История светодиодов
Зимой 1971-го японцы смели с прилавков необычную новинку: первый в мире карманный калькулятор со светодиодным экраном. Нет, портативные счетные машинки появились ещё раньше, в 1967-м, вот только результаты вычислений они печатали на бумажной ленте. А здесь итог яркими красными цифрами выводился на маленький экран – настоящая революция. Стоило такое устройство очень дорого – 89 800 йен (зарплата молодых специалистов в это время составляла около 46 500 йен), но пользовалось немалой популярностью. И не только в Японии.
Это был один из первых случаев использования светодиодов в массовом продукте – прежде их применяли только в высокопрофессиональном лабораторном оборудовании. Однако мало кто знал, что технология за красными цифрами на экране – далеко не новинка. Впервые о ней заговорили в 1907 году.
Те, кто стоял у истоков
История светодиодов началась тогда, когда ученые очень мало знали о полупроводниках как явлении, и ещё меньше – об их использовании для создания света. Зимой 1907 года британский инженер Генри Раунд, сотрудник лаборатории Гульельмо Маркони, экспериментировал с кристаллическими детекторами для детекторных радиоприемников. Пропуская электрический ток через карбид кремния, он заметил, что кристалл испускает слабый желтоватый свет. Раунд провёл ещё несколько опытов и описал свои наблюдения в краткой заметке в журнале Electrical World. И на этом всё – к непосредственным рабочим задачам это не относилось, так что исследований в этом направлении Раунд продолжать не стал. А потом началась Первая мировая и стало уже совсем не до того.
Следующее упоминание об электролюминесценции – куда более серьезное и подробное – датируется началом 20-х годов. В 1923 году молодой российский ученый Олег Лосев, работая, как и Раунд, с полупроводниковыми детекторами, обнаружил свечение при использовании карбида кремния. Объяснения этому явлению не было, и Лосев принялся его искать.
Он много экспериментировал с разными материалами, пробовал воздействовать на кристаллы различными температурами и силами – от магнитного поля до рентгеновских лучей, исследовал свечение в различных средах, изучал кристаллы под микроскопом и скрупулезно фиксировал все данные и результаты.
В 1927 году Лосев опубликовал статью “Светящийся карборундовый детектор и детектирование с кристаллами”. Затем последовал ещё целый ряд публикаций на эту тему, как в советских, так и в нескольких зарубежных изданиях. Учёный описывал спектры получаемого свечения, приводил его характеристики, которые сейчас хорошо известны как ключевые особенности светодиодов – безынерционность (практически мгновенное включение и угасание) и нетепловая природа света. Кроме того, Лосев получил два патента на своё “Световое реле”.
Однако в СССР эти работы большого внимания не привлекли. Причин было много: и слабая интенсивность получаемого свечения, и неразвитость технологии полупроводников, и политическая ситуация. Возможно, роль сыграло даже происхождение Лосева (его отец был дворянином и служил в царской армии). А потом в дело снова вмешалась война – в возрасте всего 38 лет Олег Лосев умер от голода в блокадном Ленинграде.
Но если на родине его открытие осталось практически неизвестным, то за рубежом Лосева знали. В 1935 году французский физик Жорж Дестрио обнаружил свечение кристаллов сульфида цинка, легированных ионами меди. В своих публикациях на эту тему Дестрио называл полученный свет “Светом Лосева”. Также, согласно некоторым источникам, именно Дестрио ввёл термин “электролюминесценция”.
Первая лампочка
Когда мир оправился от Второй Мировой войны, работы в области электролюминесценции возобновились. В конце 40-х годов американский физик чешского происхождения, Курт Леговец, повторил опыт Олега Лосева и начал исследования в этом направлении. В 1951-м он с соавторами опубликовал работу, в которой давал теоретическое обоснование свечения в полупроводниках.
В 1955-м Рубин Браунштайн, сотрудник компании Radio Corporation of America, обнаружил, что простые диодные структуры на основе арсенида галлия и некоторых других элементов испускают инфракрасное излучение. Но практического применения этому открытию тогда не нашлось. А шесть лет спустя двое исследователей из компании Texas Instruments (кстати, той самой, что разработала первые портативные калькуляторы), Джеймс “Боб” Биард и Гари Питтмен, усовершенствовали инфракрасный светодиод Браунштайна и получили на него патент.
На основе их разработок Texas Instruments создал SNX-100 – первую коммерчески доступную светодиодную лампочку. Работала она в инфракрасном спектре, то есть видимого света не давала, да и стоила 260 долларов, но зато могла использоваться в электронном оборудовании. Первые светодиоды нашли применение в компьютерных платах компании IBM.
Глобальным прорывом стал 1962 год, когда Ник Холоньяк, инженер General Electric, с группой коллег создал первый светодиод видимого излучения на основе арсенофосфида галлия (GaAsP) – достаточно практичный и достаточно яркий для широкого использования. Именно поэтому звание “Изобретателя светодиода” официально носит Холоньяк, а не кто-то из предшественников, работавших в этой области.
Три основных цвета
Первые светодиоды были дороги, тускловаты и только одного цвета – красные. Последнее – не из каких-то эстетических соображений, а в силу того, что кристаллы арсенофосфида галлия излучают именно такой свет. Именно потому красный стал цветом по умолчанию для многих индикаторов, где применяются светодиоды. Красными же были цифры в тех самых первых калькуляторах.
Но если для вычислений на счетной машинке цвет цифр значения не имел, то вот цена – да. Делать крупные дисплеи с большим количеством светодиодов было бы невыгодно; в итоге проблему мелких и неярких цифр обошли установкой увеличительных линз перед цифрами. Но саму суть вопроса это не решало. Ученые, инженеры, изобретатели продолжали работать над улучшением светодиодов.
Первый синий светодиод получил в 1971 году Жак Панков, американский учёный и изобретатель, родившийся в СССР. Но его кристалл был слишком тусклым и слишком дорогим для практического применения. В 1972 году аспирант Холоньяка, М. Джордж Крэфорд, создал первый желтый светодиод и смог значительно увеличить яркость красного. В 76-м Томас Пирсалл разработал высокоэффективный, очень яркий светодиод для использования с оптоволокном для телекоммуникаций.
К концу 80-х годов, благодаря разработке новых материалов, – соединений индия, галлия, алюминия, светодиоды стали мощнее, ярче, долговечнее и дешевле. Теперь их можно было задействовать вместо традиционных ламп в различных приборах. Появились зеленые, оранжевые светодиоды; диапазон их применения всё увеличивался. Особый интерес к светодиодам проявила автомобильная промышленность – их начали использовать в стоп-сигналах, поворотниках автомобилей, светофорах. Стало очевидно, что светодиоды будут здесь надежнее и долговечнее, чем обычные лампы накаливания – благодаря более длительному сроку службы и нечувствительности к количеству циклов включения-выключения.
Основная задача, которая теперь стояла перед учеными, – создание синего светодиода. Почему именно синего? Вспомним цветовую модель RGB – чтобы получить белый цвет, нужно смешать красный, зеленый и синий. То есть появление практичного и недорогого синего светодиода позволило бы делать белые светодиодные источники света. И вот в начале 90-х японскому инженеру Сюдзи Накамуре удалось изготовить синие светодиоды высокой яркости на базе нитрида галлия. Именно за это в 2014 году Накамура, а также Исаму Акасаки и Хироси Амано, которые вели параллельные разработки в этой области, получили Нобелевскую премию по физике.
В настоящее время светодиоды синего цвета свечения используются для создания сверхярких светодиодов белого цвета свечения.
В основе процесса формирования белого цвета лежит эффект сдвига Стокса в сложных органических красителях — люминофорах. Коротковолновый квант синего цвета дробится молекулярной оболочкой, поглощаясь и последовательно переизлучаясь, на несколько квантов других, более длинных волн, а внутримолекулярная релаксация энергии способствует формированию непрерывного спектра, покрывающего большую часть видимого человеческим глазом (вплоть до инфракрасного излучения). Полученный непрерывный спектр воспринимается человеческим глазом как свечение белого цвета, а полученные оттенки зависят от качеств люминофорного покрытия кристалла светодиода.
Что-то большее
Внезапно светодиоды перестали быть просто красной точкой – теперь они могли осветить весь мир, ярко и экономично. Больше того – это открыло множество новых применений для светодиодов. Цветные светодиодные экраны и экраны со светодиодной подсветкой, “бегущие строки”, светодиодные дорожные знаки, прожекторы, гирлянды, уличные фонари и ручные фонарики, фитолампы для теплиц, даже одежда и обои!
На каком бы устройстве вы ни читали эту статью – на смартфоне, планшете, компьютере, скорее всего его экран – это ЖК-дисплей со светодиодной подсветкой. Если вы за компьютером, приподнимите мышку: вот этот красный светодиод позволил нам забыть о постоянно загрязняющемся шарике механических мышек и ковриках для них. Включите телевизор: в его пульте – инфракрасный светодиод. Выгляните в окно: яркая реклама на большом цифровом билборде – это светодиоды (какой путь от маленького тусклого экранчика калькулятора!).
И это – не окончание истории. Развитие LED-технологий продолжается. Уже появились органические светодиоды и экраны на их основе; яркие светодиоды на нанокристаллах. Совершенствуются технологии высокоскоростной передачи информации с помощью светодиодов (Li-Fi). Что будет дальше? Обязательно увидим.
Светодиод
Светоизлучающие диоды и электролюминесценция известны более века. Генри Раунд (Henry Round), британский экспериментатор из лаборатории Маркони, в 1907 году впервые обратил внимание на эмиссию света при работе с кристаллами карбида кремния и контактным детектором (диодом). В опубликованном отчете, посвященном этому открытию, отмечалось, что под воздействием электрического возбуждения из кристалла карбида кремния выходил свет. Генри Раунд особенно отмечал тот факт, что при низком напряжении он видел желтоватый свет, а затем, по мере увеличения напряжения, в различных точках разных кристаллов, желтый, зеленый, оранжевый и синий. Однако, после этого, до середины 1920-х годов, никаких работ, относящихся к случайно открытой Раундом электролюминесценции, в печати больше не появлялось.
В это время, русский экспериментатор Олег Лосев успешно создал светодиод после того, как обнаружил, что используемые в радиоприемниках диоды испускали свет при протекании через них электрического тока. В течение последующих лет он исследовал это явление и опубликовал множество работ, описывающих связь спектров излучения с вольтамперными характеристиками диодов. В 1927 Лосев запатентовал «световое реле». Это была первая ссылка на использование светодиодов в целях коммуникации.
Генри Раунд и Олег Лосев
И, хотя Раунд и Лосев сдвинули изучение электролюминесценции с мертвой точки, выбранное ими направление дальнейшего движения оказалось бесполезным для практики. Используемый в точечных диодах карбид кремния в то время был полупроводником с непрямой запрещенной зоной, и, как следствие, неэффективным. Производимый им свет, в лучшем случае, был слаб.
Олег Владимирович Лосев и его вклад в развитие радиотехники
Имя О. В. Лосева сегодня известно разве что узкому кругу специалистов. А жаль: его вклад в науку, в развитие радиотехники таков, что дает право этому ученому-подвижнику на благодарную память потомков.
Ученик пятого класса реального училища дореволюционной Твери Олег Лосев что ни вечер тихо копошился в своей полу-тайной домашней радио-лаборатории, которую оборудовал на средства, сэкономленные от школьных завтраков, и мастерил очередную электрическую «пищалку». И никто подумать не мог, что в скромном вежливом мальчике, выделявшемся среди одноклассников глубиной понимания физики, любовью к экспериментированию, формируется личность целеустремленного исследователя.
А началось все с публичной лекции о беспроволочной телеграфии, как в то время называли радио, с которой выступил начальник Тверской радиоприемной станции Б. М. Лещинский. В четырнадцать лет Олег Лосев делает окончательный выбор: его призвание — радиотехника.
Большой жизненной удачей оказалась для Лосева случайная дорожная встреча с крупнейшим радиоспециалистом того времени профессором В. К. Лебединским. В вагоне пригородного поезда познакомились и навсегда сдружились маститый ученый и увлеченный юноша. Олег зачастил на Тверскую радиоприемную станцию международных сношений, куда Лебединский приезжает из Москвы для научных консультаций.
Идет мировая война — станция занимается перехватом радиосообщений противника. Ученик В. К. Лебединского поручик М. А. Бонч-Бруезич, страстный пропагандист радиодела, всячески опекает юного радиолюбителя. В домашней лаборатории Олега кипит работа: испытываются когерреры, изготавливаются кристаллические детекторы.
Наступил революционный 1917 год. Лосев в это время заканчивает среднюю школу. Он мечтает стать радиотехником. Но для этого необходимо получить специальное образование, и он подает документы в Московский институт связи.
В 1918 году инициативная группа во главе с Бонч-Бруезичем переезжает в Нижний Новгород, где создается первый в Советской России радиотехнический научно-исследовательский институт — Нижегородская радиолаборатория (НРЛ). В. К. Лебединский становится председателем Совета НРЛ и редактором первого отечественного научного радиожурнала «Телеграфия и телефония без проводов» («ТиТбп»). НРЛ сыграла крупную роль в развитии отечественной радиотехники.
Нижегородская радиолаборатория
Лосев проучился в институте связи всего один месяц и вскоре оказался в Нижнем Новогороде — в кругу своих учителей и покровителей. Не обошлось, конечно, без активной агитации со стороны В. К. Лебединского. Бескорыстный, внимательный педагог взял на себя ответственность за образование молодого человека. Лосев включился в исследовательскую деятельность лабораторий, занятых разработкой новейших для того времени радиотехнических средств.
Увлечение беспроволочной телеграфией в те годы охватывало весь мир. Уже отошла в историю стеклянная трубка с железными опилками — когеррер, и давно освоенный кристаллический детектор переставал удовлетворять растущие запросы радистов. Наступала эра электронной лампы. Однако их было крайне мало, по существу, единственный тип радиолампы Р-5, да и та оставалась пределом мечтаний всех одержимых радиотехникой. Поэтому актуальной задачей тех лет было усовершенствование кристаллического детектора. Эти приборы работали весьма неустойчиво.
Радиолампа Р-5
Лосев проверяет чистоту поверхности и внешнее строение кристаллов, в различных режимах изучает вольт-амперные характеристики детекторов и оценивает влияющие на них факторы.
Молодой исследователь не покидает Нижегородскую лабораторию сутками: днем проводит эксперименты, ночью занимает «свое место» на площадке третьего этажа, перед выходом на чердак, где стоит его кровать, а одеялом служит пальто. Таким был «комфорт» начала 20-х годов.
Исследуя вольт-амперные характеристики детекторов, Лосев подметил, что некоторые образцы имеют довольно странную кривую, включающую падающий участок. Детектируют они столь же неустойчиво, но что-то подсказывает Олегу, что он на пути к разгадке. В конце 1921 года, во время короткого отпуска в Твери, Лосев продолжает опыты в своей юношеской лаборатории. Снова берет цинкит и угольный волосок от старой лампы, начинает испытывать детектор. Что это? В наушниках какая-то далекая станция чисто и громко ведет передачу азбуки Морсе. Такого еще не бывало… Значит — прием не детекторный!
Это был первый гетеродинный прием на основе полупроводникового прибора. Полученный эффект, по существу, являйся прообразом транзисторного эффекта. Лосеву удалось выявить короткий падающий участок характеристики, способный приводить к самовозбуждению колебательный контур. Так, 13 января 1922 года 19-летний исследователь сделал выдающееся открытие. Поймут и теоретически опишут его много позже, а пока — практический результат: радисты всего мира получают в руки простой детекторный приемник, работающий не хуже дорогого лампового гетеродина, при том без громоздких батарей питания, без дефицитных электронных ламп и сложной наладки.
Множество материалов испробовал Лосев в качестве рабочего кристалла. Лучшим оказался облагороженный цинкит, получаемый сплавлением в электрической дуге естественных цинкитных кристаллов или чистой окиси цинка. Контактным волоском служила стальная игла.
Описание полупроводникового приемника с генерирующим кристаллом появилось в печати — это было последнее слово радиотехники. Вскоре Олег разработал целый ряд радиосхем с кристаллами и написал для радиолюбителей брошюру с подробными характеристиками приемников и рекомендациями по изготовлению кристаллов.
Приёмник Кристадин Лосева
Сразу после первой публикации открытие Лосева привлекло пристальное внимание зарубежных специалистов. Американский журнал «Рэйдионьюс» восклицал: «Молодой русский изобретатель О. В. Лосев передал свое изобретение миру, не взяв на него патента!» Один из французских журналов писал тактичнее: «…Лосев обнародовал свое открытие, думая прежде всего о своих друзьях — радиолюбителях всего мира». Приемник Лосева получил название «Кристадин», что означало кристаллический гетеродин. Кристадин принимал слабые сигналы далеких передающих станций, повышал избирательность приема, ослаблял уровень помех.
Волна радиолюбительства охватила молодежь страны, началась «кристадинная лихорадка». Цинкит было трудно достать, пробовали, что попадалось под руку, — любой кристалл. Массовые исследования принесли еще одну находку — галенит (искусственный свинцовый блеск), он неплохо работал, и его было много. Позже ученые будут спорить: почему же в 20-е годы не был открыт транзистор? Почему одаренный исследователь, не исчерпав всех возможностей своего открытия, вдруг оставил его? Что заставило повернуть работу в иное русло? Ответ есть…
История возникновения и развития светодиодов. Свечение Лосева
В 1923 году, экспериментируя с детектирующим контактом на основе пары «карборунд — стальная проволока», Олег Лосев обнаружил на стыке двух разнородных материалов слабое свечение. Раньше такого явления он не наблюдал, но прежде и использовались другие материалы. Карборунд (карбид кремния) был испробован впервые. Лосев повторил опыт — и снова полупрозрачный кристалл под тонким стальным острием засветился. Так, немного более 80 лет назад было сделано одно из перспективнейших открытий электроники — электролюминесценция полупроводникового перехода. Обнаружил Лосев явление случайно или тому были научные предпосылки, сейчас судить трудно. Так или иначе, но молодой талантливый исследователь не прошел мимо необычного явления, не отнес его в разряд случайных помех, напротив, обратил самое пристальное внимание, угадал, что оно базируется на еще неизвестном экспериментальной физике принципе.
Свечение многократно изучалось на различных материалах, в разных температурных условиях и электрических режимах, рассматривалось под микро-скопом. Лосеву становилось все более очевидным, что он имеет дело с открытием. «Вероятнее, что здесь происходит совершенно своеобразный электронный разряд, не имеющий, как показывает опыт, накаленных электродов», пишет он в очередной статье. Итак, новизна, неизвестность науке открытого свечения для Лосева бесспорна, но понимания физической сущности явления еще нет.
Самодельный светодиод из карбида кремния
Формулировалось несколько версий по поводу физических причин открытого свечения. Одну из них он высказывает в той же статье: «Вероятнее всего, кристалл светится от электронной бомбардировки аналогично свечению различных минералов в круксовых трубках». Позже, проверяя это объяснение, Лосев помещает различные кристаллы в катодо-люминесцентную трубку и при облучении их сравнивает спектры и силу излучаемого света с аналогичными характеристиками детекторного свечения. Обнаруживается значительное сходство, но вопрос о четком понимании физики явления, по словам Лосева, остается открытым.
Все усилия ученый сосредоточивает на глубоком и детальном изучении светящегося карборундового детектора.
В № 5 журнала «ТиТбп» за 1927 год появляется большая статья «Светящийся карборундовый детектор и детектирование с кристаллами», в которой экспериментатор пишет: Можно различать два вида свечения…
- свечение I — зеленовато-голубая, яркая маленькая точка
- свечение II — когда ярко флуоресцирует значительная поверхность кристалла
Только через несколько десятилетий выяснится, что в кристаллической решетке карборунда в результате случайного внедрения атомов других элементов создавались активные центры, в которых происходила интенсивная рекомбинация носителей тока, вследствие чего наружу выбрасывались кванты световой энергии.
Экспериментируя с различными сортами кристаллов и разными контактными проволочками, О. В. Лосев делает два важнейших вывода: свечение происходит без выделения тепла, то есть является «холодным», инерция возникновения и потухания свечения чрезвычайно мала, то есть оно практически безынерционно. Теперь мы знаем: эти характеристики свечения, отмеченные Лосевым в 20-е годы, являются важнейшими для сегодняшних светодиодов, индикаторов, оптронов, излучателей инфракрасного света.
Лосев проводит исследования по электролюминесценции
Физическая сущность свечения по-прежнему неясна, и О. В. Лосев настойчиво ищет объяснение физики явления. Вскоре он делает одно важное наблюдение, приближающее к пониманию сути процесса: «Под микроскопом можно хорошо видеть, что свечение возникает тогда, когда контактная проволочка касается острых ребер или изломов кристалла…», то есть генерация света происходит на кристаллических дефектах. Технические отчеты за 1927 год, хранящиеся в архивах НРЛ имени В. И. Ленина, подтверждают, насколько обстоятельно велось исследование светящегося карборундового детектора. Изучалось влияние сильного магнитного поля, ультрафиолетового излучения и рентгеновских лучей; поведение в различных средах — испытывалась ионизация воздуха, окружающего свечение, исследовалась термоэмиссия различных минералов. Одна за другой отпадают ошибочные версии, шаг за шагом идет накопление ценных знаний. Лосев сам готовит для экспериментов различные сорта карборунда, монтирует испытательные установки, пилит и точит металл, занимается измерениями, ведет рабочие журналы — все сам, от идеи до конечных результатов.
Исследования Лосева по электролюминесценции получили широкий отклик и признание за рубежом. Его работы перепечатывали иностранные журналы, а открытие получило официальное название — «Свечение Лосева». И за границей и у нас делались попытки его практического использования. Сам Лосев получил патент на устройство «световое реле», однако слабая разработка в тот период теории твердого тела и почти полное отсутствие полупроводниковой технологии не позволили при жизни ученого найти работам по электролюминесценции практическое применение. По существу, они относились к проблемам будущего, и до них дошла очередь лишь через 20 — 30 лет.
Практическое использование эффекта свечения Лосева началось в конце пятидесятых годов. Этому способствовало освоение полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров. Не полупроводниковыми оставались только элементы отображения информации — громоздкие и ненадежные. Поэтому во всех развитых в научно-техническом отношении странах велась интенсивная разработка полупроводниковых светоизлучающих приборов.
Элементы отображения информации
Первым из них стал серийно выпускаться фосфидо-галлиевый светодиод красного свечения. Вслед за ним появился карбидокремниевый светодиод с излучением желтого цвета. В шестидесятые годы физики и технологи создали зеленый и оранжевый светодиод. Наконец, в начале текущего десятилетия на антимониде был получен синий светодиод. Параллельно шел поиск новых технологических методов, полупроводниковых материалов и прозрачных пластмасс. В итоге интенсивной работы была значительно увеличена яркость свечения приборов, разработаны различные типы сегментных цифро-буквенных индикаторов, матричных индикаторов и линейных шкал. Приборы с изменяющимся цветом свечения, а также различные типы светодиодных мнемонических излучателей, которые высвечивают разнообразные геометрические фигуры: прямоугольник, треугольник, круг и т. д. В последнее время возник новый класс приборов — модули плоских твердотельных экранов, из которых можно собирать мозаичные экраны и табло нового поколения.
Ученый опередил своих современников. Его заслуга не только в открытии детекторного свечения, но, главным образом, в том, что своими исследованиями он столь остро поставил проблему, что продолжение работ в этой области стало неизбежным. Так, интуиции и настойчивости О. В. Лосева обязано зарождение нового направления электроники — полупроводниковой оптоэлектроники, которое имеет огромное будущее.
Светодиод. История создания светодиодов
Впервые светодиоды появились в 1907 году. Изобретателем данных источников света стал достаточно известный английский экспериментатор Генри Раунд. Именно он в своей лаборатории Маркони впервые описал электролюминесценцию.
Первые изобретения
В 1923 году российский ученный Олег Лосев в ходе своих экспериментов в Нижегородской радиолаборатории обнаружил, электролюминесценцию полупроводникового перехода. На тот момент изобретение Лосева не имело весомого значения. Однако именно работы Лосева использовали американцы Гари Питтман и Роберт Байард, представляющие компанию Texas Instruments. Этим американцам удалось открыть и запатентовать технологию инфракрасного светодиода. Данное достижение покорилось им в 1961 году.
Уже через год Нил Холоньяк из Иллинойского Университета разработал первый светодиод, который можно было бы использовать на практике. Данная разработка была выкуплена компанией General Electric. В результате именно эта компания стала первой изготавливать светодиодные лампы, а Холоньяк навсегда вошел в историю, как «отец современных светодиодов».
Усовершенствование технологии
В последствие технология производства светодиодов только лишь усовершенствовалась. Причем особенный вклад в усовершенствование данного источника света внес бывший студент Холоньяка – Джордж Кроуфорд. Именно он изобрел первый желтый светодиод. Стоит отметить, что Холоньяк изобрел только лишь светодиоды красного свечения. Также Кроуфорду удалось улучшить яркость свечения красных и красно-оранжевых светодиодов.
Несомненный вклад в развитие светодиодных технологий внес и ученный Жак Панков. Его многочисленные исследования привели к серийному промышленному производству светодиодов. Благодаря его разработкам, удалось существенно снизить стоимость данных источников света. Кроме того, именно Панкову принадлежит изобретение светодиода фиолетового свечения. Минусом изобретений Панкова являлся только лишь относительно небольшой срок службы светодиодов.
Данную проблему удалось решить Т. Пирсолу. Этот ученный является автором первого высокоэффективного светодиода высокой яркости. Изобретение Пирсола было полностью адаптировано к передаче данных по волоконно-оптическим линиям связи. Также стоит добавить, что в начале 90-х годов японцы Исама Акасаки, Хироси Амано и Судзи Накамура презентовали дешевый синий светодиод, за изобретение которого они удостоились Нобелевской премии.
Кто изобрел светодиод и как он работает
• Светодиод изобрел Олег Лосев
• Как устроен светодиод
• Срок службы светодиодов
Средний срок службы
Почему же у белых светодиодов наименьший срок службы?
• Светодиоды греются
Как реагирует светодиод на нагрев
Еще в 1907 году было впервые отмечено слабое свечение, испускаемое карбидокремниевыми кристаллами вследствие неизвестных тогда электронных превращений. В 1923 году наш соотечественник, сотрудник Нижегородской радио-лаборатории Олег Лосев отмечал это явление во время проводимых им радиотехнических исследований с полупроводниковыми детекторами, однако интенсивность наблюдаемых излучений была столь незначительной, что Российская научная общественность тогда всерьез не интересовалась этим феноменом.
Через пять лет Лосев специально занялся исследованиями этого эффекта и продолжал их почти до конца жизни (О.В. Лосев скончался в блокадном Ленинграде в январе 1942 года, не дожив до 39 лет). Открытие «Losev Licht», как назвали эффект в Германии, где Лосев публиковался в научных журналах, стало мировой сенсацией. И после изобретения транзистора (в 1948 году) и создания теории p-n-перехода (основы всех полупроводников) стала понятна природа свечения.
В 1962 году американец Ник Холоньяк продемонстрировал работу первого светодиода, а вскоре после этого сообщил о начале полупромышленного выпуска светодиодов.
Светодиод (англ. light emission diode – LED) является полупроводниковым прибором, его активная часть, называемая «кристалл» или «чип», как и у обычных диодов состоит из двух типов полупроводника – с электронной (n-типа) и с дырочной (p-типа) проводимостью. В отличие же от обычного диода в светодиоде на границе полупроводников разного типа существует определенный энергетический барьер, препятствующий рекомбинации электронно-дырочных пар. Электрическое поле, приложенное к кристаллу, позволяет преодолеть этот барьер и происходит рекомбинация (аннигиляция) пары с излучением кванта света. Длина волны излучаемого света определяется величиной энергетического барьера, который, в свою очередь, зависит от материала и структуры полупроводника, а также наличия примесей.
Значит, прежде всего, нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.
Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.
Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного p-n-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.
Как устроен светодиод
Основные современные материалы, используемые в кристаллах светодиодов:
- InGaN — синие, зеленые и ультрафиолетовые светодиоды высокой яркости;
- AlGaInP — желтые, оранжевые и красные светодиоды высокой яркости;
- AlGaAs — красные и инфракрасные светодиоды;
- GaP — желтые и зеленые светодиоды.
Кроме светодиодов лампового типа (3, 5, 10 мм, их форма действительно напоминает миниатюрную лампочку с двумя выводами), в последнее время все большее распространение получают SMD — светодиоды. Они совершенно иной конструкции, отвечающей требованиям технологии автоматического монтажа на поверхность печатной платы (surface mounted devices – SMD).
А сверхяркие светодиоды такого типа называются эммитеррами (emitter, англ. «излучатель»).
SMD светодиоды имеют более компактные размеры, допускают автоматическую расстановку и пайку на поверхность платы без ручной сборки. Некоторые производители светодиодов выпускают специальные SMD-диоды, содержащие в одном корпусе три кристалла, излучающие свет трех основных цветов – красный, синий и зеленый. Это позволяет получить при смешении их излучения всю цветовую гамму, включая белый цвет, при ультракомпактных размерах.
Яркость светодиода характеризуется световым потоком (Люмены) и осевой силой света (Кандела), а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучающих в телесном угле от 4 до 140 градусов.
Цвет, как обычно, определяется координатами цветности, цветовой температурой белого света (Кельвин), а также длиной волны излучения (нанометры).
Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности (характеристика «Люмен/Ватт»).
Также интересной характеристикой оказывается цена одного люмена ($/Люмен).
Итак, любой светодиод состоит из одного или нескольких кристаллов, размещенных в корпусе с контактными выводами и оптической системы (линзы), формирующей световой поток. Длина волны излучения кристалла (цвет) зависит от материала полупроводника и от легирующих примесей. Биновка (wavelength bin) кристаллов по длине волны излучения происходит при их изготовлении. В партии поставки на современном производстве отбираются близкие по спектру излучения кристаллы.
Широкий диапазон оптических характеристик, миниатюрные размеры и гибкие возможности по дискретному управлению обеспечили применение светодиодов для создания самых различных световых приборов и изделий. Светодиод излучает в узкой части спектра, на определенной длине волны его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры.
Срок службы светодиодов
Основная характеристика надежности светодиодов – срок их службы. В процессе эксплуатации возможны две ситуации: световой поток излучателя либо частично уменьшился, либо вовсе прекратился. Срок службы отражает эти факты: различают полезный срок службы (пока световой поток не упадет ниже определенного предела) и полный (пока прибор не выйдет из строя).
Срок службы напрямую зависит от типа светодиода, подаваемого на него тока, охлаждения кристалла (chip) светодиода, состава и качества кристалла, компоновки и сборки в целом.
Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче чем у маломощных сигнальных. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.
Очевидно, например, что в светодиодах мощностью от 1 Вт (рабочий ток 0,350 А) и более мощных, тепловыделение гораздо обильнее, чем в светодиодах типа «5 мм», рассчитанных на ток 0,02 А. По светоотдаче 1 светодиод мощностью 1 Вт заменяет около 50 светодиодов типа «5 мм», но и греется сильнее. Поэтому светодиодные сборки с мощными светодиодами требуют пассивного охлаждения (монтаж на MCPCB плату (печатная плата на металлической основе) и радиатор).
Средний срок службы
5 мм -LED и SMD-LED:
• белый до 50000 ч. с падением светового потока до 35% в течении первых 15000 ч.
• синий, зеленый до 70000 ч. с падением светового потока до 15% в течении первых 25000 ч.
• красный, желтый до 90000 ч. с падением светового потока незначительно.
HI-POWER LED от 1 Вт и выше:
• белый до 80000 ч. с падением светового потока до 15% в течении первых 10000 ч.
• синий, зеленый до 80000 ч.
• красный, желтый до 80000 ч.
Почему же у белых светодиодов наименьший срок службы?
К сожалению, структур, излучающих белый свет, никто еще не придумал. Основой диода белого цвета является структура InGaN, излучающая на длине волны 470 нм (синий цвет) и нанесенный сверху на нее люминофор (специальный состав), излучающий в широком диапазоне видимого спектра и имеющий максимум в его желтый части. Человеческий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет. Люминофор ухудшает тепловые характеристики светодиода, поэтому срок службы сокращается. Сейчас мировые производители изобретают новые и новые варианты эффективного нанесения люминофора.
Большинство сверхярких светодиодов служат в районе 50000 — 80000 часов. Много это или мало?
50000 часов — это:
24 часа в день 5.7 лет
18 часов в день 7.4 лет
12 часов в день 11.4 лет
8 часов в день 17.1 лет
Светодиоды греются
Многие считают, что светодиоды практически не греются. Так почему светодиодным приборам нужен теплоотвод и что будет, если теплоотвода нет?
Светодиоды продуцируют тепло в полупроводниковом переходе. И чем мощнее LED, тем больше тепла. Конечно, индикаторные светодиоды, например, датчики автосигнализаций сильно не греются. Но со сверхяркими LED они имеют мало общего. Если мощные светодиоды объединены в некую сборку, да еще и установлены в герметичный корпус, то нагрев становится значительным.
И если не происходит отвод тепла, полупроводниковый переход перегревается, отчего изменяются характеристики кристалла, и через некоторое время светодиод может выйти из строя. Так что очень важно строго контролировать количество тепла и обеспечивать эффективный теплоотвод.
Как реагирует светодиод на нагрев
Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй — световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.
Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у красных и желтых светодиодов, и меньше у зеленых, синих и белых.