Светодиодное освещение

Светодиодное освещение – это комплекс оборудование для иллюминации различного рода, базирующийся на излучении, возникающем под действием электрического тока, в специальных полупроводниковых приборах. Плюс такого технического решения в значительной экономии. КПД светодиодного освещения на порядок выше, нежели ламп накаливания.

Светодиоды и освещение

В это трудно было бы поверить каких-нибудь полвека назад, но сегодня светодиодное освещение считается самым экономичным из всех прочих. Дополнительный плюс в широкой гамме оттенков, характеризующейся специальным параметром – температурой, которую можно найти на упаковке. Экономия в сравнении с лампочками накала составляет до 10 раз, и светодиодное освещение несомненно обладает лучшей цветопередачей, нежели галогенные разрядные источники.

Разработчики обещают невероятную долговечность своей продукции. Средний срок эксплуатации светодиодного освещения составляет 30000 часов и доходит до 50000. Это долгие десятилетия безотказной работы. Благодаря встроенному драйверу, светодиодным лампочка не страшны скачки напряжения, резко снижающие срок службы. Хотя имеются и некоторые проблемы, когда нужно использовать выключатели со световой индикацией. (См. также: Светодиодное освещение аквариума своими руками)

Свет от светодиодов

Свет от светодиодов

В продаже имеются, как фирменные изделия ценой до 2000 рублей за штуку, так и китайский ширпотреб вдесятеро более дешёвый. Причём ничего плохого о последнем сказать нельзя. Выбирать светодиодное освещение нужно не только по мощности, но и из условий отсутствия мерцания. Выявить негативный эффект можно при помощи фотокамеры плохого качества. Подойдёт старенький телефон или iPad. Никак не профессиональный фотоаппарат. Следует навести фокус на стеклянную колбу и внимательно посмотреть, не имеется ли мерцаний.

Из истории развития полупроводниковой техники

Предпосылкой для создания первого светодиода из карбида кремния послужила заметка 1907 года в журнале Электрический мир, издаваемом в Нью-Йорке МакГроу и Хиллом. Текст гласил, что Генри Джозеф Раунд экспериментировал с кристаллом карборунда и обнаружил потрясающее, доселе невиданное явление. При подключении электродов постоянного тока наблюдалось свечение. Лишь некоторые образцы демонстрировали этот эффект при напряжении 10 В, но практически любой кристалл начинал люминесцировать при повышении значения до 110 В.

В большинстве случаев свечение было жёлтого оттенка и наблюдалось близ отрицательного полюса, тогда как положительный периодически вспыхивал зеленовато-синими искрами. Помимо указанного некоторые образцы кристаллов демонстрировали светло-зелёный, синий и оранжевый цвета. Раунд попробовал разместить отрицательный электрод в середине кристалла, тогда испускать свет стал только один полюс (положительный). Таким образом, учёный подводит нас к понятию перехода металл-полупроводник, тогда ещё в науке не существовавшего (выпрямляющий контакт Шоттки).

Выпрямляющий контакт Шоттки

Выпрямляющий контакт Шоттки

Происхождение карборунда опутано глубокой тайной. Это, по-видимому, один из немногих, если не единственный, минерал, полученный изначально в лаборатории Эдвардом Годричем Ачесоном (1890 год). И когда Анри Муассан тремя годами позже обнаружил нечто подобное в осколках метеорита, настигшего Долину дьявола Аризоны, то решил, что перед ним алмаз. Долгих 11 лет ушло на то, чтобы понять истинный химический состав находки, и все это время карборунд продолжал использоваться промышленностью в качестве одного из самых прочных абразивов.

Являясь по химической формуле карбидом кремния, минерал муассанит имеет твёрдость по шкале Мооса 9,5 балла и действительно сравним в этом отношении с натуральным алмазом: одному ему (и нитриду бора, но это соединение впервые получено лишь в 1957 году) и уступает пришелец из космоса в этом отношении. По очевидной причине какое-то время выдвигались предположения, что «алмаз» попал на метеорит в ходе разработки его землекопами, отколовшись от горнодобывающего инструмента.

Минерал, явившийся предпосылкой создания светодиодного освещения, назван так в честь своего первооткрывателя в 1904 году, за несколько лет до смерти последнего. В природе муассанит встречается чрезвычайно редко. Среди вероятных мест пребывания, помимо метеоритов, называют месторождения корунда и залежи алмазов. И до 1959 года даже эти очаги не мог назвать никто: Анри Муассан натолкнулся на что-то действительно чрезвычайно редкое. В конце 50-х годов XX века природный муассанит был обнаружен сразу в двух точках Земного Шара: (См. также: Каким должно быть освещение в квартире или доме)

  1. Якутские алмазные прииски.
  2. Формация Грин-Ривер штата Вайоминг.

Но, как ни странно, данные спектрального анализа говорят, что карборунд является частым гостем в горных породах, витающих вокруг богатых углеродом звёзд галактики. Это удивительно, но надолго об открытии светодиодов забыли. Информация всплыла уже во времена холодной войны, когда одновременно в нескольких местах продемонстрировали первые полупроводниковые лазеры. О светодиодном освещении тогда думали меньше всего.

Светодиоды на основе карбида кремния

Электролюминесценция открыта не так давно, в начале XX века. Большим достоинством нового явления служит то, что свечение наблюдается при комнатных температурах. Обычная лампочка накала, как известно, была встречена рукоплесканиями посетителей театров за сравнительную в отношении газовых рожков безопасность. Светодиодное освещение, по всем признакам превзошло своих предшественников на порядок: даже после часов работы стеклянная колба остаётся чуть тёплой.

Промышленное производство карбида кремния началось в 1891 году. Разработанное все тем же Ачесоном должно было протекать при высоких температурах в угольном тигле, где с помощью электрического тока создавались условия для превращения обыкновенного стекла в сверхтвёрдый минерал. Реакция идёт в два этапа. Углерод восстанавливает четырёхвалентный оксид кремния до двух валентного, после чего следует ещё одна аналогичная реакция. Выделяемый угарный газ нуждался в интенсивном окислении для его деактивации.

Карборунд имеет высокую твёрдость в первую очередь, благодаря сходству кристаллической решётки с алмазной. Низкая стоимость синтеза обусловили высокую популярность в качестве абразива нового химического соединения. Генри Джозеф Раунд экспериментировал с детекторами для первых приёмников электромагнитных волн, а открыл новое явление. Полупроводниковые выпрямители должны были придти на смену дорогим вакуумным диода, как светодиодное освещение постепенно вытесняет лампочки накала.

Двухэтапные условия превращения

Двухэтапные условия превращения

Явление, обнаруженное Раундом, можно было бы наблюдать в некоторых диодах Шоттки, если подать напряжение, сильно превышающее рабочее. В этом случае происходит лавинное умножение неосновных носителей заряда (дырок) в металле. Они инжектируются в полупроводник, где рекомбинируют с электронами, и разница в энергетических уровнях как раз попадает в видимый диапазон излучений. Явление может наблюдаться и при сильном обратном смещении перехода. На этот счёт даже имеются специальные исследования.

Несмотря на то, что наш соотечественник Лосев обычно не фигурирует в научной литературе, его заслуга в создании светодиодного освещения бесспорна. Экспериментатор установил, что некоторые диоды светятся при включении в прямом направлении, другие – во всех случаях, вывел формулу зависимости частоты излучения от величины падения напряжения на переходе, запатентовал первое в мире оптическое реле. Работы продолжались в период с 1924 году и до начала Второй мировой войны.

В 1939 году Золтан Бэй и Георгий Жигети запатентовали светодиод на основе карбида кремния с возможностью замены на карбид бора, испускавший цвета: белый, бледно-жёлтый, блекло-зелёный в зависимости от вводимых в материалы примесей. Попутно можно отметить наработки Курта Леховица, легировавшего карбид кремния мышьяком для получения n-проводимости и бором – для p-проводимости. По тексту патента говорится о возможности внесения в материал светодиодов целого ряда других примесей: свинца, олова, меди, цинка, европия, самария, висмута, таллия, марганца, серебра и церия.

Работами Лосева активно интересовался работник посольства США Лебнер, запатентовавший в 1958 году зелёный светодиод. Десятилетием позже научились получать тонкоплёночные конструкции из карбида кремния, что и сделало возможным создание светодиодного освещения, где в качестве рабочего элемента используется обычно правильной формы квадрат.

Светодиодная иллюминация

Светодиодная иллюминация

Развитие светодиодов и освещения

Исторически наиболее сложным оказалось получить голубой цвет. Уже в середине XX века было понятно, что за приборами большое будущее, и для использования их (не для освещения) в телевидении требовалось разрешить одну из цветовых схем. Например, всем известную RGB. А для этого нужен светодиод с голубым свечением. Но КПД на начало 60-х такого прибора составляет всего лишь 0,005%. Вообще карбид кремния оказался не лучшим решением для такого рода задач и самые яркие образцы работали на волне 470 нм с КПД 0,03%. Для светодиодного освещения это явно не годится.

Внимание исследователей привлекли публикации французского учёного Дестрио, который в качестве основного материала светодиодов предлагал использовать сульфид цинка. Но в итоге широкую популярность обрели полупроводники класса AIII BV, к которым относится и встречающийся сегодня повсеместно GaAs. Эра нового соединения стартовала в 1954 году, когда научились из расплава получать нарезкой тонкие пластины, а эпитаксия позволила формировать на поверхности p-n-переходы, что и сегодня используется в светодиодном освещении.

В 1962 году появилось сразу несколько сообщений о создании первых полупроводниковых лазеров. Инфракрасного диапазона, с волной от 870 до 890 нм они явно были призваны заменить рубин, но явно не были нацелены на создание светодиодного освещения. Новые устройства могли работать в непрерывном режиме при температур 77 К. Затем эта температура выросла до 300 К (комнатная). Много внимания уделялось технологическому аспекту производства светодиодов, что явилось основой успеха в задачи создания светодиодного освещения. В 60-е годы разработан горизонтальный способ выращивания кристаллов арсенида галлия по методу Бриджмена.

Излучение светодиодов из арсенида галлия с примесями кремния ушло выше диапазона поглощения подложки из чистого арсенида галлия. В результате вся мощь потока шла по назначению без ослабления. А арсенид галлия вёл себя, как прозрачное стекло. В 5 раз повысился выход квантов в сравнении с материалами, полученными методами диффузии цинка. Сотрудники IBM Руппрехт и Вудалл работали подпольно, в свободное время. Каждый занимался своим материалом. Соответственно, GaAsP и AlGaAs. Первый сплав считался практически безнадёжным. Суть проблемы опять же проявилась в технологии. Сложно было вырастить правильной формы стабильные кристаллы. Алюминий, ко всему прочему, активно присоединял кислород из воздуха, и центры окисления буквально тушили явления люминесценции.

Вудалл в бытность аспиранта специализировался на металлургии и кое-что слышал про фазовые переходы металлов. А потому, решил экспериментировать с концентрацией алюминия в расплаве. В результате выполнения определённых условий удалось получить плёнку толщиной 100 мкм, позволившей создать светодиоды со спектром в районе темно-красного оттенка. Дальнейшее повышение концентрации алюминия сдвинуло область прозрачности вещества, удалось создать на базе одного и того же материала рабочий p-n-переход и подложку для него.

Была немедленно собрана рабочая схема из прибора на основе GaAsP с источником питания на обычной батарейке и продемонстрирована руководству IBM. Некоторые лица признали изобретение весьма перспективным. Первое применение нашлось в области индикации на материнских платах. В то же самое время Texas Instruments наладила серийный выпуск приборов инфракрасного диапазона. С потрясающей ценой в 130 долларов США за штуку.