Содержание
| Светодиод | |
|---|---|
 |
|
| Тип | Активный электронный элемент |
| Принцип работы | Электролюминесценция |
| Изобретён | Генри Раунд [en] (1907) Олег Лосев (1927) Ник Холоньяк (1962) |
| Впервые создан | 1962 |
| Символьное обозначение |  |
| Пин конфигурация | анод и катод |
Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД; англ. light-emitting diode, LED ) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.
Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра. Иными словами, его кристалл изначально излучает конкретный цвет (если речь идёт о СД видимого диапазона) — в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, где нужный цвет можно получить лишь применением внешнего светофильтра. Диапазон излучения светодиода во многом зависит от химического состава использованных полупроводников.
Содержание
Принцип работы [ править | править код ]
При пропускании электрического тока через p-n-переход в прямом направлении носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой [1] ).
Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа A III B V (например, GaAs или InP) и A II B VI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).
Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. Советский жёлтый светодиод КЛ 101 на основе карбида кремния выпускался ещё в 70-х годах, однако имел очень низкую яркость. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.
История [ править | править код ]
Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом [en] из Маркони Лабс [en] . Раунд впервые открыл и описал электролюминесценцию, обнаруженную им при изучении прохождения тока в паре металл — карбид кремния (карборунд, SiC), и отметил жёлтое, зелёное и оранжевое свечение на катоде.
Эти эксперименты были позже, независимо от Раунда, повторены в 1923 году О. В. Лосевым, который, экспериментируя в Нижегородской радиолаборатории с выпрямляющим контактом из пары карборунд — стальная проволока, обнаружил в точке контакта двух разнородных материалов слабое свечение — электролюминесценцию полупроводникового перехода (в то время понятия «полупроводниковый переход» ещё не существовало). Это наблюдение было опубликовано, но тогда весомое значение этого наблюдения не было понято и потому не исследовалось в течение многих десятилетий.
Лосев показал, что электролюминесценция возникает вблизи спая материалов [2] . Теоретического объяснения явлению тогда не было. Лосев вполне оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать малогабаритные твёрдотельные (безвакуумные) источники света с очень низким напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Им были получены два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.) [3]
В 1961 году Джеймс Роберт Байард (англ.) русск. и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли технологию инфракрасного светодиода на основе арсенида галлия (GaAs). После получения патента в 1962 году началось их промышленное производство.
Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в Университете Иллинойса для компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд (англ.) русск. , изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. В 1976 году Т. Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, специально адаптированный к передаче данных по волоконно-оптическим линиям связи.
Светодиоды оставались чрезвычайно дорогими вплоть до 1968 года (около $200 за штуку), их практическое применение было ограничено. Исследования Жака Панкова в лаборатории RCA привели к промышленному производству светодиодов; в 1971 году им был получен первый синий светодиод [4] [5] . Компания «Монсанто» была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компании «Хьюллет-Паккард» удалось использовать светодиоды в своих ранних массовых карманных калькуляторах.
В середине 1970-х годов в ФТИ им. А. Ф. Иоффе группой под руководством Жореса Алфёрова были получены новые материалы — полупроводниковые гетероструктуры, в настоящее время применяемые для создания лазерных и светодиодов [6] [7] . После этого началось серийное промышленное производство светодиодов. Открытие было удостоено Нобелевской премий в 2000 году [8] . В 1983 году компания Citizen Electronics первой разработала и начала производство SMD-светодиодов, назвав их CITILED [9] .
В начале 1990-х Исама Акасаки, работавший вместе с Хироси Амано в университете Нагоя, а также Сюдзи Накамура, работавший в то время исследователем в японской корпорации «Nichia Chemical Industries», изобрели технологию изготовления синего светодиода (LED). За открытие дешевого синего светодиода в 2014 году им троим была присуждена Нобелевская премия по физике [10] [11] . В 1993 году Nichia начала их промышленный выпуск, а в 1996 начала выпуск белых светодиодов [12] .
Синий светодиод, в сочетании с зелёным и красным, дает белый свет с высокой энергетической эффективностью, что позволило в дальнейшем создать, среди прочего, светодиодные лампы и экраны со светодиодной подсветкой. В 2003 году, компания Citizen Electronics первой в мире произвела светодиодный модуль по запатентованной технологии непосредственно вмонтировав кристалл от Nichia на алюминиевую подложку с помощью диэлектрического клея по технологии Chip-On-Board.
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.
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.