Устройства на светодиодах, и не только

Эволюция современного источника света — от светодиода до светодиодной ленты

Известный физик с мировым именем, один из величайших амери­канских ученых со времен Бенджамина Франклина, Генри Джозеф (1797-1878) впервые теоретически обосновал явление электролю­минесценции карбида кремния, предположив, что карбид кремния годится для изучения светового (видимого) спектра. При экспери­ментах в 1907 году было отмечено слабое свечение, испускаемое карбидокремниевыми кристаллами вследствие неизвестных тогда электронных превращений. В 1923 году ученый из Нижегородской лаборатории Олег Лосев проводил радиотехнические исследования с полупроводниковыми детекторами и отметил видимое и визуально фиксируемое свечение полупроводников. В конце 20-х годов XX ве­ка немецкие ученые предлагали использовать медь для извлечения фосфора из сульфида цинка. Однако и тогда свечение получалось недостаточно ярким. Эксперименты Лосева в мире получили назва­ние «Losev Licht» (свет Лосева). В то же время британские ученые активно экспериментировали с полупроводниками, полученными из арсенида галлия. Именно за британцами закрепилась слава откры­вателей первых светодиодов на основе арсенида галлия. Но только после изобретения транзистора (в 1948 году) и создания теории р-я-перехода (основы всех полупроводников) стала понятна приро­да свечения. Отсюда и пошло название светодиоды (светодиод от англ. Light emission diode - LED).

Кристаллы будущего светодиода формируются в жидком азоте, чтобы работать с высокой эффективностью при комнатной темпера­туре. Интересно, что первый светодиод излучал только невидимый человеку инфракрасный свет. Но уже в конце 60-х годов XX века на основе арсенида галлия, установленного на фосфидную подложку, широкой общественности был презентован первый светодиод крас­ного свечения. Дальнейшие попытки усовершенствования светодио­да вели к изменению (расширению) цветовой гаммы и долговечно­сти работы светодиодного кристалла.

Результаты эволюции впечатляют. Так, спустя всего несколько лет, к середине 70-х годов прошлого века, фосфид галлия уже ак­тивно используется в качестве источника света, причем создаются и успешно испытываются двойные (один кристалл - красного све­чения, другой - зеленого) светодиоды и появляются желтые.

Период второй половины XX века - с начала 60-х и до середины 80-х годов - считается историей первого поколения светодиодов, когда происходило активное использование фосфида алюминия на основе арсенида галлия; ученые и разработчики стремились не только разнообразить цветовую гамму свечения светодиодов, но и сделать их наиболее яркими.

В начале 90-х благодаря опытам ученых алюминиевый фосфид галлия стал излучать оранжевым цветом.

Первый синий светодиод также появился в начале 90-х, на за­ре эры полупроводниковых источников «нового» света. В середине 90-х годов появляются публикации результатов исследований об испытании суперъярких GaN-светодиодов, в которых свечение бы­ло высокой интенсивности. С помощью технологии для получения видимого цвета в то же время появились ультраяркие белые свето­диоды. Сегодня можно увидеть любые цвета светодиодов, включая «цвет морской волны», «салатный» и «розовый», а также их различ­ные комбинации. История создания и совершенствования светодио­дов шла долгим и извилистым путем, и в последние годы светодиод может излучать чистый яркий свет почти любого оттенка (цветовой палитры), в том числе в ультрафиолетовом спектре (УФ); может даже излучать так называемый «черный» ультрафиолетовый свет. Сегодня светодиоды вмонтированы в елочные гирлянды, гибкие самоклеящиеся ленты, лампы освещения, сверхъяркие прожекторы; лампы на их основе уже есть в продаже, как конкурентоспособные они скоро придут на замену лампам накаливания (в России уже за­прещена продажа ламп накаливания мощностью 100 Вт и более) и энергосберегающим лампам. Светодиоды сегодня можно увидеть в осветительных приборах. В автомобильных фарах и на рекламных щитах - почти повсеместно. Эволюция развития светодиодов будет продолжаться. Может быть, в один прекрасный день и рентгенов­ские лучи будут «сделаны» из светодиодов.

Зачем нужны светодиоды?

Светодиоды заменяют большинство из бытовых осветительных приборов. Причем заменяют эффективно по нескольким причинам.

Во-первых, светодиод очень экономичен. Так, один, даже сверхъ - яркий светодиод с силой света до 5 кд (кандел) потребляет всего 60-100 мА (питание постоянным током) и рассчитан примерно на 60 ООО часов непрерывной работы. При соединении в последователь­ную электрическую цепь ток в ней остается постоянным, а общая яркость светодиодного устройства возрастает. Эта идея легла в ос­нову создания гибких светодиодных лент.

Во-вторых, светодиод миниатюрен. Он занимает очень мало места (по сравнению с энергосберегающей лампой или лампой накали­вания сопоставимой световой отдачи) и может компактно монти­роваться. Если посмотреть на современные портативные (ручные) фонарики, то мы увидим там кластеры йз нескольких (иногда не­скольких десятков) сверхъярких светодиодов, которые дают свето­вой поток, превосходящий поток от криптоновой лампы (накали­вания).

Из «минусов» можно отметить необходимость принудительно­го охлаждения сверхъярких (мощных) светодиодов (с мощностью более 1 Вт, ток свыше 300 мА). С другой стороны, маломощные светодиоды и даже их комбинации (сборки) с током потребления до 80 мА в охлаждении не нуждаются.

Но даже несколько светодиодов в одном кластере (на одной пе­чатной плате) по эффективности светового потока уступают све­тодиодной ленте, которая уже стала настолько популярна, что ею оформляют не только подсветку кухонь и подвесных потолков, но и контуры кузовов автотранспорта.