Статьи

История появления светодиодов

Светоизлучающие диоды (LED, СИД) – полупроводниковые диоды, излучающие некогерентный свет узкого спектра. Обычно это небольшие источники света, которые состоят из полупроводникового излучающего слоя и оптики для фокусировки светового луча. 

Традиционно используются для индикации в различных приборах, а в последнее время – и для более мощного освещения, например, в карманных фонарях. Кроме того, применяются для передачи информации и дезинфекции медицинских приборов. 

Впервые о создании твердотельного светодиода сообщалось в 1907 г. от британского учёного Г. Д. Раунда, однако, изобретение не получило практического применения. В 1923 г. русский учёный О. В. Лосев также наблюдал эффект электролюминесценции в карбиде кремния и даже запатентовал «световое реле».

Первые полезные в использовании LED были изготовлены в 1962 г. в «Дженерал Электрик», они имели красный цвет свечения и в конце 1960-х уже были доступны в продаже. С тех пор светодиоды стали использовать взамен маломощных ламп накаливания в самых разных устройствах. Однако, яркости первых красных диодов хватало лишь для индикации и было недостаточно для полноценного освещения. Со временем стали доступными и другие цвета, постепенно увеличивалась мощность. Таким образом, на сегодняшний день в продаже имеется большое разнообразие светодиодов от крошеных до огромных, от инфракрасных до ультрафиолетовых.

Как и обычный диод, СИД состоит из полупроводникового элемента с одним p-n-переходом. Ток легко протекает только из p-области (анод) в n-область (катод), но не наоборот. Носители заряда – электроны и дырки – переходят в область p-n-перехода с электродов, имеющих разный потенциал. Когда электрон встречается с дыркой, он переходит на более низкий энергетический уровень, испуская энергию в виде фотона.

Развитие светодиодов началось с инфракрасных и красных приборов, изготовляемых из арсенида галлия. С развитием науки стало возможным создать светодиоды, излучающие свет большей частоты, имеющие разнообразные света и оттенки. Синие LED, например, изготавливаются на основе нитрида галлия, зелёные – фосфида галлия.
Объединив свет синего, зелёного и красного диода, получают белый цвет. Этот принцип используется в различных светодиодных панелях, где необходимо динамическое создание широкого спектра оттенков. Большинство же обычных белых LED – это модифицированные синие: слой, излучающий синий цвет, покрыт сверху жёлтым люминофором. После смешивания получается цвет, близкий к белому. Другая технология – нанесение на поверхность полупроводника, излучающего в ультрафиолетовой части спектра, слоёв синего, зелёного и красного люминофора. После смешивания также получается белый цвет, близкий к свету люминесцентных ламп.
Большинство светодиодов разработаны для работы с мощностью не более 30-60 мВт, хотя в последние года появляются LED и мощностью больше 1 Вт. Такие диоды имеют более крупный полупроводник, расположенный на металлическом основании для отвода тепла.

Одно из преимуществ использования светодиодного освещения – это его экономичность. Например, белые LED (18-25 лм/Вт) намного экономичнее ламп накаливания (12-15 лм/Вт), однако пока что проигрывают по этому показателю люминесцентным лампам (60-100 лм/Вт). Недавно были представлены белые светодиоды со световой эффективностью 65 лм/Вт, в разработке – 130-150 лм/Вт!

Самый частый тип порчи LED – медленное уменьшение светового потока со временем. Однако, нередко встречаются перегорания из-за повышенной силы тока или чрезмерно высокого обратного напряжения на выводах светодиода. Люминофор белых диодов со временем деградирует, уменьшая световой поток. Также линзы некоторых LED могут мутнеть под действием ультрафиолетовых лучей, что делает невозможным их использование на улице. В то же время, корпус светодиодов очень прочен, в отличие от других источников света, механически разрушить его непросто.
СИДы могут работать только при правильной полярности. Из-за того, что у диодов ток с увеличением напряжения растёт экспоненциально, небольшое изменение напряжения влечёт значительное изменение силы тока. А, значит, сильно меняется и световой поток. Поэтому при питании светодиодов рекомендуется стабилизировать ток, а не напряжение. Для ограничения тока можно использовать резистор, хотя это и несколько уменьшает КПД. При этом возможно соединять несколько LED последовательно с одним резистором. Более прогрессивный метод для питания светодиодов – использование специальных микроконтроллеров (драйверов).