valokuituverkossa lahettimena laservalon ohella.

LED:ien avulla tapahtuvassa optisessa datansiirrossa vapaassa tilassa nakyvan valon tai lahi-infrapunavalon katkomisella voidaan saavuttaa 10 megabitin sekuntinopeus jopa kilometrien paahan, esimerkiksi RONJA -tiedonsiirtostandardin avulla. Taman kaltaiseen kayttoon tarkoitetuilta LEDeilta halutaan suurta kirkkautta pinta-alaan tai tilavuuteen nahden, hyotysuhteen kustannuksella, jotta valo saadaan lahtemaan mahdollisimman lahelta niin sanottua polttopistetta ja polttotasoa , ja sade siten saadaan fokusoitua mahdollisimman kapeaksi eli kulmalapimitaltaan pieneksi.

Esimerkiksi Siemens on kehitellyt LED-jarjestelmia, jotka toimivat yhta aikaa valaisimena ja datan lahettimena 1-50 metrin sateella eli vastaavassa tehtavassa kuin WLAN . Siina kaytetaan dataa siirtavaa valoa normaalisti valaisemiseen, eika bittien moduloinnista johtuvaa valon katkonaisuutta huomaa koska valkkyminen tapahtuu miljoonia kertoja sekunnissa. Yksi nimitys tallaiselle jarjestelmalle on Li-Fi .

Yleisin optinen tiedonsiirtotapa vapaassa tilassa on IrDA , jossa tiedonsiirtoon kaytetaan infrapunavaloa lahettavia ledeja.

• 
  LEDeilla pinnoitettu rakennus Sphere Las Vegasissa.
• 
  Leditekniikalla toteutettuja junan kyltteja Japanissa
• 
  Ravintolan kyltti Hong Kongissa.
• 
  Junan aikataulu Japanissa.
• 
  Saksalaisen junan tunnelmavalaistus.

• OLED
• LED TV
• OLED-naytto
• LED-valoputki
• LED-tulostin

• Teknologiateollisuus: Nain vertailet ledivalaisimia 2.0 (pdf)
• Teknologiateollisuus: Nain vertailet ledivalaisimia 3.0 (pdf)
• Ledin historia, Osram
• Luonnonvarakeskus (LUKE): Kaukoranta, Timo; Jokinen, Kari; Nakkila, Juha; Sarkka, Liisa: LED-valotusta kasvihuoneeseen : Tutkimustuloksia ja kokemuksia 2016
• Limic Oy: tekniikkaa ( Arkistoitu ? Internet Archive) ja FAQ ( Arkistoitu ? Internet Archive)
• Helsingin kaupunki: kaytto liikennevaloissa ( Arkistoitu ? Internet Archive)
• Suomen Valoteknillinen Seura, Lediryhma
• LEDs and OLEDs, Edison Tech Center . (englanniksi)