Содержание
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 оказалось поверить полвека назад, но сегодня светодиодное освещение считается самым экономичным из прочих. Дополнительный плюс в широкой гамме оттенков, характеризующейся специальным параметром – температурой, сведения располагаются на упаковке. Экономия в сравнении с лампочками накала составляет 10 раз, светодиодное освещение, несомненно, характеризуется лучшей цветопередачей, нежели галогенные разрядные источники.
Разработчики обещают невероятную долговечность собственной 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. Отмечаются и трудности при использовании выключателей со световой индикацией.
Свет от светодиодов
В продаже найдутся фирменные изделия ценой до 2000 рублей за штуку, китайский ширпотреб вдесятеро дешевле. Причём плохо о последнем сказать нельзя. Выбирать светодиодное освещение полагается по мощности и по условиям отсутствия мерцания. Выявить негативный эффект нетрудно при помощи фотокамеры плохого качества. Подойдёт старенький телефон или iPad. Не профессиональный фотоаппарат. Следует навести фокус на стеклянную колбу и внимательно посмотреть, присутствует ли мерцание.
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 отмечалось свечение. Лишь избранные образцы демонстрировали эффект при напряжении 10 В, но любой кристалл начинал люминесцировать при повышении значения до 110 В.
В большинстве случаев свечение было жёлтого оттенка и располагалось близ отрицательного полюса, положительный периодически вспыхивал зеленовато-синими искрами. Помимо указанного образцы кристаллов демонстрировали светло-зелёный, синий и оранжевый цвета. Раунд попробовал разместить отрицательный электрод в середине кристалла, тогда испускать свет стал единственный полюс (положительный). Таким образом, учёный подводит читателей к понятию перехода металл-полупроводник, неизвестного тогда в науке (выпрямляющий контакт Шоттки).
Выпрямляющий контакт Шоттки
Происхождение карборунда опутано глубокой тайной. Это, по-видимому, единственный, минерал, полученный изначально в лаборатории Эдвардом Годричем Ачесоном (1890 год). Анри Муассан тремя годами позже обнаружил нечто подобное в осколках метеорита, настигшего Долину дьявола Аризоны, и решил, что перед ним алмаз. Долгих 11 лет ушло на понимание истинного химического состава находки, пока карборунд продолжал использоваться промышленностью в качестве прочнейшего абразивов.
Являясь по химической формуле карбидом кремния, минерал муассанит демонстрирует твёрдость по шкале Мооса 9,5 балла и действительно сравним с натуральным алмазом: лишь драгоценному минералу (и нитриду бора, но соединение впервые получено исключительно в 1957 году) и уступает пришелец из космоса. По очевидной причине выдвигались предположения, что «алмаз» попал на метеорит в ходе разработки землекопами, отколовшись от горнодобывающего инструмента.
Минерал, ставший предпосылкой создания светодиодного освещения, назван в честь 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 указанные очаги не назывались: Анри Муассан натолкнулся на нечто, чрезвычайно редкое. В конце 50-х годов XX века природный муассанит обнаружен сразу в двух точках земного шара:
- Якутские алмазные прииски.
- Формация Грин-Ривер штата Вайоминг.
Данные спектрального анализа говорят, что карборунд считается частым гостем в горных породах, витающих вокруг богатых углеродом звёзд галактики. Это удивительно, но об открытии светодиодов забыли надолго. Информация всплыла уже во времена холодной войны, когда одновременно в нескольких местах продемонстрировали первые полупроводниковые лазеры. О светодиодном освещении тогда не думали.
Светодиоды на основе карбида кремния
Электролюминесценция открыта недавно, в начале XX века. Большим достоинством нового явления служит факт, что свечение заметно при комнатных температурах. Обычная лампочка накала, как известно, встречена рукоплесканиями посетителей театров за сравнительную в отношении газовых рожков безопасность. Светодиодное освещение по всем признакам превзошло предшественников на порядок: даже после часов работы стеклянная колба остаётся чуть тёплой.
Промышленное производство карбида кремния началось в 1891 году. Разработанное Ачесоном, протекало 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, потом происходит аналогичная реакция. Выделяемый угарный газ нуждался в интенсивном окислении для деактивации.
Карборунд показывает чрезвычайную 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 призывались на смену дорогим вакуумным диода, как светодиодное освещение постепенно вытесняет лампочки накала.
Двухэтапные условия превращения
Явление, обнаруженное Раундом, заметили бы 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.
Россиянин Лосев обычно не фигурирует в научной литературе, но авторская заслуга в создании светодиодного освещения бесспорна. Экспериментатор установил, что некоторые диоды светятся при включении в прямом направлении, прочие – 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 отметим 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 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 сделало возможным создание светодиодного освещения, где в качестве рабочего элемента используется правильной формы квадрат.
Светодиодная иллюминация
Развитие светодиодов и освещения
Сложнее оказалось получить голубой цвет. Уже в середине XX века стало понятно, что за приборами большое будущее, для использования (не для освещения) в телевидении требовалось разрешить одну из цветовых схем. К примеру, известную RGB. Требовался светодиод с голубым свечением. КПД на начало 60-х такого прибора составляло лишь 0,005%. Карбид кремния оказался не лучшим решением для подобных задач, ярчайшие 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. В итоге, популярность обрели полупроводники класса AIII BV, куда относится 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 сегодня используется в светодиодном освещении.
В 1962 году появились сообщения о создании первых полупроводниковых лазеров инфракрасного диапазона, с волной от 870 до 890 нм. Устройства явно призывались заменить рубин, без нацеливания на создание светодиодного освещения. Новые устройства работали в непрерывном режиме при температур 77 К. Затем температура выросла до 300 К (комнатная). Много внимания уделялось технологическому аспекту производства светодиодов, что стало 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 собственным материалом. Соответственно, GaAsP и AlGaAs. Первый сплав считался безнадёжным. Затруднение проявилось в технологии. Сложно было вырастить правильной формы стабильные кристаллы. Алюминий, ко всему прочему, активно присоединял кислород из воздуха, центры окисления тушили явления люминесценции.
Вудалл в бытность аспиранта специализировался на металлургии и кое-что слышал про фазовые переходы металлов. И 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 одинакового 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. Одновременно Texas Instruments наладила серийный выпуск приборов инфракрасного диапазона с потрясающей ценой в 130 долларов США за штуку.
