Открытие светодиода
Предпосылки к появлению твердотельных полупроводниковых элементов были заложены Майклом Фарадеем в 1833 году, после открытия увеличения электропроводности в сульфиде серебра (полупроводнике) при повышении температуры. Фарадей не смог объяснить причину следствия.
В 1874 году Фердинанд Браун описал проводимость электрического тока полупроводниками только в одном направлении. Но он не смог объяснить свойство, противоречащее закону Ома. Открытие Брауна стало популярным спустя полвека, когда на его основе был создан детекторный приемник.
Гринлиф Виттер Пикард запатентовал детектор кристаллической структуры в 1906 году. Он обнаружил, что ряд кристаллических материалов, таких как галенит, кремний и т.д., контактируя с металлом, действуют как выпрямитель и демодулятор высокочастотного переменного тока, который возникает в антенна при приеме радиоволн.
Впервые английский ученый Генри Рауд обратил внимание на эффект электролюминесценции в 1907 году. Проведение опытов с током, проходящим через металл-карборунд. Он заметил свечение твердотельного диода, изучил его и описал.
В 1923 году аналогичный эксперимент разработал советский экспериментатор Олег Лосев. Лосев провел свой эксперимент независимо от Рауда, возможно, он его вообще не знал. Ученый-физик (в то время лаборант) заметил свечение при контакте карборунда со стальной проволокой.
Исследователь пришел к выводу, что это явление можно использовать для создания быстрых, компактных и энергоэффективных твердотельных осветительных элементов.
В 1927 году Лосев получил патент на световое реле. Физик занимался исследованиями в этой области до конца своей жизни. Он нашел более эффективные полупроводники, создал удобное полупроводниковое устройство на основе цинкита, значительно улучшающее качество радиоприема. Он сделал ряд крупных открытий, которые легли в основу современных высокотехнологичных светодиодных полупроводниковых устройств, включая открытие явлений электролюминесценции перед разрывом и инжекционной люминесценции.
Возможно, ученому довелось получить еще более грандиозные научные достижения, но он погиб в блокадном Ленинграде. Судьба работы, над которой он работал в последние годы жизни, неизвестна.
Полупроводниковые лампы на основе светодиодов начали выпускать в промышленных масштабах только в 1951 году.
в 1961 году был открыт инфракрасный светодиод. Он был разработан и запатентован Р. Баярдом и Г. Питтманом. Запущены в производство световые индикаторы с красным и желто-зеленым излучением.
В конце 1960-х компания Hewlett-Packard собрала первый в мире рекламный светодиодный экран, состоящий из красных диодов сверхмалого освещения.
Открытия Лосева легли в основу научных исследований японского физика Лео Исаки, который через 30 лет после открытия Лосева определил, что устройство Лебедева представляет собой туннельный диод, за что он получил Нобелевскую премию в 1973 году.
В последующие годы ученые активно работали над увеличением яркости и диапазона излучения полупроводниковых светодиодов.
В 1970-х годах советский академик Жорес Иванович Алферов на основе арсенида галлия на подложке вырастил многопроходную двухслойную структуру, состоящую из полупроводников с различной шириной запрещенной зоны (гетероструктуры). В зоне контакта таких полупроводников образуется большее количество носителей заряда, что в видимой человеческому глазу области проявляется заметно более ярким свечением светодиодов по сравнению с гомоструктурами (полупроводники с одной запрещенной зоной).
Открытие было удостоено Ленинской и Нобелевской премий. Впоследствии началось промышленное серийное производство светодиодов.
В 1976 году Hewlett-Packard запустила производство желтых, красно-оранжевых и желто-зеленых светодиодов.
Ю. Панков создал светодиоды, излучающие фиолетовый и синий свет, но срок их службы был настолько коротким, что они не нашли промышленного применения.
Еще в середине 80-х светодиоды серийно производились в СССР, странах Запада, Японии и Китае. Их начали использовать как самостоятельные осветительные приборы (фонарики), устанавливаемые на автомобили и т.д.
В 1991 году японский физик Ш. Накамура изобрел светодиод с длительным сроком службы, который излучает в синем диапазоне видимого спектра, заложив основу для производства современных светодиодных экранов RGB (красный, зеленый, синий) и энергосберегающих ламп смешивание красного, зеленого и синего света дает мощный поток белого света.
Дальнейшее развитие светодиодной индустрии до недавнего времени было направлено на увеличение яркости, уменьшение размеров светодиодов и расстояния между ними, а также на увеличение срока службы.
В последние годы ученые сосредоточились на создании органических светодиодов (OLED). Их главное достоинство — очень малые габариты и производственные характеристики. Органические полупроводниковые элементы наносятся на подложку специальным «принтером». Технология напоминает струйную печать. OLED-экраны уже существуют. Когда стоимость производства снизится, они сразу же разойдутся.
Светодиодные лампы
Самый веский аргумент в пользу светодиодных ламп — их уникальная экономичность и долговечность. Экономия энергии составляет до 90%, а срок службы этих ламп составляет более 30 000 часов. Их использование позволяет быстро достичь высоких уровней энергосбережения и энергоэффективности.
правда, здесь есть свои особенности. Современный рынок предлагает самый большой выбор светодиодных ламп, которые отличаются друг от друга формой, цветом и областью применения.
В основе лампы большое количество светодиодов со встроенным трансформатором. Его задача — снизить напряжение до уровня, необходимого для стабильной работы светодиодов. Исходя из этого, для уличного освещения, например, лучшим выбором будут лампы с цоколем Е40. Это 30 сверхъярких светодиодов с общей потребляемой мощностью всего 30 Вт. По сравнению с популярной сейчас лампой уличного освещения DRL мощностью 250 Вт, светодиодная почти в 12 раз дешевле. Или другой пример. Штатную галогеновую лампу легко заменить на лампу на 3 светодиода с потреблением 3-4 Вт.
Но это еще не все. Помимо отличных показателей энергосбережения, светодиодные лампы абсолютно безопасны для здоровья человека. Во-первых, в отличие от ламп накаливания и всех газоразрядных типов, новейшие лампы не создают колебаний светового потока, что сильно влияет на зрение. Во-вторых, они не производят УФ-излучение. Светодиодные лампы имеют четкий свет. В-третьих, как было сказано выше, они не содержат токсичных веществ (ртути). И в-четвертых, светодиодные лампы сделаны не из стекла, а из тонкого прозрачного пластика. Такую лампу сложно разбить, а благодаря алюминиевому отражателю она почти не нагревается.
Немного статистики. Непрерывный срок службы светодиодной лампы составляет около 5 лет. Светодиодная лампа мощностью 5 Вт легко заменяет лампу накаливания мощностью 60 Вт. А экономия энергии будет более 10 раз.
Светодиодные светильники
Сегодня они заменяют энергоэффективные люминесцентные и галогенные лампы. И особенно в промышленном секторе. Эффективность светодиодных устройств позволяет снизить нагрузку на всю сеть сооружения как минимум в 5 раз.
Преимуществом светодиодных ламп является не только низкое энергопотребление (12-24 Вт), но и безопасность, а также низкие затраты на обслуживание и ремонт.
В последнее время из таких ламп все чаще монтируют целые модули. Их довольно просто составлять, и можно создавать даже самые сложные световые композиции. Например, для освещения зданий.
Однако разнообразие форм светодиодных светильников находит все большее применение в традиционном освещении. Они встраиваемые, подвесные, что позволяет закрепить их практически на любой поверхности. Поэтому их используют при освещении крупных торговых центров, офисов, парковок, улиц и т.д. Также они используются в домах и коммунальном хозяйстве: освещение прилегающих территорий, подъездов, подвалов, где свет почти постоянно горит.
В среднем светодиодные светильники служат более 25 000 часов и могут обеспечить людям максимальный комфорт и безопасность. Их главная проблема — только высокая цена. Но, по мнению экспертов, в ближайшие пять лет из-за массового перехода на светодиодное освещение стоимость ламп снизится в 4 раза. Конечно, это только поможет их более широкому распространению.
Где применяют светодиоды?
Первые серийные светодиоды были слабыми и использовались в качестве указателей поворота в различных устройствах. С увеличением яркости область применения расширилась. Их начали устанавливать для освещения в автомобилях. Начинается производство переносных фонарей со светодиодными лампами.
В настоящее время полупроводниковые светодиоды используются повсеместно:
- для освещения жилых и нежилых помещений;
- уличное освещение;
- в переносных фонариках;
- в телефонах / смартфонах в виде встроенных фонарей различной мощности;
- в транспортных средствах;
- для производства светодиодных вывесок / светодиодных табло;
- для изготовления аптечных крестов;
- в производстве внутренних и внешних светодиодных экранов различного дизайна для рекламы, спортивных передач, сценографии;
- для производства светодиодных штор;
- при проектировании архитектурных сооружений;
- создать неповторимый интерьер (светодиодные фигурки, ширмы необычной формы);
- при изготовлении информационных табло;
- при построении инструментов, например индикаторов.