ГлавнаяСтатьиЧто представляют собой светодиоды? Как их изобрели и где используют?

Что представляют собой светодиоды? Как их изобрели и где используют?

Светодиод (от слов «светоизлучающий диод») – это полупроводниковое устройство, световое излучение которого возникает за счет преобразования электрического тока. Англоязычное обозначение, используемое не только специалистами, – LED (сокращение, образованное от Light emitting diode).

История разработки, вклад в нее ученых разных стран мира

Считается, что в основу разработки светодиода легли работы американского ученого Генри Джозефа Раунда, открывшего в начале прошлого века явление электролюминесценции, возникающей при прохождении тока через различные материалы. Несколько позже, в 20-х годах, аналогичное свечение в своих независимых опытах воспроизвел Олег Владимирович Лосев, советский физик. Открытие было зафиксировано, но многие годы оставалось непонятным, работы не получили продолжения. Только спустя десятилетия, в 1961 году, сотрудники Texas Instruments (США) Роберт Байард и Гари Питтман добились значительных результатов, изобретя инфракрасный светодиод. Чуть позже, в следующем году, появился полупроводниковый прибор, испускающий красный свет видимого диапазона. Это произошло благодаря американскому изобретателю и ученому Нику Холоньяку, работавшему в компании General Electric (США).

Первые светодиоды, разработанные во второй половине прошлого века, излучали достаточно слабый световой поток желтого, желто-зеленого, красного цвета и использовались только в качестве элементов индикации. Их применяли в приборах, информационных табло, некоторых технических устройствах. Хотя белый и синий свет оставались недостижимыми, годовой объем мирового производства светоизлучающих полупроводников в конце 80-х годов составлял уже несколько десятков миллиардов штук.

В 70-х годах профессором Жаком Панковым (IBM, США) был создан голубой светодиод на основе сапфира и нитрида галлия, но его посчитали слишком дорогим и неярким. Работы над полупроводниковым устройством не были продолжены. Прорыв в исследованиях, не догадываясь об этом, обеспечили японские ученые Исаму Акасаки и Хироши Амано. Их опыты помогли Шуджи Накамура (Nichia Chemical, Япония) получить в начале 90-х годов голубой светодиод. В конце XX века синие, зеленые, а затем и белые светодиоды стали выпускаться промышленным способом.

В 2000 году за разработку гетерогенных структур (используются при производстве светодиодов для обеспечения множества p-n-переходов), была присвоена Нобелевская премия российскому ученому Жоресу Алферову.

Белые светодиоды значительной мощности появились в начале XXI века (они были разработаны в компании Lumileds, созданной корпорациями Hewlett Packarg (США) и Philips (Нидерланды).

Устройство, принцип действия

Основная часть светодиода – полупроводниковый кристалл, размещенный на специальной подложке. В традиционном варианте изготовления она устанавливается в корпус с двумя выводами (анодом и катодом), который закрывается пластиковой линзой, концентрирующей оптическое излучение. Часто в качестве корпуса используется литая прозрачная оболочка из пластика. Мощные светодиоды выпускаются по иным технологиям, лучше обеспечивающим отведение выделяемого в процессе работы тепла.

Испускание света кристаллом образуется под воздействием электрического тока при рекомбинации электронов и дырок в месте контакта (p-n-переходе) двух материалов с различным типом проводимости. Излучение может находиться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой части спектра, в зависимости от химического состава полупроводников.

Обычно для производства желтых и красных светодиодов используют арсенид галлия, а для синих и зеленых – нитрид галлия. Белый свет получают за счет смешения трех цветов. Достигается это применением:

  1. - матрицы из красного, голубого и зеленого светодиодов со смешиванием по технологии RGB
  2. - ультрафиолетового светодиода с нанесенным на него люминофором, излучающим красный, голубой и зеленый свет
  3. - голубого светодиода с люминофором, излучающим зеленый и красный свет

Необходимая сила свечения обеспечивается за счет внесения в состав кристалла специальных добавок или создания многослойной структуры, содержащей множество p-n-переходов.

Особенности использования светодиодов

Для работы обычному светодиоду необходимо постоянное напряжение 2 4 В и сила тока до 50 мА. Если полупроводниковый прибор предназначен для освещения, а не индикации, ему может понадобиться ток в несколько сотен миллиампер.

Подключение светодиодов, чтобы не допустить их выхода из строя, выполняют с обязательным соблюдением полярности.

Стандартное электропитание жилых и производственных помещений не подходит для работы устройств на светодиодах, переменный ток необходимо преобразовать в постоянный.

Конструктивная особенность светодиодов – существенное изменение силы тока при незначительных отклонениях напряжения питания. Если ток, проходящий через прибор, не стабилизировать, яркость светового излучения будет меняться. Кроме того, превышение силой тока допустимого предела вызывает повышенный нагрев, что снижает срок службы устройства.

Яркость светодиода легко регулируется с помощью широтно-импульсной модуляции тока, подаваемого на него управляющим устройством. При этом цветовая температура света, в сравнении с обычной лампой накаливания, практически не меняется.

Светодиоды устанавливаются во многие устройства как поодиночке, так и группами, в виде модулей. LED-сборки организуются на специальных печатных платах, имеющих общие контакты для подведения электропитания. Такие модули могут иметь прямоугольную, овальную или какую-либо иную форму, продиктованную особенностями конструкции готового изделия. Часто сборки заливают специальным полимерным материалом (компаундом), защищающим ее элементы от внешних воздействий. Если светодиоды соединяются последовательно, подается суммарное напряжение (как правило, при разработке модуля его конструкцию рассчитывают таким образом, чтобы оно составило 12 или 24 В).

Применение светодиодов

Использование светодиодов началось в качестве элементов индикации, размещаемых в различном оборудовании. Постепенно, по мере увеличения яркости свечения и расширения цветового диапазона излучения, область применения этих полупроводниковых устройств расширилась. Светодиоды появились в мониторах и телевизорах, мобильных телефонах, рекламных конструкциях, автомобилях, светофорах, оптоволоконных системах, бытовых устройствах, осветительных приборах.

Из модулей, содержащих светоизлучающие полупроводники, а также элементы коммутации и управления, собирают сложные матричные информационные экраны (в том числе очень большие, сотни метров длиной). Самый малый элемент изображения (пиксел) в таких табло может быть создан разным количеством светодиодов (от одного до нескольких десятков).

Благодаря компактности, низкому потреблению электроэнергии светодиоды стали использовать в информационных знаках, в качестве источников аварийного или дежурного освещения, а также для подсветки элементов интерьера. Специалисты оценили качество света, излучаемого светодиодами, способность такого освещения не искажать цветопередачу, и стали применять новые светильники в художественных галереях, витринах магазинов.

Появление светодиодной ленты открыло для дизайнеров огромные возможности по световому и цветовому оформлению помещений. Осветительное устройство оказалось настолько простым в монтаже, что его установку можно выполнить самостоятельно, без привлечения специалистов. Многие производители снабжают ленту самоклеящимся слоем, позволяющим ее разместить на стенах или мебели, выделить с ее помощью привычные детали интерьера или организовать подсветку конкретной зоны. Немаловажно, что такое освещение практически не излучает тепло (как это свойственно лампам накаливания, которые значительно нагреваются). Это может быть существенным при наличии в помещении легковоспламеняющихся или ценных (антикварных) предметов. Установка управляющих контроллеров обеспечивает дополнительный комфорт, давая возможность регулировать яркость освещения или его цвет.

Для тех, кто хочет в квартире, доме или производственном помещении сохранить светильники, рассчитанные на применение ламп накаливания, конструкторы разработали специальные светодиодные устройства. Внешне они похожи на обычные лам