Історія виникнення та розвитку світлодіодної технології. Історія створення світлодіодів

З кожним днем ​​світлодіоди все міцніше закріплюються у різних сферах діяльності. І це не дивно, адже світлодіоди мають низку переваг перед іншими освітлювальними приладами.

Світлодіодні лампи набули широкого поширення лише в 21 столітті, проте світлодіоди в приладах використовуються не один десяток років, історія відкриття та створення світлодіодів почалася ще на початку 20 століття.

Генрі Джозеф Раунд в 1907 проводив експерименти з кристалічними детекторами. У ході одного зі своїх експериментів, при подачі струму через різні матеріали, вчений помітив дивне світіння. Світло випускав карбід кремнію. Пояснити це явище Генрі не зміг. Свої спостереження винахідник описав у виданні “General world”.

Наступний крок у розвиток світлодіодів зробив російський експериментатор Олег Лосєв. Він виявив, що в радіоприймачах діоди випромінюють світло при проходженні електричного струму. Він досліджував це явище та опублікував велику кількість робіт з цієї теми. У 1927 році Лосєв запатентував "Світлове реле". Завдяки його відкриттям світ дізнався про електролюмінесценцію напівпровідників. Діоди були виготовлені із застосуванням карбіду кремнію.

1955 року американець Рубін Брунштайн зробив заяву про те, що прості діодні структури випускають інфрачервоне випромінювання. До таких структур належали антимоніду галію, фосфіду індія, арсинід галії, сплав кремнію та германію.

У 1961 році патент на ІЧ діод отримав американці Боб Біард та Гарі Пітмен.

Батьком-засновником сучасного діода зчитується Нік Холоняк із “General Electriс”.В 1962 створив лазер з видним випромінюванням червоного спектру Холопяк став професором Іллінойського університету в 1963 році. У нього навчався аспірант Джордж Крефорд, який у 1972 році винайшов жовтий світлодіод.

У компанії Monstanto було організовано масове виробництво світлодіодів.

На початку 70-х з'явилися зелені світлодіоди.

У середині 70-х докор Жан Енрі винайшов планарну технологію виготовлення напівпровідникових кристалів.

Наприкінці 80-х завдяки роботам Ж.І. Алфьорова та інших учених, коли було отримано нові матеріали, збільшено потужність, яскравість, світлова віддача, термін служби. У нових матеріалах були використані сполуки індію, галію, алюмінію.

Перший світлодіод синього кольору було створено у 1971 році, проте технологія була надмірно затратною.

Сині світлодіоди на основі карбіду кремнію серійно випускалися в 1980-х, але яскравість була дуже маленька.

У 1996 році японські вчені на чолі з винахідником Сюдаї Накамура після 20 років пошуків здійснили прорив – винайшли дешевий синій світлодіод.

Сьогодні завдяки ефективності світлодіодів вони використовуються у побуті, промисловості, на вулицях міст. Світлодіоди визнані економічно вигідними та екологічними.

Хто винайшов світлодіод та світлодіодні лампи?

Світлодіодні лампи знайшли застосування у створенні побутового, рекламного, декоративного, індикаторного та іншого освітлення. Людина підлаштовує цей винахід під свої потреби у багатьох сферах діяльності. Світлодіоди створюють випромінювання для передачі телефонних та інтернет сигналів по оптоволоконних кабелях, що зв'язують пульти управління з контрольованою технікою. LED-кристали роблять світ яскравішим і світлішим, але кому належить авторство створення «суперсвітильників»?

Історія створення світлодіодів

Вперше про світіння твердого кристала під впливом струму людство дізналося на початку ХХ століття.

1907 - британець Генрі Раунд провів експерименти, в процесі яких помітив кольорове світіння при походженні електрики через з'єднання металу з карбідом кремнію (карборунд). Так було відкрито електролюмінесценцію.

1923 - в СРСР вчений-фізик Олег Лосєв пропустив струм через з'єднання карбіду кремнію зі сталлю, і побачив слабке світло в точці дотику карборунду з металевим сплавом. Незважаючи на публікацію в наукових джерелах, суспільство не надало значення цьому відкриттю. Пізніше, 1927 року, Лосєв створив твердотільне «світлове реле», що працює від джерела живлення 10 ст.

1961 – наступним кроком у розробці сучасних ламп став винахід інфрачервоного світлодіода. Відкриття зробили співробітники американського виробника Texas Instruments. Г. Піттман та Р. Байард, які трохи пізніше запатентували своє дітище.

1962 – перше застосування світлодіоду практично в американському гіганті General Electrics. Кристали з червоним свіченням були створені в Університеті Іллінойсу Ніком Холоньяком.

Собівартість перших світлодіодів досягала 200 $ - величезні гроші для середини XX століття. Науково-технічний прогрес дозволив здешевити виробництво твердотільних джерел світла, і з 1968 великі корпорації звернули увагу на можливу вигоду від використання таких елементів у своїй продукції.

1971 – американець українського походження Жак Панков у лабораторних умовах отримує синє випромінювання від кристалів. Починається ера світлодіодів, перші масові партії індикаторів були зроблені компанією Monsanto і використані в калькуляторах HP.

1972 – учень Холоньяка Джордж Крафорд покращує силу світла червоних світлодіодів у 10 разів, і знаходить спосіб отримати жовте випромінювання.

Винахід світлодіодної лампи

Незважаючи на зниження вартості, ціна на світлодіоди залишалася високою аж до 1990-х років. Вихідні світлові промені були слабенькі, і підходили тільки для використання як індикатори. Але наприкінці минулого століття три співробітники японської корпорації Nichia Chemical Industries (Хіросі Амано, Сюдзі Накамура та Ісама Акасакі) зрушили прогрес з мертвої точки, створивши недорогий світлодіод із синім свіченням. Трохи згодом на основі винаходу трьох співробітників Nichia почалося масове виробництво люмінофорних світлодіодів з білим свіченням. У 2014 році Хіросі Амано, Сюдзі Накамура та Ісама Акасакі за свій винахід були удостоєні Нобелівської премії.

Завдяки низькій вартості люмінофорних світлодіодів і досить високому світловому потоку стало можливим масове виробництво світлодіодних ламп.

Останнім кроком на шляху створення сучасних світлодіодних ламп з високим світловим потоком стало виробництво першого модуля за технологією COB (Chip-on-Board) в 2003 році компанією Citizen Electronics. Citizen Electronics першими почали використовувати діелектричний клей для монтажу кристалів від Nichia на алюмінієву підкладку, необхідну для поглинання тепла, що виділяється.

Що таке світлодіод? Історія розвитку, цікаві факти, перспективи

У всіх наших статтях ми намагаємося доносити інформацію до читачів та покупців магазину в максимально доступній формі, старанно уникаючи малозрозумілих обивателів термінів та опису фізико-хімічних процесів.Так ми спробуємо вчинити і зараз, оскільки, підковані в наукових дисциплінах читачі легко зможуть знайти в Інтернеті інформацію з даної теми набагато більш науковою мовою.

Що таке світлодіод?

Світлодіод - це напівпровідниковий прилад, що трансформує електрострум у видиме світіння. Світлодіод має загальноприйняту абревіатуру - LED (light-emitting diode), що в дослівному перекладі російською мовою означає "світловипромінюючий діод". Світлодіод складається з напівпровідникового кристала (чіп) на підкладці, корпусу з контактними висновками та оптичної системи. Безпосередньо випромінювання світла походить від цього кристала, а колір видимого випромінювання залежить від його матеріалу та різних добавок. Як правило, в корпусі світлодіода знаходиться один кристал, але при необхідності підвищення потужності світлодіода або для випромінювання різних кольорів можливе встановлення кількох кристалів.

У світлодіоді, на відміну від звичної лампи розжарювання або люмінесцентної лампи (її ще називають "енергозберігаючою"), електрострум трансформується у видиме світло. Теоретично, таке перетворення можна здійснити взагалі без, про, " паразитних " втрат електроенергії на нагрівання. Це з тим, що з грамотно спроектованому тепловідведення світлодіод нагрівається дуже слабко. Світлодіод випромінює світло у вузькому спектрі, його колір "чистий", що особливо цінно стосовно дизайнерського освітлення. Ультрафіолетові та інфрачервоні випромінювання, як правило, відсутні.

Історія розвитку світлодіода

У 1907 році британський інженер-експериментатор Генрі Джозеф Раунд (на фото ліворуч) вперше виявив ледь помітне випромінювання, що випускається карбідокремнієвими кристалами, внаслідок невідомих на той час електронних перетворень.

У 1923 році в Нижньому Новгороді, молодий російський вчений Олег Лосєв (на фото праворуч) також зафіксував це світіння при проведенні радіотехнічних лабораторних дослідів з напівпровідниковими детекторами, але інтенсивність виявлених світінь була вкрай низькою і Російська наукова спільнота не надала цієї події належного значення. Через кілька років Олег Лосєв провів цілеспрямовані дослідження цього феномену та заглиблювався у їх вивчення аж до своєї смерті – Олег Лосєв пішов із життя в блокадному Ленінграді взимку 1942 року у віці 38 років. До початку війни Олег Лосєв активно публікував результати своїх розвідок у німецьких наукових фахових виданнях, де відкритий їм ефект вважали сенсаційним і назвали його ім'ям вченого - "Losev Licht". Природа цього випромінювання остаточно стала зрозумілою лише в 1948 після винаходу транзистора і появи теорії "p-n-переходу", що є науковою основою функціонування відомих нині напівпровідників.

У 1962 році група вчених з Університету Іллінойсу (США), якою керував Нік Холоньяк (на фото зліва), продемонструвала роботу першого світлодіода, що стало знаковою подією і саме цей момент багато фахівців вважають відкриттям звичного нам світлодіода. Цього ж року Нік Холоньяк створив перші "червоні" світлодіоди, які вже можна було застосовувати у промисловості.

У 1972 були відкриті напівпровідникові випромінювачі зеленого та жовтого кольору. Їхня яскравість поступово збільшувалася і в 1990 році вже становила 1 люмен.

Суджі Накамура (на фото праворуч) – інженер маловідомої тоді японської фірми Nichia (Нічіа) у 1993 році отримав перший синій надяскравий світлодіод.Після цього майже моментально були створені світлодіодні RGB (Red-Green-Blue) пристрої, оскільки ці три кольори (зелений, синій, червоний) у своєму поєднанні уможливили створити будь-який колір, навіть білий. Цей момент став справжнім проривом і перші світлодіоди білого кольору "побачили світ" у 1996 р., що стало найсильнішим поштовхом до розвитку галузі.

До 2005 року яскравість світлодіода досягла значення 100 лм/Вт і продовжує збільшуватись. Були сконструйовані так звані багатобарвні світлодіоди, а підвищення яскравості і надійності всіх компонентів світлодіодних ламп дозволило почати конкуренцію з енергозберігаючими (люмінесцентними) і лампами розжарювання. Ми маємо цікаву статтю на цю тему, де порівнюються різні типи ламп.

З 2008-2009 років стартувало активне застосування світлодіодних джерел світла у побутових світильниках та трохи пізніше зі зростанням світловіддачі – у вуличному освітленні. У 2012-2013 роках через багаторазове зростання обсягів виробництва їхня вартість почала знижуватися, що призвело до стрімкого підвищення інтересу з боку споживачів.

Яскравість світлодіоду

Яскравість світлодіода залежить від сили струму (яка вимірюється в амперах), який через нього проходить. Однак силу струму не можна збільшувати без обмежень, оскільки кристал перегріється і вийде з ладу. Саме тому конструкція світлодіодних ламп відносно складна і дорога у виробництві. Але прогрес не стоїть на місці і щорічно провідні виробники світлодіодів домагаються зростання світлового потоку своїх світлодіодів на 20-30%, що з точки зору швидкості прогресу дуже вражаючі цифри. Постійному вдосконаленню піддаються конструкції та матеріали елементів світлодіодних ламп.

По силі світла світлодіоди поділяються на три основні групи: - світлодіоди ультрависокої яскравості, потужністю від 1W (Ultra-high brightness LEDs) - сотні канделл; - світлодіоди високої яскравості, потужністю до 20 mW (High brightness LEDs) - сотні і тисячі мілі; світлодіоди стандартної яскравості (Standard brightness LEDs) – десятки міліканделів.

Яскравість свічення світлодіодів дуже добре піддається регулюванню або "димування" при використанні так званого методу широтно-імпульсної модуляції, для чого необхідний спеціальний блок керування, вбудований в лампу. Однак, на сьогоднішній день (2013-2014 роки) не всі світлодіодні лампи, що продаються, димуються, що робить їх трохи дешевше і цей момент треба враховувати при покупці. Саме тому перед придбанням світлодіодних ламп ми настійно рекомендуємо прочитати нашу статтю "Як вибрати світлодіодну лампу".

Основні типи світлодіодів

Існує два основних типи світлодіодів: індикаторні та освітлювальні.

Індикаторні світлодіоди - не яскраві, малопотужні і тому дешеві у виробництві світлодіоди, що використовуються як світлові індикатори в різних електронних приладах, підсвічування дисплеїв комп'ютерів, РК-телевізорів, приладових панелей автомобіля та багатьох інших пристроїв.

Освітлювальні світлодіоди відрізняються високою потужністю та яскравістю, що дозволяє використовувати їх у виробництві побутових та промислових лампах та світильниках.

Історично через невелику яскравість і потужність світлодіоди застосовувалися тільки для індикації.Щоб зробити їх придатними для освітлення, необхідно було перш за все навчитися виготовляти світлодіоди з білим світлом, що, як ми писали вище, сталося лише в 90-х роках двадцятого століття, а також значно збільшити світловіддачу, чого у свою чергу вдалося досягти тільки в двохтисячних років.

Довговічність та старіння світлодіодів

Світлодіод механічно міцний і надійний - навіть за нинішнього розвитку технологій, його термін експлуатації в системі освітлення теоретично може досягати ста тисяч годин, що приблизно в 100 разів більше середнього терміну експлуатації звичайної лампи розжарювання і приблизно в 10 разів більше, ніж у енергозберігаючих (люмінесцентних) ламп. Однак, термін служби світлодіода може бути різним і безпосередньо залежить від типу світлодіода, сили струму, що подається на нього, охолодження кристала (чіпа) світлодіода, складу і якості кристала, компонування елементів і складання в цілому. Саме тому термін служби у освітлювальних світлодіодів коротший, ніж у малопотужних індикаторних. У побутовому сенсі, старіння світлодіода пов'язане переважно зі зниженням його яскравості і меншою - зі зміною кольору видимого випромінювання. Сам процес старіння починає бути помітним через кілька десятків тисяч годин і відбувається досить повільно, тобто. різкого згасання світлодіода немає.

Однак, все вищесказане відноситься виключно до якісних продуктів від виробників з іменами світової величини. Проблема в тому, що більшість російських світлодіодних ламп побудовано на ультра-дешевих китайських світлодіодах та інших комплектуючих, що впливає на споживчі властивості продуктів. Найчастіше це проявляється в тому, що вказані на упаковці характеристики потужності, світлового потоку та термін служби дуже завищені.Саме тому ми рекомендуємо купувати лампи відомих брендів.

Найбільшого старіння схильні якраз білі світлодіоди, що застосовуються у освітленні. Як ми вже писали раніше, світлодіодів з білим світлом поки не винайшли і біле світло виходить за рахунок накладання структури кристалів, на яку нанесено люмінофор (спеціальний склад). При цьому люмінофор погіршує теплові характеристики світлодіода та термін його служби скорочується. Тим не менш, на сьогоднішній день, світлодіодні лампи за заявами провідних виробників будуть працювати без погіршення своїх характеристик від 30 до 50 тисяч годин, що за їхньої безперервної роботи становить мінімум 3,5 роки. Якщо врахувати, що за статистикою лампа включена не більше 3-х годин на добу, цей термін збільшується мінімум до 30 років! Такі цифри вражають!

Сфера застосування світлодіодів. Перспективи розвитку.

Сферу застосування світлодіодів як джерела світла можна описати одним словом - повсюдно: у вуличному, промисловому, автотранспортному та побутовому освітленні. При підготовці цієї статті ми планували перерахувати сфери застосування, але, розпочавши складання переліку, зрозуміли, що в цьому немає сенсу, оскільки доведеться перераховувати все. Потім ми спробували йти від зворотного - де зараз поки що не застосовують світлодіоди як джерела світла і дійшли висновку, що прикладів цьому немає. Всі великі компанії переводять освітлення своїх виробничих та офісних приміщень на світлодіодне. Ті, хто поки не робить - планують це зробити найближчим часом і чекають на ще більше зниження цін. Основних причин такого масового переходу дві: економічний ефект та нешкідливість для людини та екології планети загалом.

На думку більшості фахівців галузі, вартість світлодіодних ламп, як побутових, так і спеціальних знижуватиметься і дуже сильно. За різними оцінками, від 10 до 20% на рік протягом наступних кількох років. Щорічно, світловий потік найпродуктивнішого світлодіода кожного зі світових брендів зростає на 20-30%.

Світлодіодна лампа абсолютно безпечна для використання у житлових та робочих приміщеннях. На відміну від ламп розжарювання та люмінесцентних ("енергозберігаючих") ламп, вона не містить скло (за рідкісним винятком) та небезпечні речовини, такі як ртуть та свинець. Лампа не завдає шкоди екології та не потребує спеціальної утилізації. В наш час це особливо важливо: екологічні вимоги всіх розвинених країн постійно змінюються у бік зменшення шкоди здоров'ю людей та екосистемі планети загалом. При цьому всіляко стимулюється розвиток технологій енергозбереження. У переважній більшості країн Євросоюзу та в США продаж ламп розжарювання вже заборонено, а продаж люмінесцентних ламп стрімко знижується. На цьому тлі "світле" майбутнє систем освітлення на основі світлодіодів бачиться досить чітко.

Лампи розжарювання та галогенні лампи йдуть у минуле. Обсяги виробництва падають у рази рік у рік. Люмінесцентні (енергозберігаючі) лампи також за всіма параметрами програють світлодіодним та їх обсяг виробництва також знижується. Причини переможної ходи світлодіодних технологій настільки очевидні, що не виникає жодного сумніву, що інші типи ламп скоро просто вимруть або залишаться у вузьких сегментах ринку.

Історія виникнення та розвитку світлодіодної технології

1907 - перше відоме повідомлення про випромінювання світла твердотільний діод.Англійський вчений Генрі Раунд, який працював у лабораторії Марконі, завдяки випадковому збігу обставин виявив незвичайне свічення навколо точкового контакту детектора. Проте відкриття такого явища, як «електролюмінесценція» напівпровідників, належить не йому, а нашому співвітчизнику Олегу Володимировичу Лосєву.

1923 - О.В. Лосєв, будучи співробітником Нижегородської радіо-лабораторії, на той час єдиного радіотехнічного інституту країни, досліджував явище випромінювальної рекомбінації, під час якого помітив свічення кристалів карбіду кремнію SiC. Завдяки цьому відкриттю, названому «світіння Лосєва» та «ефект Лосєва», світ дізнався про електролюмінесценцію напівпровідників, тобто. випромінювання ними світла при протіканні електричного струму. Незважаючи на те, що відкриття Лосєва протягом кількох десятиліть не знаходило практичного застосування, з 1923р. явище електролюмінесценції почало активно вивчатися, і в тридцятих роках ХХ століття у пресі з'явилася перша стаття про результати спостереження за кристалами нітриду галію. Автором статті став професор Московського державного університету Г.С. Жданів.

1951 - у США створено центр з розробки «напівпровідникових ламп», що діють на основі «ефекту Лосєва». На чолі цього центру стояв відомий вчений До. Лехівець.

1955 - Р. Браунштейн з Radio Corporation of America заявив про наявність інфрачервоного випромінювання арсеніду галію (GaAs) у комбінації з іншими напівпровідниками сплавами. Браунштейн помітив інфрачервоне випромінювання, яке випускається простою діодною структурою на основі антимоніду галію (GaSb), арсеніду галію, фосфіду індія (InP) та кремнієво-германієвого сплаву (SiGe) при кімнатній температурі.

1961 - експериментатори Роберт Біард і Гарі Піттмен з компанії Texas Instruments, виявили, що GaAs випускав інфрачервону радіацію, при проходженні електричного струму. Вони запатентували технології інфрачервоного світлодіода.

1962 - в Іллінойському університеті США, під керівництвом Ніка Холоньяка, створені перші світлодіоди на основі структур GaAsP/GaP, що випромінюють червоне і жовто-зелене світло. Саме Нік Холоньяк вважається «батьком» сучасних світлодіодів. Ця подія стала справжнім проривом індустрії світла – з'явилося джерело, що принципово відрізняється від традиційних ламп розжарювання, люмінесцентних ламп та неонових джерел світла. Довжина хвилі, яку випромінювали створені прилади, знаходилася в межах верхньої межі сприйняття людського ока (500-600 нм), і з метою індикації такого світіння було цілком достатньо. Світлова віддача перших світлодіодів становила лише 1-2 Лм/Вт.

1968 рік - компанія Hewlett-Packard зробила перший рекламний світлодіодний екран, що був дисплеєм червоного кольору з дуже слабким світловим потоком. Цього ж року корпорацією Monsanto було вперше налагоджено серійний випуск видимих ​​світлодіодів червоного кольору на основі фосфіду арсеніду галію. Ці світлодіоди підходили для використання як індикатори. До 1968 року видимі та інфрачервоні світлодіоди були дуже дорогими – до 200$ за штуку, і тому мали невелике практичне застосування.

70-ті роки. ХХ століття – початок бурхливого розвитку світлодіодної галузі. Світлодіоди вдосконалюються відразу за двома напрямками: розширення діапазону випромінювання та збільшення світлового потоку.

1972 рік - М. Джордж Крефорд, колишній аспірант Н.Холоньяка, винайшов перший світлодіод жовтого кольору та покращив яскравість червоного та червоно-оранжевого світлодіодів у десятки разів.

Крім того, у сімдесятих роках лауреат Ленінської премії Жорес Іванович Алфьоров, із групою однодумців, винайшов «багатопрохідні подвійні гетероструктури», завдяки яким значно збільшився зовнішній світловий потік. Це стало можливим за рахунок скорочення рекомбінації. Спочатку їм були запропоновані гетеростуктури, засновані на GaAs (і його твердих розчинах, типу AlGaAs), а через деякий час, Алфьоров виготовив і гетероструктури з іншими напівпровідниковими комбінаціями. Завдяки цьому вдалося досягти 15%-го зовнішнього світлового потоку для червоної частини спектру (світловіддача близько 10 Лм/Вт), і не менше 30%-го – для інфрачервоного випромінювання. Це стало своєрідним «проривом» у галузі науки та техніки, за що згодом Ж.І. Алфьоров був нагороджений Нобелівською премією.

У тих же сімдесятих роках минулого століття в лабораторії IBM групою співробітників під керівництвом Дж. Панкова було створено світлодіоди з блакитним та фіолетовим випромінюванням. Ефект такого світіння став можливим за рахунок застосування, як основи, епітаксійних плівок GaN. Проте термін служби таких світлодіодів був дуже коротким.

1976 - T.P. Пірсал отримав перші світлодіоди високої яскравості, високу продуктивність для волокон оптичних телекомунікацій.

1976 рік - компанія Hewlett Packard розробила світлодіоди на основі фосфідів алюмінію-галію-індії червоно-жовтогарячого, жовтого та жовто-зеленого кольору.

Початок 80-х. XX століття – вчені М. В. Чукічов та Г. В. Сапарін (Московський Державний Університет ім.Ломоносова) виявили яскраве люмінесцентне світіння частин зразка GaN, легованого цинком, при дії на нього електронного пучка. Зрозуміти причину цього явища на той час вченим не вдалося.

1990 - світловіддача світлодіодів досягає 30 Лм/Вт. З цього часу світлодіоди стають адекватною альтернативою ламп розжарювання.

28 березня 1991 року – «день народження» синіх світлодіодів. Батьком цього винаходу став японський учений доктор Ш. Накамура (Shuji Nakamura) із компанії Nichia Chemical. Йому вдалося вирішити це завдання за допомогою гетероструктури, заснованої на нітриді індія-галію InGaN. Завдяки цьому винаходу, замкнулося «RGB-коло», і тепер з'явилася можливість отримати будь-який колірний відтінок, у тому числі різні відтінки білого кольору, шляхом звичайного змішування кольорів. У цьому процесі можуть використовуватися як окремі різнокольорові світлодіоди, так і «трикристальні» - світлодіоди, в корпусі яких об'єднані кристали синього, зеленого і червоного світіння.

29 листопада 1993 - компанія Nichia Chemical Industries оголосила про завершення робіт над світлодіодами з блакитним випромінюванням і про готовність до їх масового виробництва.

Січень 1994 року доктор Нікамура створив перший синій світлодіод комерційного призначення. Він був виконаний на основі гетероструктур InGaN/AlGaN з активним шаром InGaN, легованим цинком.

1997 - Фред Шуберт з політехнічного інституту Ренсселера виготовив перший світлодіод, що випромінює біле світло.

Грудень 1997 року – компанія Nichia Chemical Industries запатентувала основні етапи технології виробництва світлодіодів. Незабаром обсяг реалізації блакитних та зелених світлодіодів, вироблених цією компанією, сягнув 20 мільйонів штук на місяць.

Липень 1999 - доктор Накамура оголосив, що яскравість випромінювання світлодіодів досягає вже 60 лм/Вт, а потужність світлодіодів на основі InGaN, що випромінюють жовте світло, дорівнює 6 мВт.

До кінця ХХ століття провідні компанії з виробництва світлодіодів (Toyoda Gosei, Hewlett Packard, Nichia Chemical, Cree) виробляли по кілька десятків мільйонів блакитних і зелених світлодіодів на місяць.

З 2000 року – «Великою Трійкою» (LumiLeds / Phillips, Osram / Cree та GELcore / Uniroyal/GE) було інвестовано понад 70 мільйонів доларів у дослідницьку діяльність, пов'язану з можливостями виробництва світлодіодів та розширенням сфер їх застосування.

2008 - університет Bilkent (Туреччина) оголосив про досягнення яскравості люмінесцентної ефективності 300 лм/Вт у видимій області світла світлодіода, побудованого на монокристалі.

2009 - дослідники з Кембриджського Університету повідомили, що запустили технологічний процес з вирощування галію (GaN) за допомогою технології азотування для виготовлення світлодіодів безпосередньо на кремнії. Витрати виробництва можуть бути таким чином знижені на 90% при використанні шестидюймових підкладок кремнієвих замість двохдюймових підкладок з сапфіру.

2010 рік - корпорація Nichia повідомила про розробку експериментальних світлодіодів, які завдяки декільком удосконаленням у конструкції та матеріалах дозволили вченим зробити великий крок вперед у підвищенні ККД джерел світла. Один із розроблених світлодіодів, при струмі 5 мА показав рекордну ефективність - 265 лм/Вт, що вже дуже близько до теоретичної межі для білих світлодіодів, яку японські вчені оцінюють у 260-300 люмен на ват. Для порівняння: звичайні лампи розжарювання видають 13–17 лм/Вт, а люмінесцентні світильники – 50–90.Японські вчені планують продовжувати експерименти, будучи впевненими в тому, що резерви підвищення ККД ще є. І хоча нинішні рекордні зразки світлодіодів надто дорогі для масового випуску, у майбутньому ціни мають знизитися, обіцяють дослідники з Nichia.

На сьогоднішній день світлодіодні модулі повсюдно застосовуються для підсвічування рекламних об'єктів (банери, вітрини, лайтбокси та ін.). Крім того, вважається модним та престижним застосування світлодіодів у ландшафтному дизайні, а також у дизайні інтер'єрів та для декоративного підсвічування будівель. Світлодіодні лампи – чудова альтернатива звичайним лампам розжарювання. Вони вже досить широко використовуються у вуличному висвітленні. Почалося їх активне використання у внутрішньому загальному висвітленні. Декілька років тому з'явилася можливість використовувати світлодіоди в лампочках зі звичними розмірами цоколя (E-27, MR-16). Крім того, світлодіодні лампи завдяки можливості енергозбереження користуються величезною популярністю в тих випадках, коли необхідне оригінальне нестандартне освітлення.

Світлодіод: принцип роботи. Історія створення світлодіода

Як працює світлодіод

Світлодіод або світловипромінюючий діод - це в першу чергу діод, тобто електронний пристрій з двома висновками (або електродами), що дозволяє струму в електричному ланцюзі текти тільки в одному напрямку - від одного електрода, званого катодом, до іншого - анода. Але не навпаки. Основа сучасних світлодіодів – кристал кремнію, що є напівпровідником. Отже світлодіод, виходить, до того ж не просто так діод, а напівпровідниковий. Справа в тому, що колись давно перші діоди були зовсім не такі, а більше схожі на лампи. Фактично вони були лампами.

Усередині діода є два шари напівпровідника, і обидва висновки - анод і катод - підключені кожен до свого шару, які називаються p (від слова positive - позитивний) і n (від слова negative - негативний).

У шарі n є багато вільних електронів - негативно заряджених частинок, а шар p багатий на дірки. Так, саме так в електроніці заведено називати позитивно заряджені іони.

Інтерфейс між цими шарами називається p-n-переходом або електронно-дірковим переходом. Там і відбувається весь екшн. У купи електронів з'являється непереборне бажання возз'єднатися з численними дірками, яке вони відразу реалізують.

Світло – людям, дірки – електронам

Як світлодіод випромінює світло

Властивості та характеристики діода можна змінювати, додаючи до напівпровідника різні домішки та назвавши цей процес благородним словом «легування». Саме так можна змусити діод не просто працювати як клапан, а випромінювати видиме світло або невидимий – інфрачервоний та ультрафіолет. Або навіть зовсім нічого не випромінювати, а навпаки — реагувати на світ. Такий нетрадиційний світлодіод називається фотодіод.

Наприклад, щоб переключити канал, ви натискаєте кнопку на пульті, інфрачервоний світлодіод якого надсилає промінь на фотодіод телевізора.

Історія створення світлодіода

Як ми вже говорили, діоди використовуються дуже давно — з кінця XIX століття, коли вони ще являли собою скляні колби, що тьмяно світяться. Але перший напівпровідниковий діод, що випромінює видиме світло, з'явився лише у 1962 році. Світло було червоним. Через п'ять років він став зеленим, а ще жовтим та помаранчевим. Для отримання білого світла не вистачало лише нормального синього світлодіода.Бракувало ще дуже довго — перший успішний зразок світлодіода, що світить синім світлом, був продемонстрований лише 1993 року.

Нобелівська премія за синій світлодіод

У 2014 році троє вчених - Ісаму Акасакі (Isamu Akasaki), Хіросі Амано (Hiroshi Amano) і Сюдзі Накамура (Shuji Nakamura), які розробили перший синій світлодіод, були удостоєні Нобелівської премії з фізики. Хоча їхній винахід був досить складним для масового виробництва, він відчинив людству двері в нову еру в історії освітлення.

Хто винайшов світлодіод і як він працює

Цікаві факти про світлодіоди

Світлодіод винайшов Олег Лосєв

Ще в 1907 році було вперше відзначено слабке світіння, що випускається карбідокремнієвими кристалами внаслідок невідомих тоді електронних перетворень. У 1923 році наш співвітчизник, співробітник Нижегородської радіо-лабораторії Олег Лосєв відзначав це явище під час проведених ним радіотехнічних досліджень з напівпровідниковими детекторами, проте інтенсивність випромінювань, що спостерігалися, була настільки незначною, що Російська наукова громадськість тоді всерйоз не цікавилася цим феноменом.

Через п'ять років Лосєв спеціально зайнявся дослідженнями цього ефекту та продовжував їх майже до кінця життя (О.В. Лосєв помер у блокадному Ленінграді у січні 1942 року, не доживши до 39 років). Відкриття "Losev Licht", як назвали ефект у Німеччині, де Лосєв публікувався в наукових журналах, стало світовою сенсацією. І після винаходу транзистора (1948 року) і створення теорії p-n-переходу (основи всіх напівпровідників) стала зрозумілою природа світіння.

1962 року американець Нік Холоньяк продемонстрував роботу першого світлодіода, а невдовзі після цього повідомив про початок напівпромислового випуску світлодіодів.

Світлодіод (англ.light emission diode – LED) є напівпровідниковим приладом, його активна частина, звана «кристал» або «чіп», як і у звичайних діодів складається з двох типів напівпровідника – з електронною (n-типу) та з дірковою (p-типу) провідністю . На відміну від звичайного діода у світлодіоді на межі напівпровідників різного типу існує певний енергетичний бар'єр, який перешкоджає рекомбінації електронно-діркових пар. Електричне поле, прикладене до кристала, дозволяє подолати цей бар'єр та відбувається рекомбінація (анігіляція) пари з випромінюванням кванта світла. Довжина хвилі світла, що випромінюється, визначається величиною енергетичного бар'єру, який, у свою чергу, залежить від матеріалу і структури напівпровідника, а також наявності домішок.

Отже, перш за все, потрібен p-n-перехід, тобто контакт двох напівпровідників з різними типами провідності. Для цього приконтактні шари напівпровідникового кристала легують різними домішками: з одного боку акцепторними, з іншого — донорськими.

Але не всякий p-n-перехід випромінює світло. Чому? По-перше, ширина забороненої зони в активній ділянці світлодіода повинна бути близька до енергії квантів світла видимого діапазону. По-друге, ймовірність випромінювання при рекомбінації електронно-діркових пар має бути високою, для чого напівпровідниковий кристал повинен містити мало дефектів, через які рекомбінація відбувається без випромінювання. Ці умови тією чи іншою мірою суперечать одна одній.

Реально, щоб дотриматись обох умов, одного p-n-переходу в кристалі виявляється недостатньо, і доводиться виготовляти багатошарові напівпровідникові структури, так звані гетероструктури, за вивчення яких російський фізик академік Жорес Алфьоров отримав Нобелівську премію 2000 року.

Як влаштований світлодіод

Основні сучасні матеріали, що використовуються в кристалах світлодіодів:

• InGaN - сині, зелені та ультрафіолетові світлодіоди високої яскравості;
• AlGaInP - жовті, оранжеві та червоні світлодіоди високої яскравості;
• AlGaAs - червоні та інфрачервоні світлодіоди;
• GaP – жовті та зелені світлодіоди.

Крім світлодіодів лампового типу (3, 5, 10 мм, їх форма дійсно нагадує мініатюрну лампочку з двома висновками), останнім часом все більшого поширення набувають SMD - світлодіоди. Вони абсолютно іншої конструкції, що відповідає вимогам технології автоматичного монтажу на поверхню друкованої плати (surface mounted devices – SMD).

А надяскраві світлодіоди такого типу називаються емітеррами (emitter, англ. «випромінювач»).

SMD світлодіоди мають більш компактні розміри, допускають автоматичне розміщення і паяння на поверхню плати без ручного складання. Деякі виробники світлодіодів випускають спеціальні SMD-діоди, що містять в одному корпусі три кристали, що випромінюють світло трьох основних кольорів – червоний, синій та зелений. Це дозволяє отримати при змішуванні їхнього випромінювання всю кольорову гаму, включаючи білий колір, при ультракомпактних розмірах.

Яскравість світлодіода характеризується світловим потоком (Люмени) та осьовою силою світла (Кандела), а також діаграмою спрямованості. Існуючі світлодіоди різних конструкцій випромінюють у тілесному куті від 4 до 140 градусів.

Колір, як завжди, визначається координатами кольоровості, колірної температури білого світла (Кельвін), а також довжиною хвилі випромінювання (нанометри).

Для порівняння ефективності світлодіодів між собою та іншими джерелами світла використовується світловіддача: величина світлового потоку на один ват електричної потужності (характеристика «Люмен/Ватт»).

Також цікавою характеристикою є ціна одного люмена ($/люмен).

Отже, будь-який світлодіод складається з одного або декількох кристалів, розміщених у корпусі з контактними висновками та оптичної системи (лінзи), що формує світловий потік. Довжина хвилі випромінювання кристала (колір) залежить від матеріалу напівпровідника та від легуючих домішок. Биновка (wavelength bin) кристалів по довжині хвилі випромінювання відбувається при їх виготовленні. У партії поставки на сучасному виробництві відбираються близькі за спектром випромінювання кристали.

Широкий діапазон оптичних характеристик, мініатюрні розміри та гнучкі можливості по дискретному управлінню забезпечили застосування світлодіодів для створення різних світлових приладів і виробів. Світлодіод випромінює у вузькій частині спектру, на певній довжині хвилі його колір чистий, що особливо цінують дизайнери.

Термін служби світлодіодів

Основна характеристика надійності світлодіодів – термін їхньої служби. У процесі експлуатації можливі дві ситуації: світловий потік випромінювача або частково зменшився або зовсім припинився. Термін служби відображає ці факти: розрізняють корисний термін служби (поки світловий потік не впаде нижче за певну межу) і повний (поки прилад не вийде з ладу).

Термін служби безпосередньо залежить від типу світлодіода, що подається на нього струму, охолодження кристала (chip) світлодіода, складу та якості кристала, компонування та складання в цілому.

Вважається, що світлодіоди винятково довговічні. Але це зовсім так. Чим більший струм пропускається через світлодіод у процесі його служби, тим вища його температура і тим швидше настає старіння. Тому термін служби у потужних світлодіодів коротший, ніж у малопотужних сигнальних. Старіння виявляється насамперед у зменшенні яскравості.Коли яскравість знижується на 30% чи наполовину, світлодіод треба змінювати.

Очевидно, наприклад, що у світлодіодах потужністю від 1 Вт (робочий струм 0,350 А) і більш потужних, тепловиділення набагато сильніше, ніж у світлодіодах типу «5 мм», розрахованих на струм 0,02 А. По світловіддачі 1 світлодіод потужністю 1 Вт замінює близько 50 світлодіодів типу "5 мм", але й гріється сильніше. Тому світлодіодні збирання з потужними світлодіодами вимагають пасивного охолодження (монтаж на MCPCB плату (друкована плата на металевій основі) та радіатор).

Середній термін служби

• білий до 50000 год. з падінням світлового потоку до 35% протягом перших 15000 год. • синій, зелений до 70000 год. з падінням світлового потоку до 15% протягом перших 25000 год. • червоний, жовтий до 900 світлового потоку небагато.

HI-POWER LED від 1 Вт та вище:

• білий до 80000 год. з падінням світлового потоку до 15% протягом перших 10000 год. • синій, зелений до 80000 год. • червоний, жовтий до 80000 год.

Чому ж у білих світлодіодів найменший термін служби?

На жаль, структур, що випромінюють біле світло, ніхто ще не вигадав. Основою діода білого кольору є структура InGaN, що випромінює на довжині хвилі 470 нм (синій колір) і зверху на неї нанесений люмінофор (спеціальний склад), що випромінює в широкому діапазоні видимого спектру і має максимум в його жовтій частині. Людське око комбінацію такого роду сприймає як білий колір. Люмінофор погіршує теплові характеристики світлодіода, тому термін служби скорочується. Зараз світові виробники винаходять нові та нові варіанти ефективного нанесення люмінофора.

Більшість надяскравих світлодіодів є в районі 50000 - 80000 годин. Чи багато це чи мало?

24 години на день 5.7 років 18 годин на день 7.4 років 12 годин на день 11.4 років 8 годин на день 17.1 років

Світлодіоди гріються

Багато хто вважає, що світлодіоди практично не гріються. То чому світлодіодним приладам потрібне тепловідведення і що буде, якщо тепловідведення немає?

Світлодіоди продукують тепло у напівпровідниковому переході. І чим потужніший LED, тим більше тепла. Звичайно, індикаторні світлодіоди, наприклад датчики автосигналізацій сильно не гріються. Але із надяскравими LED вони мають мало спільного. Якщо потужні світлодіоди об'єднані в певну збірку, та ще й встановлені в герметичний корпус, то нагрівання стає значним.

І якщо не відбувається відведення тепла, напівпровідниковий перехід перегрівається, через що змінюються характеристики кристала, і через деякий час світлодіод може вийти з ладу. Так що дуже важливо суворо контролювати кількість тепла та забезпечувати ефективне тепловідведення.

Як реагує світлодіод на нагрівання

Говорячи про температуру світлодіода, необхідно розрізняти температуру поверхні кристала й у області p-n-перехода. Від першої залежить термін служби, від другої – світловий вихід. Загалом із підвищенням температури p-n-переходу яскравість світлодіода падає, тому що зменшується внутрішній квантовий вихід через вплив коливань кристалічних ґрат. Тому так важливе хороше тепловідведення.

Падіння яскравості з підвищенням температури не однаково у світлодіодів різних кольорів. Воно більше у червоних та жовтих світлодіодів, і менше у зелених, синіх та білих.

Джерело: сайт НУО "Росат"

Загальна оцінка матеріалу: 5

Оцінка незареєстрованих користувачів за сьогодні:

1. Історія створення світлодіодів та сфера застосування. Світлодіоди, їх основні параметри та характеристики

Подібні розділи з інших робіт:

3. Область застосування

Сучасні модеми можна розділити на кілька груп: · для телефонних каналів, що комутуються; · Для виділених (орендованих) телефонних каналів; · для фізичних сполучних ліній: - модеми низького рівня (лінійні драйвери) чи модеми.

Тиристори, що замикаються, і польові транзистори

Історія створення польових транзисторів

Ідея польового транзистора з ізольованим затвором була запропонована Лілієнфельдом у 1926-1928 роках. Проте об'єктивні труднощі у реалізації цієї конструкції дозволили створити перший працюючий прилад цього лише в 1960 року.

Інтеграція локальних обчислювальних мереж МІЕТ та студентського містечка МІЕТ

Історія створення

Локальна обчислювальна мережа студентського містечка МІЕТ існує з 1994 року. Мережа утворилася, підтримується та розвивається виключно завдяки зусиллям студентів, які мешкають у студентському містечку.

Інтелектуальні силові модулі Автономні інвертори струму

2.5 Область застосування

Основні сфери застосування автономних інверторів такі; - живлення споживачів змінного струму (АІН, АІТ) у пристроях, де єдиним джерелом енергії є акумуляторна батарея (наприклад.

Історія та принципи роботи всесвітньої мережі Інтернет

1.1 Історія створення мережі Інтернет

В 1961 Defence Advanced Research Agensy (DARPA) за завданням міністерства оборони США приступило до проекту зі створення експериментальної мережі передачі пакетів. Ця мережа називається ARPANET.

Магнітні запам'ятовуючі пристрої

4.2.1 Історія створення

Дослідницька група під керівництвом Стюарта Паркіна анонсувала перші результати робіт зі створення нового класу енергонезалежної пам'яті – пам'яті «на біговій доріжці» (magnetic racetrack memory, MRM), або трекової пам'яті.

Недротяний змінний резистор

1.3 Область застосування

Недротяні змінні резистори використовуються для плавної зміни напруг постійного та змінного струмів або інших параметрів, зокрема як регулятори гучності та тембру радіоприймачів, радіол та інших радіоапаратів.

Польові транзистори та їх застосування

1.1 Історія створення польових транзисторів

Ідея польового транзистора вперше була запропонована Лілієнфельдом [9] у 1926 – 1928 роках. Ці зміни транзисторів були впроваджені у виробництво з об'єктивних причин. Реальний працюючий прилад було створено 1960 року.

Розробка системи голосового керування електромеханічними пристроями

3.3 Область застосування

Розроблену систему можна використовувати практично скрізь: як вдома, і різних галузях промисловості.

Розрахунок надійності роботи атмосферної оптичної лінії зв'язку

1.3 Історія створення та розвитку лазерної технології

Слово " лазер " складено з початкових літер в англійському словосполученні Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, що у перекладі російською означає: посилення світла у вигляді вимушеного випромінювання. Отже.

Світловипромінюючі діоди. Світлодіодне освітлення

3. Область застосування

Зараз у РФ «освітлено» близько 60 літаків типу Ту-134 та Ту-154, а також кілька десятків гелікоптерів фірми ВАТ «Камов». Спільно з флотом оснащуються підводні та надводні кораблі аналогічними світлодіодними світильниками. Окрім цього.

Створення інформаційно-довідкової підсистеми САПР конструкторсько-технологічного призначення. Зовнішні з'єднувачі

1.1 Найменування, сфера застосування, мета створення інформаційно-довідкової підсистем САПР конструкторсько-технологічного призначення

Підсистема, що розробляється, звана «Інформаційно-довідкова підсистема САПР конструкторсько-технологічного призначення. "Зовнішні з'єднувачі" призначена для обліку, збору.

Створення інформаційно-довідкової підсистеми САПР конструкторсько-технологічного призначення. Дискретні елементи

1.1 Найменування, сфера застосування, мета створення інформаційно-довідкової підсистем САПР конструкторсько-технологічного призначення

Підсистема, що розробляється, звана «Інформаційно-довідкова підсистема САПР конструкторсько-технологічного призначення. "Дискретні елементи" призначена для обліку, збору.

Засоби та мережі проводового телеграфного зв'язку, їх можливості та використання в ОВС

1. Історія створення підрозділів зв'язку МВС

провідний телеграфний зв'язок 10 квітня 1962 р. вийшов наказ МВС РРФСР «Про створення відділів, відділень, груп опертехніки та зв'язку (ООТіС) у МВС автономних республік, УВС (край-, облвиконкомів)».

Характеристика мереж та технологій Integrated Services Digital Network

1.1 Цілі та історія створення технології ISDN

network інтерфейс адресація мережа ISDN (Integrated Services Digital Network) - цифрові мережі з інтегральними послугами) відносяться до мереж, в яких основним режимом комутації є режим комутації каналів, а дані обробляються в цифровій формі.