История возникновения и развития светодиодной технологии. История создания светодиодов

История светодиода

С каждым днем светодиоды все более прочно закрепляются в различных сферах деятельности человека. И это неудивительно, ведь светодиоды имеют ряд преимуществ перед другими осветительными приборами.

Светодиодные лампы получили широкое распространение только в 21 веке, однако светодиоды в приборах используются не один десяток лет, история открытия и создания светодиодов началась еще в начале 20 века.

Генри Джозеф Раунд в 1907 году проводил эксперименты с кристаллическими детекторами. В ходе одного из своих экспериментов, при подаче тока через различные материалы ученый заметил странное свечение. Свет испускал карбид кремния. Объяснить это явление Генри не смог. Свои наблюдения изобретатель описал в издании “General world”.

Следующий шаг в развитие светодиодов сделал русский экспериментатор Олег Лосев. Он обнаружил, что в радиоприемниках диоды испускают свет при прохождении электрического тока. Он исследовал это явление и опубликовал большое количество работ по этой теме. В 1927 году Лосев запатентовал “Световое реле”. Благодаря его открытиям мир узнал об электролюминесценции полупроводников. Диоды были изготовлены с применением карбида кремния.

В 1955 году американец Рубин Брунштайн сделал заявление о том, что простые диодные структуры испускают инфракрасное излучение. К таким структурам относились антимонида галлия, фосфида индия, арсинид галлии, сплав кремния и германия.

В 1961 году патент на ИК диод получил американцы Боб Биард и Гари Питмен.

Отцом-основателем современного диода считывается Ник Холоняк из “General Electriс”. В 1962 года создал лазер с видным излучением красного спектра Холопяк стал профессором Иллинойского университета в 1963 году. У него учился аспирант Джордж Крэфорд, который в 1972 году изобрел желтый светодиод.

В компании Monstanto было организовано массовое производство светодиодов.

В начале 70-х появились зеленые светодиоды.

В середине 70-х докор Жан Энри изобрел планарную технологию изготовления полупроводниковых кристаллов.

В конце 80-х годов благодаря работам Ж.И. Алферова и других ученых, когда были получены новые материалы, увеличены были мощность, яркость, световая отдача, срок службы. В новых материалах были использованы соединения индия, галлия, алюминия.

Первый светодиод синего цвета был создан в 1971 году, однако технология была чрезмерно затратной.

Синии светодиоды на основе карбида кремния серийно выпускался в 1980-х, но яркость была очень маленькая.

В 1996 году японские ученые во главе с изобретателем Сюдаи Накамура после 20 лет поисков совершили прорыв – изобрели дешевый синий светодиод.

Сегодня благодаря эффективности светодиодов они используются в быту, промышленности, на улицах городов. Светодиоды признаны экономично выгодными и экологичными.

elektronika-muk.ru

Кто изобрел светодиод и светодиодные лампы?

Светодиодные лампы нашли применение в создании бытового, рекламного, декоративного, индикаторного и другого освещения. Человек подстраивает это изобретение под свои потребности во многих сферах деятельности. Светодиоды создают излучение для передачи телефонных и интернет сигналов по оптоволоконным кабелям, связывающих пульты управления с контролируемой техникой. LED-кристаллы делают мир ярче и светлее, но кому принадлежит авторство создания «суперсветильников»?

История создания светодиодов

Впервые о свечении твердого кристалла под влиянием тока человечество узнало в начале XX столетия.

1907 — британец Генри Раунд провел эксперименты, в процессе которых заметил цветное свечение при похождении электричества через соединение металла с карбидом кремния (карборундом). Так была открыта электролюминесценция.

1923 – в СССР ученый-физик Олег Лосев пропустил ток через соединение карбида кремния со сталью, и увидел слабый свет в точке соприкосновения карборунда с металлическим сплавом. Несмотря на публикацию в научных источниках, общество не придало значения этому открытию. Позже, в 1927 году, Лосев создал твердотельное «световое реле», работающее от источника питания 10 В.

1961 – следующим шагом в разработке современных ламп стало изобретение инфракрасного светодиода. Открытие сделали сотрудники американского производителя Texas Instruments. Г. Питтман и Р. Байард, которые чуть позже запатентовали свое детище.

1962 – первое применение светодиода на практике в американском гиганте General Electrics. Кристаллы с красным свечением были созданы в Университете Иллинойса Ником Холоньяком.

Себестоимость первых светодиодов достигала 200$ — огромные деньги для середины XX века. Научно-технический прогресс позволил удешевить производство твердотельных источников света, и с 1968 года крупные корпорации обратили внимание на возможную выгоду от использования таких элементов в своей продукции.

1971 – американец украинского происхождения Жак Панков в лабораторных условиях получает синее излучение от кристаллов. Начинается эра светодиодов, первые массовые партии индикаторов были произведены компанией Monsanto, и использованы в калькуляторах HP.

1972 – ученик Холоньяка Джордж Крафорд улучшает силу света красных светодиодов в 10 раз, и находит способ получить желтое излучение.

Изобретение светодиодной лампы

Несмотря на снижение стоимости, цена на светодиоды оставалась высокой вплоть до 1990-х гг. Исходящие световые лучи были слабоваты, и подходили только для использования в качестве индикаторов. Но в конце прошлого века три сотрудника японской корпорации Nichia Chemical Industries (Хироси Амано, Сюдзи Накамура и Исама Акасаки) сдвинули прогресс с мертвой точки, создав недорогой светодиод с синим свечением. Чуть позже на основе изобретения трех сотрудников Nichia началось массовое производство люминофорных светодиодов с белым свечением. В 2014 году Хироси Амано, Сюдзи Накамура и Исама Акасаки за свое изобретение были удостоены Нобелевской премии.

Благодаря низкой стоимости люминофорных светодиодов и довольно высокому световому потоку, стало возможным массовое производство светодиодных ламп.

Последним шагом на пути к созданию современных светодиодных ламп с высоким световым потоком стало производство первого модуля по технологии COB (Chip-on-Board) в 2003 году компанией Citizen Electronics. Citizen Electronics первыми начали использовать диэлектрический клей для монтажа кристаллов от Nichia на алюминиевую подложку, необходимой для поглощения выделяемого тепла.

Читайте так же

ledjournal.info

Что такое светодиод? История развития, интересные факты, перспективы

Во всех наших статьях мы стараемся доносить информацию до читателей и покупателей магазина в максимально доступной форме, старательно избегая малопонятных обывателю терминов и описания физико-химических процессов. Так мы попробуем поступить и сейчас, поскольку, подкованные в научных дисциплинах читатели без труда смогут найти в Интернете информацию по данной теме на гораздо более научном языке.

Что такое светодиод?

Светодиод — это полупроводниковый прибор, трансформирующий электроток в видимое свечение. У светодиода есть общепринятая аббревиатура - LED (light-emitting diode), что в дословном переводе на русский язык означает "светоизлучающий диод". Светодиод состоит из полупроводникового кристалла (чип) на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Непосредственно излучение света происходит от этого кристала, а цвет видимого излучения зависит от его материала и различных добавок. Как правило, в корпусе светодиода находится один кристалл, но при необходимости повышения мощности светодиода или для излучения разных цветов возможна установка нескольких кристаллов.

В светодиоде, в отличие от привычной лампы накаливания или люминесцентной лампы (ее еще называют "энергосберегающей"), электроток трансформируется в видимый свет. В теории, такое преобразование можно выполнить вообще без, так называемых, "паразитных" потерь электроэнергии на нагрев. Это связано с тем, что при грамотно спроектированном теплоотводе светодиод нагревается очень слабо. Светодиод излучает свет в узком спектре, его цвет "чист", что особенно ценно применительно к дизайнерскому освещению. Ультрафиолетовые и инфракрасные излучения, как правило, отсутствуют.

История развития светодиода

В 1907 году британский инженер-экспериментатор Генри Джозеф Раунд (на фото слева) впервые обнаружил едва заметное излучение, испускаемое карбидокремниевыми кристаллами, вследствие неизвестных в то время электронных превращений.

В 1923 году в Нижнем Новгороде, молодой российский ученый Олег Лосев (на фото справа) также зафиксировал это свечение при проведении радиотехнических лабораторных опытов с полупроводниковыми детекторами, но интенсивность обнаруженных свечений была крайне низкой и Российское научное сообщество не придало этому событию должного значения. Через несколько лет Олег Лосев провел целенаправленные исследования этого феномена и углублялся в их изучение вплоть до своей смерти - Олег Лосев ушел из жизни в блокадном Ленинграде зимой 1942 года в возрасте 38 лет. До начала войны Олег Лосев активно публиковал результаты своих изысканий в немецкий научных изданиях, где открытый им эффект посчитали сенсационным и назвали его именем ученого - "Losev Licht". Природа этого излучения окончательно стала понятна только в 1948 после изобретения транзистора и появления теории "p-n-перехода", являющейся научной основой функционирования известных ныне полупроводников.

В 1962 году группа ученых из Университета Иллинойса (США), которой руководил Ник Холоньяк (на фото слева), продемонстрировала работу первого светодиода, что стало знаковым событием и именно этот момент многие специалисты считают открытием привычного нам светодиода. В этом же году Ник Холоньяк создал первые "красные" светодиоды, которые уже можно было применять в промышленности.

В 1972 были открыты полупроводниковые излучатели зеленого и желтого цвета. Их яркость постепенно увеличивалась и в 1990 году уже составляла 1 люмен.

Суджи Накамура (на фото справа) - инженер малоизвестной тогда японской фирмы Nichia (Ничиа) в 1993 году получил первый синий сверхъяркий светодиод. После этого, почти моментально были созданы светодиодные RGB (Red-Green-Blue) устройства, поскольку эти три цвета (зеленый, синий, красный) в своем сочетании сделали возможным создать любой цвет, даже белый. Этот момент стал настоящим прорывом и первые светодиоды белого цвета "увидели свет" в 1996 г., что явилось сильнейшим толчком к развитию отрасли.

К 2005 году яркость светодиода достигла значения 100 лм/Вт и продолжает увеличиваться. Были сконструированы так-называемые многоцветные светодиоды, а повышение яркости и надежности всех компонентов светодиодных ламп позволило начать конкуренцию с энергосберегающими (люминесцентными) и лампами накаливания. У нас есть интересная статья на эту тему, где сравниваются разные типы ламп.

С 2008-2009 годов стартовало активное применение светодиодных источников света в бытовых светильниках и чуть позднее с ростом светоотдачи - в уличном освещении. В 2012-2013 годах из-за многократного роста объемов производства их стоимость начала снижаться, что привело к стремительному повышению интереса со стороны потребителей.

Яркость светодиода

Яркость светодиода зависит от силы тока (измеряемой в амперах), который через него проходит. Однако, силу тока нельзя увеличивать без ограничений, так как кристалл перегреется и выйдет из строя. Именно по этой причине конструкция светодиодных ламп относительно сложна и дорога в производстве. Но прогресс не стоит на месте и ежегодно ведущие производители светодиодов добиваются роста светового потока своих светодиодов на 20-30%, что с точки зрения скорости прогресса, весьма впечатляющие цифры. Постоянному совершенствованию подвергаются конструкции и материалы элементов светодиодных ламп.

По силе света светодиоды делятся на три основные группы:- светодиоды ультравысокой яркости, мощностью от 1W (Ultra-high brightness LEDs) – сотни канделл;- светодиоды высокой яркости, мощностью до 20 mW (High brightness LEDs) – сотни и тысячи милликанделл;- светодиоды стандартной яркости (Standard brightness LEDs) – десятки милликанделл.

Яркость свечения светодиодов очень хорошо поддается регулированию или "диммированию" при использовании так называемого метода широтно-импульсной модуляции, для чего необходим специальный управляющий блок, встроенный в лампу. Однако, на сегодняшний день (2013-2014 года) не все продаваемые светодиодные лампы диммируются, что делает их немного дешевле и этот момент надо учитывать при покупке. Именно поэтому, перед приобретением светодиодных ламп мы настоятельно рекомендуем прочитать нашу статью "Как выбрать светодиодную лампу".

Основные типы светодиодов

Существует два основных типа светодиодов: индикаторные и осветительные.

Индикаторные светодиоды - не яркие, маломощные и оттого дешевые в производстве светодиоды, используемые в качестве световых индикаторов в различных электронных приборах, подсветке дисплеев компьютеров, ЖК-телевизоров, приборных панелей автомобиля и многих других устройств.

Осветительные светодиоды отличаются высокой мощностью и яркостью, что позволяет использовать их в производстве бытовых и промышленных лампах и светильниках.

Исторически из-за небольшой яркости и мощности светодиоды применялись только для индикации. Чтобы сделать их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать светодиоды с белым светом, что, как мы писали выше, произошло только в 90-х годах двадцатого века, а также значительно увеличить светоотдачу, чего в свою очередь, удалось добиться только в двухтысячных годах.

Долговечность и старение светодиодов

Светодиод механически прочен и надежен - даже при нынешнем развитии технологий, его срок эксплуатации в системе освещения теоретически может достигать ста тысяч часов, что примерно в 100 раз больше среднего срока эксплуатации обычной лампы накаливания и примерно в 10 раз больше, чем у энергосберегающих (люминесцентных) ламп. Однако, срок службы светодиода может быть разным и напрямую зависит от типа светодиода, силы подаваемого на него тока, охлаждения кристалла (чипа) светодиода, состава и качества кристалла, компоновки элементов и сборки в целом. Именно поэтому срок службы у осветительных светодиодов короче, чем у маломощных индикаторных. В бытовом смысле, старение светодиода связано в большей степени со снижением его яркости и в меньшей - с изменением цвета видимого излучения. Сам процесс старения начинает быть заметным по истечение нескольких десятков тысяч часов и происходит достаточно медленно, т.е. резкого угасания светодиода не происходит.

Однако, все вышесказанное относится исключительно к качественным продуктам от производителей с именами мировой величины. Проблема в том, что большинство российских светодиодных ламп построено на ультра-дешевых китайских светодиодах и других комплектующих, что сказывается на потребительских свойствах продуктов. Чаще всего это проявляется в том, что указанные на упаковке характеристики мощности, светового потока и срока службы очень сильно завышены. Именно по этой причине мы рекомендуем покупать лампы известных брендов.

Наибольшему старению подвержены как раз белые светодиоды, применяемые в освещении. Как мы уже писали ранее, светодиодов с белым светом пока не изобрели и белый свет получается за счет наложения структуры кристаллов, на которую нанесен люминофор (специальный состав). При этом люминофор ухудшает тепловые характеристики светодиода и срок его службы сокращается. Тем не менее, на сегодняшний день, светодиодные лампы по заявлениям ведущих производителей будут работать без ухудшения своих характеристик от 30 до 50 тысяч часов, что при их непрерывной работе составляет минимум 3,5 года. Если учесть, что по статистике лампа включена не более 3-х часов в сутки, то этот срок увеличивается минимум до 30 лет! Такие цифры впечатляют!

Сфера применения светодиодов. Перспективы развития.

Сферу применения светодиодов в качестве источников света можно описать одним словом - повсеместно: в уличном, промышленном, автотранспортном и бытовом освещении. При подготовке этой статьи мы планировали перечислить сферы применения, но начав составления перечня, поняли, что в этом нет смысла, так как придется перечислять все. Потом мы попробовали идти от обратного - где сейчас пока еще не применяют светодиоды в качестве источников света и пришли к выводу, что примеров этому нет. Все крупные Компании переводят освещение своих производственных и офисных помещений на светодиодное. Те, кто пока не делает - планируют это сделать в самое ближайшее время и ждут еще большего снижения цен. Основных причин такого массового перехода две: экономический эффект и безвредность для человека и экологии планеты в целом.

По мнению большинства специалистов отрасли, стоимость светодиодных ламп, как бытовых, так и специальных будет снижаться и весьма сильно. По разным оценкам, от 10 до 20% в год в течение последующих нескольких лет. Ежегодно, световой поток самого производительного светодиода каждого из мировых брэндов возрастает на 20-30%.

Светодиодная лампа абсолютно безопасна для использования в жилых и рабочих помещениях. В отличие от ламп накаливания и люминесцентных ("энергосберегающих") ламп, она не содержит стекло (за редким исключением) и опасные вещества, такие как ртуть и свинец. Лампа не наносит вреда экологии и не требует специальной утилизации. В наше время это особенно важно: экологические требования всех развитых стран постоянно меняются в сторону уменьшения вреда здоровью людей и экосистеме планеты в целом. При этом всячески стимулируется развитие технологий энергосбережения. В подавляющем большинстве стран Евросоюза и в США продажа ламп накаливания уже запрещена, а продажи люминесцентных ламп стремительно снижаются. На этом фоне "светлое" будущее систем освещения на основе светодиодов видится весьма отчетливо.

Лампы накаливания и галогенные лампы уходят в прошлое. Объемы производства падают в разы год от года. Люминесцентные (энергосберегающие) лампы также по всем параметрам проигрывают светодиодным и их объем производства также снижается. Причины победного шествия светодиодных технологий настолько очевидны, что не возникает ни малейшего сомнения, что другие типы ламп скоро просто вымрут или останутся в узких сегментах рынка.

svetlix.ru

История возникновения и развития светодиодной технологии

1907 год – первое известное сообщение об излучении света твердотельным диодом. Английский ученый Генри Раунд, работавший в лаборатории Маркони, благодаря случайному стечению обстоятельств обнаружил необычное свечение вокруг точечного контакта работающего детектора. Однако открытие такого явления, как «электролюминесценция» полупроводников, принадлежит не ему, а нашему соотечественнику, Олегу Владимировичу Лосеву.

1923 год – О.В. Лосев, будучи сотрудником Нижегородской радио-лаборатории, в то время единственного радиотехнического института страны, исследовал явление излучательной рекомбинации, в ходе которого заметил свечение кристаллов карбида кремния SiC. Благодаря этому открытию, названному «свечение Лосева» и «эффект Лосева», мир узнал об электролюминесценции полупроводников, т.е. испускании ими света при протекании электрического тока. Несмотря на то, что открытие Лосева в течение нескольких десятилетий не находило практического применения, с 1923 г. явление электролюминесценции начало активно изучаться, и в тридцатых годах ХХ века в прессе появилась первая статья о результатах наблюдения за кристаллами нитрида галлия. Автором статьи стал профессор Московского Государственного Университета Г.С. Жданов.

1951 год - в США создан центр по разработке «полупроводниковых ламп», действующих на основе «эффекта Лосева». Во главе этого центра стоял знаменитый ученый К. Леховец.

1955 год - Р.Браунштейн из Radio Corporation of America заявил о наличии инфракрасного излучения арсенида галлия (GaAs) в комбинации с другими полупроводниковами сплавами. Браунштейн заметил инфракрасное излучение, испускаемое простой диодной структурой на основе антимонида галлия (GaSb), арсенида галлия, фосфида индия (InP) и кремниево - германиевого сплава (SiGe) при комнатной температуре.

1961 год – экспериментаторы Роберт Биард и Гари Питтмэн из компании Texas Instruments, обнаружили, что GaAs испускал инфракрасную радиацию, при прохождении электрического тока. Они запатентовали технологию инфракрасного светодиода.

1962 год - в Иллинойском университете США, под руководством Ника Холоньяка, созданы первые светодиоды на основе структур GaAsP/GaP, излучающие красный и желто-зеленый свет. Именно Ник Холоньяк считается «отцом» современных светодиодов. Это событие стало настоящим прорывом индустрии света – появился источник, принципиально отличающийся от традиционных ламп накаливания, люминесцентных ламп и неоновых источников света. Длина волны, которую излучали созданные приборы, находилась в пределах верхней границы восприятия человеческого глаза (500-600 нм), и для целей индикации такого свечения было вполне достаточно. Световая отдача первых светодиодов составляла всего 1-2 Лм/Вт.

1968 год - компания Hewlett-Packard произвела первый рекламный светодиодный экран, представлявший собой дисплей красного цвета с очень слабым световым потоком. В этом же году корпорацией Monsanto был впервые налажен серийный выпуск видимых светодиодов красного цвета на основе фосфида арсенида галлия. Эти светодиоды подходили для использования в качестве индикаторов. До 1968 года видимые и инфракрасные светодиоды были очень дороги – до 200$ за штуку, и поэтому имели небольшое практическое применение.

70е гг. ХХ столетия – начало бурного развития светодиодной отрасли. Светодиоды совершенствуются сразу по двум направлениям: расширение диапазона излучения и увеличение светового потока.

1972 год - М. Джордж Крэфорд, прежний аспирант Н. Холоньяка, изобрел первый светодиод желтого цвета и улучшил яркость красного и красно-оранжевого светодиодов в десятки раз.

Кроме того, в семидесятых годах лауреат Ленинской премии Жорес Иванович Алферов, с группой единомышленников, изобрел «многопроходные двойные гетероструктуры», благодаря которым значительно увеличился внешний световой поток. Это стало возможным за счет сокращения области рекомбинации. Сначала им были предложены гетеростуктуры, основанные на GaAs (и его твердых растворах, типа AlGaAs), а некоторое время спустя, Алферов изготовил и гетероструктуры с другими полупроводниковыми комбинациями. Благодаря этому, удалось достичь 15%-го внешнего светового потока для красной части спектра (светоотдача около 10 Лм/Вт), и не менее 30%-го – для инфракрасного излучения. Это стало своеобразным «прорывом» в области науки и техники, за что впоследствии Ж.И. Алфероов был награжден Нобелевской премией.

В тех же семидесятых годах прошлого столетия в лаборатории IBM группой сотрудников под руководством Дж. Панкова были созданы светодиоды с голубым и фиолетовым излучением. Эффект такого свечения стал возможен за счет применения, в качестве основы, эпитаксиальных пленок GaN. Однако срок службы таких светодиодов был очень коротким.

1976 год - T.P. Пирсал получил первые светодиоды высокой яркости, высокой производительности для волокон оптических телекоммуникаций.

1976 год - компания Hewlett Packard разработала светодиоды на основе фосфидов алюминия-галлия-индия красно-оранжевого, желтого и желто-зеленого цвета.

Начало 80-х гг. XX века – ученые М. В. Чукичев и Г. В. Сапарин (Московский Государственный Университет им. Ломоносова) обнаружили яркое люминесцентное свечение частей образца GaN, легированного цинком, при воздействии на него электронного пучка. Понять причину этого явления в то время ученым не удалось.

1990 год - светоотдача светодиодов достигает 30 Лм/Вт. С этого времени светодиоды становятся адекватной альтернативой лампам накаливания.

28 марта 1991 года - «день рождения» синих светодиодов. Родителем этого изобретения стал японский ученый доктор Ш. Накамура (Shuji Nakamura) из компании Nichia Chemical. Ему удалось решить эту задачу при помощи гетероструктуры, основанной на нитриде индия-галлия InGaN. Благодаря этому изобретению, замкнулся «RGB-круг», и теперь появилась возможность получить любой цветовой оттенок, в том числе и различные оттенки белого цвета, путем обычного смешения цветов. В этом процессе могут использоваться, как отдельные разноцветные светодиоды, так и «трехкристалльные», - светодиоды, в корпусе которых объединены кристаллы синего, зеленого и красного свечения.

29 ноября 1993 года - компания Nichia Chemical Industries объявила о завершении работ над светодиодами с голубым излучением и о готовности к их массовому производству.

Январь 1994 года – доктор Никамура создал первый синий светодиод коммерческого назначения. Он был выполнен на основе гетероструктуры InGaN/AlGaN с активным слоем InGaN, легированным цинком.

1997 год - Фред Шуберт из политехнического института Ренсселера изготовил первый светодиод, излучающий белый свет.

Декабрь 1997 года – компания Nichia Chemical Industries запатентовала главные этапы технологии производства светодиодов. Вскоре объем реализации голубых и зеленых светодиодов, произведенных этой компанией, достиг 20 миллионов штук в месяц.

Июль 1999 года - доктор Накамура объявил, что яркость излучения светодиодов достигает уже 60 лм/Вт, а мощность светодиодов на основе InGaN, излучающих желтый свет, равна 6 мВт.

К концу ХХ столетия ведущие компании по производству светодиодов ("Toyoda Gosei”, "Hewlett Packard”, «Nichia Chemical”, "Cree”) производили по нескольку десятков миллионов голубых и зеленых светодиодов в месяц.

С 2000 года – «Большой Тройкой» (LumiLeds / Phillips, Osram / Cree и GELcore / Uniroyal/GE) было инвестировано свыше 70 миллионов долларов в исследовательскую деятельность, связанную с возможностями производства светодиодов и расширением сфер их применения.

2008 год - университет Bilkent (Турция) объявил о достижении яркости люминесцентной эффективности 300 лм/Вт в видимой области света светодиода, построенного на монокристале.

2009 год - исследователи из Кембриджского Университета сообщили, что запустили технологический процесс по выращиванию галлия (GaN) с помощью технологии азотирования для изготовления светодиодов непосредственно на кремнии. Издержки производства могут быть таким образом снижены на 90% при использовании шестидюймовых кремниевых подложек вместо двухдюймовых подложек из сапфира.

2010 год - корпорация Nichia сообщила о разработке экспериментальных светодиодов, которые, благодаря нескольким усовершенствованиям в конструкции и материалах, позволили ученым сделать большой шаг вперёд в повышении КПД источников света. Один из разработанных светодиодов, при токе 5 мА показал рекордную эффективность — 265 лм/Вт, что уже очень близко к теоретическому пределу для белых светодиодов, который японские учёные оценивают в 260–300 люмен на ватт. Для сравнения: обычные лампы накаливания выдают 13–17 лм/Вт, а люминесцентные светильники — 50–90. Японские ученые планируют продолжать эксперименты, будучи уверенными в том, что резервы для повышения КПД ещё есть. И хотя нынешние рекордные образцы светодиодов слишком дороги для массового выпуска, в будущем цены должны снизиться, — обещают исследователи из Nichia.

На сегодняшний день светодиодные модули повсеместно применяются для подсветки рекламных объектов (баннеры, витрины, лайтбоксы и пр.). Кроме того, считается модным и престижным применение светодиодов в ландшафтном дизайне, а также в дизайне интерьеров и для декоративной подсветки зданий. Cветодиодные лампы – прекрасная альтернатива обычным лампам накаливания. Они уже достаточно широко используются в уличном освещении. Началось их активное внедрение во внутреннем общем освещении. Несколько лет назад появилась возможность использовать светодиоды в лампочках с привычными размерами цоколя (E-27, MR-16). Кроме того, светодиодные лампы, благодаря возможности энергосбережения, пользуются огромной популярностью в тех случаях, когда необходимо оригинальное нестандартное освещение.

gisee.ru

Светодиод: принцип работы. История создания светодиода

Как работает светодиод

Светодиод или светоизлучающий диод — это в первую очередь диод, то есть электронное устройство с двумя выводами (или электродами), которое позволяет току в электрической цепи течь только в одном направлении — от одного электрода, называемого катодом, к другому — аноду. Но никак не наоборот. Основа современных светодиодов — кристалл кремния, являющийся полупроводником. Так что светодиод, выходит, к тому же не просто так диод, а полупроводниковый. Дело в том, что когда-то давно первые диоды были совсем не такими, а больше похожими на лампы. Фактически они и являлись лампами.

Внутри у диода имеются два слоя полупроводника, и оба вывода — анод и катод — подключены каждый к своему слою, которые называются p (от слова positive — положительный) и n (от слова negative — отрицательный).

В слое n имеется много свободных электронов — отрицательно заряженных частиц, а слой p богат дырками. Да, именно так в электронике принято называть положительно заряженные ионы.

Интерфейс между этими слоями называется p-n-переходом или электронно-дырочным переходом. Там и происходит весь экшн. У кучи электронов появляется непреодолимое желание воссоединиться с многочисленными дырками, которое они тут же немедленно реализуют.

Свет — людям, дырки — электронам

Как светодиод излучает свет

Свойства и характеристики диода можно изменять, добавляя в полупроводник различные примеси и назвав этот процесс благородным словом «легирование». Именно так можно заставить диод не просто работать как клапан, а излучать видимый свет или невидимый — инфракрасный и ультрафиолет. Или даже вовсе ничего не излучать, а, наоборот, — реагировать на свет. Такой нетрадиционный светодиод называется фотодиодом.

Например, чтобы переключить канал, вы нажимаете кнопку на пульте, инфракрасный светодиод которого посылает луч на фотодиод телевизора.

История создания светодиода

Как мы уже говорили, диоды используются очень давно — с конца XIX века, когда они еще представляли собой тускло светящиеся стеклянные колбы. Но первый полупроводниковый диод, излучаюший видимый свет, появился только в 1962 году. Свет был красным. Через пять лет он стал зеленым, а еще желтым и оранжевым. Для получения белого света не хватало только нормального синего светодиода. Не хватало еще очень долго — первый успешный образец светодиода, светящего синим светом, был продемонстрирован только в 1993 году.

Нобелевская премия за синий светодиод

В 2014 году трое ученых — Исаму Акасаки (Isamu Akasaki), Хироси Амано (Hiroshi Amano) и Сюдзи Накамура (Shuji Nakamura) — разработавших первый синий светодиод, были удостоены Нобелевской премии по физике. Хоть их изобретение было достаточно сложным для массового производства, оно открыло человечеству дверь в новую эру в истории освещения.

lmplus.ru

Кто изобрел светодиод и как он работает

Интересные факты о светодиодах

Светодиод изобрел Олег Лосев

Олег Лосев

Еще в 1907 году было впервые отмечено слабое свечение, испускаемое карбидокремниевыми кристаллами вследствие неизвестных тогда электронных превращений. В 1923 году наш соотечественник, сотрудник Нижегородской радио-лаборатории Олег Лосев отмечал это явление во время проводимых им радиотехнических исследований с полупроводниковыми детекторами, однако интенсивность наблюдаемых излучений была столь незначительной, что Российская научная общественность тогда всерьез не интересовалась этим феноменом.

Через пять лет Лосев специально занялся исследованиями этого эффекта и продолжал их почти до конца жизни (О.В. Лосев скончался в блокадном Ленинграде в январе 1942 года, не дожив до 39 лет). Открытие «Losev Licht», как назвали эффект в Германии, где Лосев публиковался в научных журналах, стало мировой сенсацией. И после изобретения транзистора (в 1948 году) и создания теории p-n-перехода (основы всех полупроводников) стала понятна природа свечения.

В 1962 году американец Ник Холоньяк продемонстрировал работу первого светодиода, а вскоре после этого сообщил о начале полупромышленного выпуска светодиодов.

Светодиод (англ. light emission diode – LED) является полупроводниковым прибором, его активная часть, называемая «кристалл» или «чип», как и у обычных диодов состоит из двух типов полупроводника – с электронной (n-типа) и с дырочной (p-типа) проводимостью. В отличие же от обычного диода в светодиоде на границе полупроводников разного типа существует определенный энергетический барьер, препятствующий рекомбинации электронно-дырочных пар. Электрическое поле, приложенное к кристаллу, позволяет преодолеть этот барьер и происходит рекомбинация (аннигиляция) пары с излучением кванта света. Длина волны излучаемого света определяется величиной энергетического барьера, который, в свою очередь, зависит от материала и структуры полупроводника, а также наличия примесей.

Значит, прежде всего, нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного p-n-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.

Как устроен светодиод

Основные современные материалы, используемые в кристаллах светодиодов:

InGaN — синие, зеленые и ультрафиолетовые светодиоды высокой яркости;
AlGaInP — желтые, оранжевые и красные светодиоды высокой яркости;
AlGaAs — красные и инфракрасные светодиоды;
GaP — желтые и зеленые светодиоды.

Кроме светодиодов лампового типа (3, 5, 10 мм, их форма действительно напоминает миниатюрную лампочку с двумя выводами), в последнее время все большее распространение получают SMD — светодиоды. Они совершенно иной конструкции, отвечающей требованиям технологии автоматического монтажа на поверхность печатной платы (surface mounted devices – SMD).

А сверхяркие светодиоды такого типа называются эммитеррами (emitter, англ. «излучатель»).

SMD светодиоды имеют более компактные размеры, допускают автоматическую расстановку и пайку на поверхность платы без ручной сборки. Некоторые производители светодиодов выпускают специальные SMD-диоды, содержащие в одном корпусе три кристалла, излучающие свет трех основных цветов – красный, синий и зеленый. Это позволяет получить при смешении их излучения всю цветовую гамму, включая белый цвет, при ультракомпактных размерах.

Яркость светодиода характеризуется световым потоком (Люмены) и осевой силой света (Кандела), а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучающих в телесном угле от 4 до 140 градусов.

Цвет, как обычно, определяется координатами цветности, цветовой температурой белого света (Кельвин), а также длиной волны излучения (нанометры).

Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности (характеристика «Люмен/Ватт»).

Также интересной характеристикой оказывается цена одного люмена ($/Люмен).

Итак, любой светодиод состоит из одного или нескольких кристаллов, размещенных в корпусе с контактными выводами и оптической системы (линзы), формирующей световой поток. Длина волны излучения кристалла (цвет) зависит от материала полупроводника и от легирующих примесей. Биновка (wavelength bin) кристаллов по длине волны излучения происходит при их изготовлении. В партии поставки на современном производстве отбираются близкие по спектру излучения кристаллы.

Широкий диапазон оптических характеристик, миниатюрные размеры и гибкие возможности по дискретному управлению обеспечили применение светодиодов для создания самых различных световых приборов и изделий. Светодиод излучает в узкой части спектра, на определенной длине волны его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры.

Срок службы светодиодов

Основная характеристика надежности светодиодов – срок их службы. В процессе эксплуатации возможны две ситуации: световой поток излучателя либо частично уменьшился, либо вовсе прекратился. Срок службы отражает эти факты: различают полезный срок службы (пока световой поток не упадет ниже определенного предела) и полный (пока прибор не выйдет из строя).

Срок службы напрямую зависит от типа светодиода, подаваемого на него тока, охлаждения кристалла (chip) светодиода, состава и качества кристалла, компоновки и сборки в целом.

Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче чем у маломощных сигнальных. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.

Очевидно, например, что в светодиодах мощностью от 1 Вт (рабочий ток 0,350 А) и более мощных, тепловыделение гораздо обильнее, чем в светодиодах типа «5 мм», рассчитанных на ток 0,02 А. По светоотдаче 1 светодиод мощностью 1 Вт заменяет около 50 светодиодов типа «5 мм», но и греется сильнее. Поэтому светодиодные сборки с мощными светодиодами требуют пассивного охлаждения (монтаж на MCPCB плату (печатная плата на металлической основе) и радиатор).

Средний срок службы

5 мм -LED и SMD-LED:

• белый до 50000 ч. с падением светового потока до 35% в течении первых 15000 ч. • синий, зеленый до 70000 ч. с падением светового потока до 15% в течении первых 25000 ч. • красный, желтый до 90000 ч. с падением светового потока незначительно.

HI-POWER LED от 1 Вт и выше:

• белый до 80000 ч. с падением светового потока до 15% в течении первых 10000 ч. • синий, зеленый до 80000 ч. • красный, желтый до 80000 ч.

Почему же у белых светодиодов наименьший срок службы ?

К сожалению, структур, излучающих белый свет, никто еще не придумал. Основой диода белого цвета является структура InGaN, излучающая на длине волны 470 нм (синий цвет) и нанесенный сверху на нее люминофор (специальный состав), излучающий в широком диапазоне видимого спектра и имеющий максимум в его желтый части. Человеческий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет. Люминофор ухудшает тепловые характеристики светодиода, поэтому срок службы сокращается. Сейчас мировые производители изобретают новые и новые варианты эффективного нанесения люминофора.

Большинство сверхярких светодиодов служат в районе 50000 — 80000 часов. Много это или мало?

50000 часов — это:

24 часа в день 5.7 лет 18 часов в день 7.4 лет 12 часов в день 11.4 лет 8 часов в день 17.1 лет

Светодиоды греются

Многие считают, что светодиоды практически не греются. Так почему светодиодным приборам нужен теплоотвод и что будет, если теплоотвода нет?

Светодиоды продуцируют тепло в полупроводниковом переходе. И чем мощнее LED, тем больше тепла. Конечно, индикаторные светодиоды, например, датчики автосигнализаций сильно не греются. Но со сверхяркими LED они имеют мало общего. Если мощные светодиоды объединены в некую сборку, да еще и установлены в герметичный корпус, то нагрев становится значительным.

И если не происходит отвод тепла, полупроводниковый переход перегревается, отчего изменяются характеристики кристалла, и через некоторое время светодиод может выйти из строя. Так что очень важно строго контролировать количество тепла и обеспечивать эффективный теплоотвод.

Как реагирует светодиод на нагрев

Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй — световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.

Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у красных и желтых светодиодов, и меньше у зеленых, синих и белых.

Источник: сайт НПО РоСАТ

Общая оценка материала: 5

Оценка незарегистрированных пользователей за сегодня:

[Total: 0 Average: 0]

sneg5.com

История возникновения и развития светодиодной технологии. История создания светодиодов

История светодиода

Кто изобрел светодиод и светодиодные лампы?

История создания светодиодов

Изобретение светодиодной лампы

Что такое светодиод? История развития, интересные факты, перспективы

Что такое светодиод?

История развития светодиода

Яркость светодиода

Основные типы светодиодов

Долговечность и старение светодиодов

Сфера применения светодиодов. Перспективы развития.

История возникновения и развития светодиодной технологии

Светодиод: принцип работы. История создания светодиода

Как работает светодиод

Как светодиод излучает свет

История создания светодиода

Нобелевская премия за синий светодиод

Кто изобрел светодиод и как он работает

Интересные факты о светодиодах

Светодиод изобрел Олег Лосев

Как устроен светодиод

Срок службы светодиодов

Средний срок службы

Почему же у белых светодиодов наименьший срок службы ?

Светодиоды греются

Как реагирует светодиод на нагрев

1. История создания светодиодов и область применения. Светодиоды, их основные параметры и характеристики

Похожие главы из других работ:

3. Область применения

История создания полевых транзисторов

История создания

2.5 Область применения

1.1 История создания сети Интернет

4.2.1 История создания

1.3 Область применения

1.1 История создания полевых транзисторов

3.3 Область применения

1.3 История создания и развития лазерной технологии

3. Область применения

1.1 Наименование, область применения, цель создания информационно-справочной подсистем САПР конструкторско-технологического назначения

1.1 Наименование, область применения, цель создания информационно-справочной подсистем САПР конструкторско-технологического назначения

1. История создания подразделений связи МВД

1.1 Цели и история создания технологии ISDN