Диодная лампа

Диодная лампа – некорректное и упрощённое название, используемое преимущественно в обиходе, для обозначения электрических полупроводниковых осветительных приборов. Принцип работы основывается на явлении электролюминесценции полупроводников.

Полупроводниковые приборы в качестве источников света

Ознакомившиеся с прочей информацией на сайте уже знают, что пик развития светодиодов пришёлся на пору изобретения рубинового лазера. Тогда холодная война обнаруживала ростки местных конфликтов, и сегодня интересы государств часто идут вразрез друг с другом. Поясним: прежде бытовала идея создания лазерного оружия, но ряд затруднений не позволял эффективно работать с излучением:

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

   Академик Иоффе

2. Мощность излучения, сосредоточенная в узком диапазоне, быстро затухает в атмосфере. Даже в окнах прозрачности невыгодно использование подобных технологий. Впрочем, лазеры активно применялись в спутниковой связи. Отыщутся 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 продвинутые изделия, половину энергии преобразующие в фотоны. В силу вступает технологический фактор практической невыполнимости создания большой площади p-n-перехода.

Выгодно использовать излучение оптического и прилегающего диапазонов для нужд передачи информации – это сегодня лучшие частоты. Из-за малой длины волны (согласно теореме Котельникова) удаётся заложить большой объем данных на коротком участке. Что означает повышение скорости передачи. Сегодня большинство качественных компьютерных сетей работает в оптическом диапазоне, используя методы, схожие с наблюдаемыми в светодиодных лампах.

История создания приборов изложена в упомянутом выше разделе, посмотрим на развитие технологии. Известно, в 60-х годах светодиоды получили активное развитие, но отмечался ряд трудностей. К примеру, КПД голубого излучения оказывался настолько мал, что отсутствовал смысл применять технологию на практике. Стояли трудности изучения свойств новых материалов, их изготовления. Электролюминесценция протекает в три стадии:

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

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. Чтобы иметь представление о принципах работы p-n-структуры, полагается узнать базовые вещи. В физике полупроводников материалы принято классифицировать по таблице Менделеева из VIII групп и VII периодов. Выделяют иные графические формы записи закона периодичности, но не в данном контексте. Для обозначения кристалла выбирают первую цифру. Если полупроводник образован двумя элементами, группы перечисляются последовательно.

К примеру, теллурид кадмия, охотно используемый в качестве излучателя фотонов и как 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. Карбид кремния (карборунд), на основе которого впервые продемонстрированы эффекты излучения фотонов, относится к редкой группе AIVBIV, причём стал единственным представителем.

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

Лампы диодные

• По количеству базовых образующих элементов:

1. Простыми. Состоят из единственного элемента периодической системы.
2. Сложными. Образованы двумя (и более) химическими элементами.

• По источнику приобретения нужных качеств:

1. Чистыми. Без примесей.
2. Легированными. С добавками прочих химических элементов в кристаллическую решётку.

Перечисленными выше признаками характеризуются кристаллические неорганические полупроводниковые материалы. Среди них наибольшее распространение, помимо простых, получили соединения: AIIIBV, AIIBIVCV2 (к примеру, CdSnAs2, близкий аналог арсенида индия). Последняя группа имеет кристаллическую решётку халькопирита, хотя указанный материал в упомянутое семейство не входит. Сложные вещества создаются сплавлением исходных веществ в нужной пропорции, часто образовывают электронную или дырочную проводимость без внедрения примесей. Напомним, что первоочередную важность обретают размеры квантовых переходов в материале.

Отдельно от бинарных полупроводников принято классифицировать окислы. Некоторые из материалов (куприт) встречаются в природе. Сейчас недостаточно изучены процессы роста, но оксид меди (AIIBVI) используется в технике. Окислы упоминаются отдельно из-за наличия у избранных материалов группы (к примеру, La2CuO4) сверхпроводимости при сравнительно высоких температурах – 130 К. Кристаллические структуры ряда полупроводников характеризуются слоистостью, ярко выраженными свойствами в двух измерениях (плёнки).

Некристаллические неорганические полупроводники

За счёт изменения технологии отдельные простые и сложные полупроводники возможно сделать аморфными (стекловидными). Тогда кристаллическая структура материала не прослеживается. Все полупроводники 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 указанной основе.

В глобальном плане аморфные полупроводники делят на 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 переходный элемент содержится как минимум в двух состояниях валентности, что обусловливает наличие особых свойств.
• Халькогениды – соединения элементов VI группы периодической системы (селен, теллур, сера) с металлами. Название материалы получили за частое включение в состав руды. Часто применяются в оптике, в 60-х описана возможность использования для создания запоминающих устройств (включая энергонезависимые). К недостаткам относят плохую химическую стойкость и склонность к кристаллизации.
• Органические полупроводники используются для создания светодиодов. Преимущественно полимерной структуры. Впервые эффект свечения 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

Органические полупроводники

Органические полупроводники считаются кристаллами, полимерами или аморфными веществами. Характер происхождения заложен в названии. Эффект электролюминесценции на базе органических полупроводников обнаружен в 1953 году Андрэ Бернанозом. Опыты по изучению хемилюминесценции прямиком привели учёного к открытию свечения акрихина и акридина. 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 поныне применяется в технике.

Аналогичного рода кристаллические структуры элементов таблицы Менделеева проявляют свойство электролюминесценции. Отличительными характеристиками считаются высокий КПД и малая цена. В 1989 году лаборатория Кембриджского университета научилась получать органические полимеры. Открытие Ричарда Френда, Донала Брэдли и Джереми Барроу стало причиной создания в 1992 году Cambridge Display Technology (подразделение Sumitomo Chemical) с оборотом в 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 лишь 256х64 пикселя. В том же году CDT представляет собственные наработки в упомянутой 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.

Сегодня органические светодиоды уже применяются в подсветке матриц. Компания LG разработала и изготовила специальные принтеры, способные методом печати выпускать панели для осветительных целей. Это решает вопрос цены органических светодиодов. Большим достоинством стала возможность регулировки яркости. Не за горами день, когда диодные лампы станут 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 в течение года, производитель обычно даёт гарантию на 3 и более. Впрочем, получить её на китайские изделия, продаваемые под различными европейскими брендами, непросто. Хитрый производитель в инструкции указывает на необходимость возврата продукции силами продавца, а последний не всегда готов на это пойти.

Главное – сегмент сегодня бурно развивается. Светодиодная лампа уже завтра станет стандартом де-факто для нужд освещения.