История создания светодиодов

Электрические источники света появились более 130 лет назад, и за все эти годы люди использовали два типа источников света — тепловые и газоразрядные. И только в самом конце 20-го века появился третий тип электрических источников света — полупроводниковые источники света или светоизлучающие диоды (светодиоды).

В светодиодах используется принцип генерации света при прохождении электрического тока через границу полупроводникового и проводящего материалов. 

Прохождение электрического тока можно представить как поток электронов в определенном направлении, движущийся под действием напряжения между концами проводника. Проводящие материалы или проводники можно сравнить с каналом, по которому течет поток воды, а полупроводники — с порогом на пути потока. В одну сторону («сверху вниз») поток без проблем преодолевает порог, при этом даже выделяя какое-то количество энергии. Но чтобы заставить поток преодолеть порог в обратную сторону, надо затратить усилие, необходимое для подъема потока на высоту порога.

В полупроводниках электрический ток в одну сторону (в проводящем направлении) течет при приложении даже небольшого напряжения (как бы уклона в канале с водой), свободно преодолевая порог. В потоке воды энергия, выделяющаяся при преодолении порога, может вращать турбины, мельничные колеса и т. п. — все зависит от высоты порога и количества протекающей воды. Точно так же электроны при преодолении «энергетического порога» выделяют определенную энергию. Обычно эта энергия выделяется в виде тепла, но при определенных условиях может превращаться и в свет.

Немного истории

Факт свечения некоторых полупроводниковых материалов (вернее, границы между проводником и полупроводником) при прохождении электрического тока был замечен учеными очень давно (в 1920 году русским инженером А. Ф. Лосевым). Однако это свечение было очень слабым, и практического применения этот эффект долго не находил.

В начале 60-х годов появились первые приборы, использующие этот эффект, — индикаторные элементы со слабым красным, а через несколько лет и зеленым свечением. Приборы получили название светодиодов. В качестве полупроводникового материала в них использовались арсениды алюминия, индия и смеси этих веществ. Световая отдача светодиодов в те годы составляла не более 0,1 лм/Вт (в 100 раз меньше, чем у ламп накаливания), срок службы измерялся сотнями часов, и, естественно, они даже не рассматривались как источники света в общепринятом понимании.

Положение коренным образом начало меняться в конце 80-х годов благодаря работам Ж. И. Алферова и других ученых, когда были созданы принципиально новые полупроводниковые материалы, позволившие сразу на порядки увеличить мощность, яркость, световую отдачу и срок службы светодиодов. В новых материалах используются соединения индия, галлия, алюминия в различных сочетаниях. Светодиоды на основе этих материалов давали уже довольно яркий свет красного, зеленого, желтого и оранжевого цветов. 

В 1996 году японским специалистам из компании Nichia после двадцатилетних поисков удалось создать первые светодиоды с синим цветом излучения. Синий свет с помощью люминофоров стали превращать в желтый, дающий в комбинации с синим белый свет различных оттенков,

И с 1997-98 гг. в разных странах одновременно стали появляться первые осветительные приборы, в которых светодиоды выполняли функции не индикаторных элементов, а именно источников света.

Достижения индустрии

Сегодня светодиоды (иностранное обозначение — LED, Lighting Emitted Diode) — наиболее развивающееся направление в области источников света. Сейчас созданы светодиоды практически всех цветов радуги — от красного до фиолетового, а также диоды, излучающие в инфракрасной области. К производству светодиодов приступили мировые лидеры в области источников света Osram и Philips и десятки более мелких фирм во всех развитых странах.

В настоящее время достигнуты следующие параметры светодиодов массового производства: 

• световая отдача белых до 35 лм/Вт (выше, чем у галогенных ламп накаливания), 

• красных и зеленых — до 50 лм/Вт; 

• срок службы — 50000 часов. 

На лабораторных образцах белых светодиодов достигнута световая отдача 125 лм/Вт. 

Фирма Hewlett Packard сообщала о сроке службы светодиодов 1 миллион часов или 120 лет непрерывной работы! 

Американская фирма TREE в 2005 году в своих рекламных материалах информировала о промышленном выпуске белых светодиодов мощностью 1 Вт со световым потоком 87 лм, то есть со световой отдачей 87 лм/Вт— больше, чем у большинства люминесцентных ламп!

Несомненно, что светодиоды в ближайшие десятилетия вытеснят с рынка и тепловые, и разрядные источники света.

Основу светодиодов составляет полупроводниковый кристалл, расположенный на проводящей подложке. К кристаллу и подложке подводится электрическое напряжение через вводы. Кристалл окружен отражателем, направляющим свет в одну сторону. От внешних воздействий кристалл защищен корпусом из прозрачной эпоксидной смолы или поликарбоната. Верхняя часть корпуса, как правило, делается в виде купола с определенной кривизной и исполняет роль линзы, формирующей световой пучок. Иногда вместо купола делаются «линзы Френеля», то есть наборы кольцевых концентрических микролинз на общем плоском основании.
Внутренний отражатель и корпус-линза формируют световой поток, излучаемый кристаллом, надлежащим образом, поэтому в светильниках со светодиодами не требуется применения какой-либо дополнительной оптической системы, как при «обычных» источниках света.
Для питания светодиодов нужен постоянный ток низкого напряжения, величина которого зависит от цветности излучения: у красных светодиодов это 1,9-2,1 В, у зеленых 2,5 - 3 В, у синих и белых — около 4-х В.

Основную массу выпускаемых в настоящее время светодиодов составляют светодиоды с куполообразным корпусом диаметром 5 мм. Их номинальный рабочий ток — 20 мА. 

Некоторые фирмы производят светодиоды диаметром 10 мм с рабочим током 40 мА. Наибольшая мощность отдельного светодиода сегодня — 5 Вт.

Светодиоды имеют много  достоинств: 

• большой срок службы; 
  

• высокую надежность; 

• очень высокую устойчивость к внешним воздействующим факторам (окружающей температуре, влажности, механическим нагрузкам); 

• малые габариты; 

• высокий коэффициент использования светового потока; 

• легкую управляемость; 

• полную экологическую безопасность из-за отсутствия ртути и стекла; 

• безопасность обслуживающего персонала. 

Широкая цветовая гамма и разнообразие углов излучения (от 3°, то есть очень узкого светового пучка, до 180°, то есть равномерного свечения в полусфере) способствуют использованию светодиодов в различных световых приборах.

До недавнего времени светодиоды использовались прежде всего, в светосигнальных приборах — автодорожных и железнодорожных светофорах, информационных табло, указателях . А в последнее время светодиодное освещение активно вошло в нашу жизнь. Уже на отдельных магистралях и улицах, офисных и торговых помещениях а также в быту можно увидеть новые светодиодные источники света, которые полностью заменили привычное для нас лампы и создали качественно новую модель освещения.