Диодная лампа

Диодная лампа – это некорректное и упрощённое название, используемое преимущественно в обиходе, для обозначения электрических полупроводниковых осветительных приборов. Дело в том, что научные термины сложно произносить, а некоторым они ещё и режут слух. Желающие просветить себя в этом плане могут также заглянуть в раздел про Светодиодное освещение. Принцип работы основывается на явлении электролюминесценции полупроводников.

Полупроводниковые приборы в качестве источников света

Ознакомившиеся с прочей информацией на этом сайте уже знают, что пик развития светодиодов пришёлся на пору изобретения рубинового лазера. Именно тогда холодная война тут и там давала ростки местных конфликтов, но и сегодня интересы государств часто идут вразрез друг с другом. Поясним: в своё время бытовала идея создания лазерного оружия, но существовал целый ряд проблем, не позволяющих эффективно работать с излучением:

  1. Рубиновый лазер, а равно и газовый, требует интенсивного охлаждения. Нет возможности на авиации или космических кораблях ставить подобные агрегаты: они тяжёлые, объёмные и требуют большого количества энергии для своей работы. По тексту уже были рассмотрены доводы на этот счёт академика Иоффе. Последний придерживался мнения о перспективности применения в этом контексте термопар.

    Академик Иоффе

    Академик Иоффе

  2. Мощность излучения, сосредоточенная в узком диапазоне, быстро затухает в атмосфере. Даже в окнах прозрачности невыгодно использование подобных технологий. Как бы то ни было, лазеры активно применялись в спутниковой связи. Можно найти отечественные источники, утверждающие, что это стало обыденностью для военных с начала 70-х годов XX века. Разумеется, на примере американских вооружённых сил.
  3. Мощность полупроводниковых лазеров оказалась не слишком большой. И не только по причинам малого КПД (едва достигал 1% для первых приборов). Сейчас появились намного более продвинутые изделия, которые примерно половину энергии преобразуют в фотоны. Но в силу вступает технологический фактор практической невыполнимости создания большой площади p-n-перехода.

Казалось бы, зачем нужно использовать излучение оптического и прилегающего к нему диапазонов для нужд передачи информации? На самом деле сегодня это самые лучшие частоты. Из-за малой длины волны (согласно теореме Котельникова) удаётся заложить очень большой объем данных на коротком участке. Что означает повышение скорости передачи. Вот почему сегодня большинство качественных компьютерных сетей работает в оптическом диапазоне, используя методы схожие с теми, которые можно наблюдать в светодиодных лампах.

История создания приборов изложена в упомянутом выше разделе, поэтому нацелим теперь своё внимание на развитие технологии. Как известно, в 60-х годах светодиоды получили активное развитие, но имелся целый ряд трудностей. Так например, КПД голубого излучения был настолько мал, что не имело смысла применять технологию на практике. Стояли проблемы не только изучения свойств новых материалов, но и их изготовления. Электролюминесценция протекает в три стадии:

  1. Возбуждение пар носителей обоих знаков за счёт приложенного напряжения.
  2. Термализация носителей, то есть уравнивание энергии для данной температуры.
  3. Рекомбинация с излучением вовне фотонов.
Светодиодная лампочка

Светодиодная лампочка

Химический состав LED

Кристаллические неорганические полупроводники

С английского аббревиатура LED расшифровывается, как Light-Emitting Diode. Перевод на русский получается слишком сложным, о чем прямо говорит профессор Политехнического Института в Трое Шуберт, в связи с чем применяется упрощение – светодиод. Для того, чтобы иметь представление о принципах работы p-n-структуры следует знать некоторые базовые вещи. В физике полупроводников материалы принято классифицировать по таблице Менделеева из VIII групп и VII периодов. Имеются иные графические формы записи закона периодичности, но они не используются в данном контексте. Для обозначения кристалла выбирают первую цифру. Если полупроводник образован двумя элементами, то их группы перечисляются последовательно.

Читайте также:  Элемент Пельтье

Так например, теллурид кадмия, широко используемый не только в качестве излучателя фотонов, но и как и приёмник оптического излучения, относится к группе материалов AIIBVI. Последовательность соответствует химической формуле. В этом плане теллурид кадмия выглядит, как CdTe. Легко проследить, что элемент А находится во второй группе, а В – в шестой. А карбид кремния (карборунд), на основе которого впервые были продемонстрированы эффекты излучения фотонов, относится к редкой группе AIVBIV, единственным представителем которой и является.

По свойствам самая твёрдая руда на планете является аналогом простых элементов, как то: алмаз, кремний, германий. Последние два широко используются как в чистом, так и легированном виде. Характеристики полупроводников полностью определяются энергетическими состояниями электронов, шириной запрещённой зоны. Вводя в чистый кристалл примеси, учёные пытаются получить новые качества. Так например, при легировании германия мышьяком материал обретает проводимость n-типа за счёт наличия свободных электронов в районе неоднородностей, образованных примесями. Итак, полупроводники бывают:

Лампы диодные

Лампы диодные

  • По количеству базовых образующих элементов:
  1. Простыми. Состоят из одного элемента периодической системы.
  2. Сложными. Образованы двумя (и более) химическими элементами.
  • По источнику приобретения нужных качеств:
  1. Чистыми. Без примесей.
  2. Легированными. С добавками других химических элементов в кристаллическую решётку.

Перечисленными выше признаками характеризуются так называемые кристаллические неорганические полупроводниковые материалы. Среди них наибольшее распространение, помимо простых, получили соединения: AIIIBV, AIIBIVCV2 (например, CdSnAs2, являющийся близким аналогом арсенида индия). Последняя группа имеет кристаллическую решётку халькопирита, хотя данный материал сам по себе в упомянутое семейство не входит. Сложные вещества могут получиться, например, сплавлением исходных веществ в нужной пропорции, и часто имеют электронную или дырочную проводимость даже без внедрения примесей. Напомним, что первоочередную важность имеют размеры квантовых переходов в материале.

Отдельно от бинарных полупроводников принято классифицировать окислы. Некоторые из этих материалов (куприт) встречаются в природе. На данный момент недостаточно изучены процессы роста, но оксид меди (AIIBVI) широко используется в технике. Окислы упоминаются отдельно из-за наличия у некоторых материалов группы (например, La2CuO4) сверхпроводимости при сравнительно высоких температурах порядка 130 К. Кристаллические структуры некоторых полупроводников характеризуются слоистостью, и обладают ярко выраженными свойствами в двух измерениях (плёнки).

Некристаллические неорганические полупроводники

За счёт изменения технологии некоторые простые и сложные полупроводники можно сделать аморфными (стекловидными). В этом случае кристаллическая структура материала не прослеживается. Все полупроводники этой группы обладают n-типом проводимости, демонстрируют яркую реакцию на фотоны, что позволяет использовать их в составе солнечных батарей. А значит, наличие специфических уровней предполагает возможность создания и светодиодов на этой основе.

В глобальном плане аморфные полупроводники делят на следующие группы:

  • Оксидные стекла образуются сплавлением. В процессе участвую окислы элементов с переменной валентностью (переходные), окислы образующего вещества (бор, фосфор), окислы модификаторов (кальций, свинец, барий). Причём каждый переходный элемент должен содержаться как минимум в двух состояниях валентности, что и обусловливает наличие особых свойств.
  • Халькогениды являются соединения элементов VI группы периодической системы (селен, теллур, сера) с металлами. Название сами материалы получили за то, что часто являются составной частью руды. Часто применяются в оптике, ещё в 60-х описана возможность использования для создания запоминающих устройств (в том числе энергонезависимых). К недостаткам относят плохую химическую стойкость и склонность к кристаллизации.
  • Органические полупроводники широко используются для создания светодиодов. Но в основном полимерной структуры. А впервые эффект свечения был продемонстрирован на кристаллах акрихина и акридина. Среди органических материалов выделяют две группы:
  1. С моделью на основе переноса заряда.
  2. С системой развитых сопряжённых двойных и тройных связей.
  • В кристаллической решётке карбида кремния, германия, кремния атомы расположены в углах тетраэдра. Аморфная структура характеризуется отсутствием упорядоченности отдельных кубических составляющих вещества.
Освещение в комнате

Освещение в комнате

Органические полупроводники

Органические полупроводники являются кристаллами, полимерами или аморфными веществами. Характер их происхождения заложен в самом названии. Эффект электролюминесценции на базе органических полупроводников обнаружен в 1953 году Андрэ Бернанозом. Опыты по изучению хемилюминесценции прямиком привели его к открытию свечения акрихина и акридина. Но эра органических светодиодов началась в 1987 году, благодаря компании Кодек. Доктор Танг обнаружил свечение полимерной плёнки Alq3 (три-8-оксихинолят алюминия). Новый зелёный светодиод обладал уникальными качествами и до сих пор применяется в технике.

Читайте также:  Регулятор напряжения

Аналогичного рода кристаллические структуры многих элементов таблицы Менделеева проявляются свойство электролюминесценции. Отличительными характеристиками некоторых являются высокий КПД и малая цена. В 1989 году лаборатория Кембриджского университета научилась получать органические полимеры. Открытие Ричарда Френда, Донала Брэдли и Джереми Барроу явилось причиной создания в 1992 году Cambridge Display Technology (подразделение Sumitomo Chemical) с оборотом порядка 285 млн. долларов на 2007 год. Лаборатории предприятия и сегодня занимаются поисками новых полимерных материалов, исследованием их свойств.

Первый черно-белый дисплей с пассивной матрицей на органических светодиодах выпущен компанией Pioneer в 1996 году. Разрешение экрана составило всего лишь 256х64 пикселя. В том же году CDT представляет собственные наработки в этой области. В 2000 году, благодаря компании LG, появились первые конструкции для мобильных устройств. На момент 2016 года Samsung вложила 325 млн. долларов в технологии гибкие дисплеи на OLED с одновременным удвоением объёма выпускаемой продукции, а новые Мерседесы планируется оснащать экранами с диагональю 12,3 дюйма.

На сегодняшний день органические светодиоды уже применяются в качестве подсветки матриц. Компания LG разработала и изготовила специальные принтеры, которые методом печати могут выпускать панели для осветительных целей. Это во многом решает вопрос цены органических светодиодов. Большим достоинством является возможность регулировки яркости. И наверняка не за горами день, когда диодные лампы будут функционировать за счёт органики.

Достоинства светодиодных ламп

Несмотря на малый КПД светодиодов, лампы на их основе обладают потрясающими характеристиками. Энергопотребление при прочих равных снижается на порядок. Что позволяет окупить стоимость приборов буквально в течение одного года, тогда как производитель обычно даёт гарантию на 3 и более. Вот только получить её на китайские изделия, продаваемые под различными, в том числе европейскими брендами, будет не так просто. Потому что хитрый производитель в инструкции указывает на необходимость возврата продукции силами продавца, а последний не всегда готов на это пойти.

Но самое главное – сегмент сегодня бурно развивается. Вот почему светодиодная лампа уже завтра будет стандартом де-факто для нужд освещения.