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.
Синий светодиод — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Синий светодиодСи́ний светодио́д — светоизлучающий оптоэлектронный полупроводниковый прибор с синим цветом свечения.
Задача состояла в разработке недорогих светодиодов, основанных на полупроводниках с большой шириной запрещённой зоны, поскольку энергия излучаемых фотонов, возникающих при рекомбинации электронов и дырок, зависит именно от этой величины. Полупроводниками с большой шириной запрещённой зоны являются карбид кремния, соединения элементов II и IV группы таблицы Менделеева и нитриды элементов III группы. Однако у светодиодов на основе карбида кремния оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения. У светодиодов на основе оксида цинка было слишком большое сопротивление, из-за этого они перегревались. Наиболее перспективными материалами были нитрид галлия, нитрид алюминия и нитрид индия, а также их тройные соединения.
Первый синий светодиод был создан ещё в 1971 в компании RCA. Его разработал Жак Панков[1], создавший светодиод на основе нитрида галлия.[2]
Первые промышленные синие светодиоды на основе карбида кремния серийно выпускались в 1980-х годах[3], в том числе и в СССР. Однако их яркость была весьма невелика, поэтому они не получили существенного распространения.
В конце 1980-х годов Исаму Акасаки и Хироси Амано в университете Нагойи создали синие светодиоды на основе нитрида галлия, усовершенствовав метод эпитаксиального выращивания кристалла. В начале 1990-х годов японский инженер Сюдзи Накамура, работавший в то время на японскую корпорацию «Nichia Chemical Industries», создал технологию промышленного выращивания синих и зелёных светодиодов, применив жёлто-зелёные люминофоры на основе алюмо-иттриевых гранатов для покрытия синих светодиодов и создания светодиодов белого свечения. «Nichia Chemical Industries» выплатила Накамуре денежную премию, в то время эквивалентную 2000 долларов США. Изобретатель же посчитал, что его изобретение оценили недостаточно. Он обратился в суд и отсудил у «Nichia Chemical Industries» сумму в японских йенах, эквивалентную 7 млн долларов США.
К 1993 году компании «Nichia» удалось начать промышленный выпуск синих светодиодов нового типа. К 2002 году доля производства синих светодиодов у компании возросла до 60 процентов от общего объёма производства.
На этом же принципе удалось создать ультрафиолетовые светодиоды.
В 2014 году за создание синих светодиодов японцам Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамуре (гражданин США) присуждена Нобелевская премия по физике[4].
Помимо расширения спектра дискретных индикаторов и создания полноцветных светодиодных панелей, изобретение недорогих синих светодиодов открыло путь к созданию и успешному коммерческому применению белых светодиодов на основе частичного переизлучения голубой части спектра в свет с бо́льшими длинами волн (жёлтый, красный) при помощи люминофоров — наиболее перспективных на сегодня источников белого света для освещения.
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
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.
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.
История создания светодиода О.В. Лосевым в 1923 году
Светодиод был открыт радиотехником Олегом Владимировичем Лосевым в 1923 году, который случайно заметил, что этот элемент, используемый в радиоаппаратуре, излучает свет, когда через него проходит электроток. К сожалению, из-за низкой интенсивности выделяемого излучения российские ученые не проявили к данному феномену никакого интереса и не стали его подробно изучать. Лосев, не встретивший заинтересованности и поддержки от соотечественников, публиковал свои статьи в немецких журналах, где его открытие оценили по достоинству. Уже после смерти ученого его иностранные коллеги смогли вывести теорию «p-n-перехода», объясняющую принцип работы полупроводника.
Привычный нашему глазу светодиод был впервые продемонстрирован группой американских ученых во главе с Ником Холоньяком в 1962 году. В том же году были продемонстрированы красные светодиоды, которые сразу же стали использовать в промышленности.
Полупроводниковые компоненты зеленого и желтого цвета появились только через десять лет после открытия красных. Создать синий светодиод было технологически сложно, но именно его недоставало для выпуска диода белого цвета. Только в 1993 году инженер Суджи Накамура презентовал ярко-синий излучатель, что послужило толчком к производству RGB-устройств. Полученные три цвета диодов (Red-Green-Blue) позволили создавать любые цвета (и белый – не исключение).
С каждым годом улучшаются технические характеристики полупроводников. С 2008г. Светодиодные светильники начинают активно использоваться как в бытовых нуждах (лампах, светильниках, бра), так и в уличном освещении. За счет наращивания темпов производства и увеличения конкуренции между производителями цена на них снижается, что благоприятно сказывается на доступности таких устройств широкому кругу потребителей.
Конструкция
Светодиод – это электронный источник света, который работает по принципу трансформации электрического тока в яркое свечение.
В основе светодиода – искусственный кристаллик, в котором реализован р-n-переход. Сам р-n-переход представляет собой место контакта двух металлов с различной проводимостью: «-р» (positive – положительный) и «-n» (negative — отрицательный).
Кристалл помещают в металлическую чашечку (катод), которая по сути является отражателем. От кристалла протягивают золотую нить (анод). Полученную конструкцию заливают полимерной смолой или эластомерным материалом таким образом, чтобы получилась своеобразная защитная колба. В зависимости от ее формы в итоге будет зависеть распределение света: чем выпуклее будет верхняя часть колбы, которая выполняет функции линзы, тем уже будет пучок света и интенсивнее яркость освещения.
Достоинства, которыми обладают устройства со светодиодами:
1) Долгий срок эксплуатации: светодиод служит в 50 раз дольше обычных ламп и в 5 раз дольше энергосберегающих ламп.
2) Значительная экономия электроэнергии: расход в несколько раз ниже, чем у альтернативных источников света. Например, светодиодная лампа потребляет 10 Вт электроэнергии, в то время, как люминесцентным требуется 20 Вт, галогенным – 45, а обычным – 80 — 100.
3) Низкий уровень нагрева. По данному параметру конкуренцию диодам могут составить только люминесцентные лампы. Альтернативные варианты значительную часть электроэнергии тратят на нагрев, то есть помещение в большей степени отапливается, чем освещается.
4) Высокая прочность конструкции. Обычные лампы накаливания, галогенные и люминесцентные лампы можно легко разбить – тонкое хрупкое стекло не выдерживает падения даже с небольшой высоты.
5) Экологичность: при изготовлении не используются токсичные или ядовитые вещества, поэтому не нужно заботиться об особых условиях утилизации.
6) Широкая сфера применения.
Виды светодиодов
Исходя из того, в какой сфере применяются светодиоды, можно выделить два основных вида:
- индикаторные – наиболее дешевые компоненты, выполненные из недорогих материалов, применяемые как составляющие детали бытовой техники, электроники, приборных панелей авто, мониторов и телевизоров,
- осветительные – мощные и яркие устройства, используемые как самостоятельные источники света в бытовых и промышленных осветительных приборах.
По силе света различают три типа полупроводников:
- ультравысокой яркости, насчитывающей сотни кандел,
- высокой, измеряемой тысячами и сотнями милликандел,
- стандартной, где яркость измеряется десятками милликандел.
Показатели яркости диода напрямую зависят от силы тока. Но сам полупроводник имеет определенные ограничения, делающие невозможным прохождение максимально возможной силы тока (это может перегреть и вывести устройство из строя). Этим объясняется высокая цена на светодиодные лампы, сложность и поиск эффективных конструктивных решений негативно влияют на себестоимость этих приборов (на сегодняшний день светодиодные лампы стоят дешевле энергосберегающих ламп).
Срок службы
Длительность эксплуатации полупроводника зависит от нескольких факторов: силы тока, состава и качества кристалла, комплектации и качества сборки в целом. Например, чем выше ток, пропускаемый через устройство, тем сильнее его нагрев и, следовательно, и старение (деградация) кристалла. Поэтому нет ничего удивительного в том, что у маломощных индикаторных диодов срок эксплуатации значительно выше, чем у осветительных.
Еще одним немаловажным фактором, влияющим на срок эксплуатации, является цвет диода. При производстве белых полупроводников используется люминофор, снижающий их тепловые характеристики, что значительно сокращает срок службы.
Сфера применения
- электронные информационные табло, вывески, бегущие строки и другие технические решения визуальной рекламы,
- подсветка элементов и деталей автомобиля (альтернатива неону),
- дизайн интерьера,
- оригинальные решения при проведении архитектурных и ландшафтных работ,
- дорожные знаки, светофоры,
- дисплеи для больших видеоэкранов,
- индикаторы в электроприборах,
Таким образом, можно говорить о повсеместном использовании светодиодов. Наверное, на текущий момент нет ни одной области, где бы они не применялись. Более того, благодаря своим достоинствам полупроводники вытесняют другие типы ламп. Крупнейшие компании, понимая экономичность и экологичность светодиодов, планируют перевести на этот тип освещения свои производственные, складские или офисные помещения либо уже сделали это.
Светодиодные лампы. История и современность. shop220.ru
В настоящее время бешеными темпами набирают популярность светодиодные лампы. С каждым днём они становятся всё более востребованными. Попытаемся разобраться с вопросом о том, чем же так хороши эти источники света? Поговорить об из недостатках, конечно же, тоже забывать не будем. Но для начала немного истории появления светодиодных ламп.
История создания светодиодных ламп
Первое открытие, которое привело к появлению светодиодных ламп, было зафиксировано в 1907г. инженером из Англии Х.Д. Раундом. Причём, сделано это было абсолютно случайно. Раунд заметил, что вокруг детектора, с которым он работал, возникает свечение точечного контакта.
Дальнейшее развитие светодиоды получили в 1922 г. И серьёзно подошел к этому вопросу советский радиолюбитель 18-ти летний Олег Владимирович Лосев, который после многих экспериментов достиг внушительных положительных результатов. К сожалению этот изобретатель погиб в 1942 г. Но он успел получить четыре патента на практическое применение своих изобретений.
На основе «эффекта Лосева» в 1951 г. Курт Леговец, при участии физика В. Шокли, произвёл исследования по эффективным материалам для создания данного источника света. Их работа стала фундаментом новой отрасли – оптоэлектроники, появившейся в 1961 г.
Первые промышленные светодиоды в 1962 г. создал работник компании «Дженерал Электрик» Н. Холоньяк. Это были устройства с желто-зеленым и красным свечением.
В 70 — е годы ХХ века академиком Ж.И. Алфёровым было открыто явление сверхинжекции в гетеростуктурах. Вследствие этого им были разработаны новые полупроводниковые структуры. Исследования в этой области позволило создать целое направление в науке — гетеропереходы в полупроводниках. За свои труды в развитии физики Алфёров со временем был номинирован на Нобелевскую премию, которую и получил.
В 1972 Джоржд Крафорд, который учился у Н. Холоньяка в 10-ки раз усовершенствовал красный и красно-оранжевый светодиод, тем самым открыл их жёлтый аналог.
Чуть позже, в 1993 году Суджи Накамура, работник корпорации «Ничиа», добился высокого значения яркости у светодиода синего цвета, что позволило комбинировать его с другими устройствами и получать оттенки любого света.
В 2000 — х годах «белые» светодиоды имели уже достаточно хорошую степень яркости для того, чтобы выпускать их в массовом количестве для всего сегмента рынка.
Теперь поговорим о современных светодиодных лампах — что они из себя представляют, в чём их особенности, где применяют, какими характеристиками они обладают, об их достоинствах и недостатках.
Светодиодная лампа — это многокомпонентный прибор, при изготовлении которого не используют опасные вещества. За счёт чего он абсолютно безопасен. Конструкция лампы не очень сложная. То, что излучает свет — называют монокристаллом. Устанавливают его в металлической чашечке, которая является отражателем, потом заливают всё пластиком и светодиод готов.
Основной особенностью светодиодов является хорошая экономичность. При потребляемой мощности в 8 — 10 Вт он работает аналогично классической лампы накаливания, обладающей мощностью 100 Вт. Светодиодное устройство компактно, долговечно и способно на очень длительное время работы.
В настоящее время светодиодные лампы активно вытесняют другие источники света, во всех областях, где применяют осветительные приборы. К основным характеристикам данных ламп можно отнести светосилу, мощность и спектр свечения. Рассмотрим вопрос о том, из-за чего светодиод оставляет далеко позади всех своих конкурентов.
Самый главный параметр, который обеспечивает подавляющее превосходство светодиодных ламп над другими источниками освещения — это экономичность и очень низкое энергопотребление. При этом светят подобные лампы не хуже своих аналогов.
К достоинствам светодиодных ламп относятся, также, долговечность работы, точнее длительный срок безотказной службы и отсутствие бьющихся хрупких элементов в их конструкции.
Данные лампы могут прекрасно работать при достаточно низких температурах, но вот высоких температур они боятся, поэтому устанавливать их в бане или сауне не рекомендуется. Светодиодные лампы совершенно не греются и могут использоваться для подсветки каких-либо предметов.
Теперь пришло время упомянуть недостатки светодиодных ламп. Основной причиной, по которой многие люди отказываются от скорейшего перевода всех своих домашних осветительных приборов на работу со светодиодными лампами является достаточно высокая стоимость последних. Но на производственных объектах и в офисных центрах уже давно осуществляют замену старых источников света на эти лампы. Это объясняется тем, что по сравнению с квартирой экономия на энергозатратах в таких масштабах окупает стоимость светодиодных ламп достаточно быстро.
На этом можно подвести определённые итоги. Стоит ли бежать в магазин и закупать светодиодные лампы? Ответ на этот вопрос можно оставить на усмотрение лично каждого. Если не слишком пугает её цена, то установив один раз светодиодную лампу, можно на долго забыть о том, что такое замена сгоревшей лампы. В этом случае останется лишь одна проблема — периодически протирать люстру и светильники от осевшей на них пыли.
И ещё один момент – не стоит приобретать светодиодную лампу, которая была изготовлена неизвестным производителем и продаётся по довольно низкой цене. Ничего хорошего из этой экономии не получится – лампа очень скоро выйдет из строя.
История светодиодных ламп
Светодиодное освещение с каждым годом набирает всё больше популярности, вытесняя из бытового использования лампы накаливания и люминесцентные лампы. Главными критериями, из которого люди выбирают светодиоды, являются низкое энергопотребление и долгий срок службы.
Как всё началось?
А началось всё… с ошибки, в далёком 1907 году. Именно за ошибку в расчётах принял инженер из Англии Генри Раунд свечение вокруг диодного контакта, когда тот находился под напряжением. Исследователь даже не принял этого всерьёз, хотя внёс данный факт в отчёт.
Через полтора десятка физик Лосев из СССР заинтересовался своеобразным свечением, появляющемся на стыке соединения контактов диодов из карборунда. Хотя он не постиг природы феномена, результаты его исследований были опубликованы по всему миру, но не нашли тогда области применения.
Далее были американцы. В середине 20 века Рубином Браунштейном открывает диоды из арсенида галлия, способные к излучению инфракрасных лучей, а Роберт Бьярд с Гари Питманом запатентовали инфракрасный диод. Так как инфракрасные лучи не видны человеку, то использование такого вида освещения не представлялось возможным.
Светодиоды – людям!
Впервые полноценный светодиод, который заработал в видимом диапазоне, был разработан коллективом учёных под руководством «отца светодиодов». Такой эпитет за своё изобретение получил Ник Холоньяк — американский профессор, трудившийся в компании «General Electric» в 1962 году. Однако, эти маломощные светодиоды производили свет только на низких красных частотах спектра.
В 1993 году был создан яркий синий светодиод — это произошло благодаря идее японского учёного Сюдзи Накамура из корпорации «Nichia Corporation».Тогда он выдвинул идею о бытовом применении светодиодного освещения. Существование синих и высокоэффективных светодиодов, привело к разработке первого «белого светодиода», в котором было использовано люминофорное покрытие для частичного преобразования излучаемого синего света, на красные и зелёные частоты, что создавало свет, кажущийся белым. Исаму Акасаке, Хироси Амано и, собственно, сам Накамура в 2014 году получили Нобелевскую премию по физике за то, что изобрели синий светодиод.
Светодиодные лампы сегодня
Начало 2007 года отметилось выпуском первых таких ламп для обыкновенных патронов E27 и E14. Сначала, они имели световой поток всего в 300 лм, что соответствовало бытовой лампе накаливания мощностью 30 Вт, угол рассеивания света — 120 (у ламп накаливания — 330).
С 2010 года светодиодные лампы стали также доступны с тёплым белым светом.
В конце 2011 года было объявлено о том, что фирма «Panasonic» достигла угла рассеивания около 300 градусов, а в 2015 — до 350 градусов. В дополнение к недостаточной яркости для многих задач, сначала они имели голубой («холодный») цвет света, который часто подвергался критике.
С тех пор, на рынке ещё появились волоконные светодиодные лампы, изготовленные с прозрачной стеклянной колбой и смоделированные наподобие привычных нам ламп накаливания с одиночными нитями, но с десятками отдельных светодиодов.
Массовое производство с каждым годом делает светодиодное освещение более доступным всем категориям людей. С 2008 года постепенно стоимость светодиодных ламп упала более чем на 90%.
История появления светодиодных ламп | RUQRZ.COM
Светоизлучающие диоды и электролюминесценция известны более века. Генри Раунд (Henry Round), британский экспериментатор из лаборатории Маркони, в 1907 году впервые обратил внимание на эмиссию света при работе с кристаллами карбида кремния и контактным детектором (диодом). В опубликованном отчете, посвященном этому открытию, отмечалось, что под воздействием электрического возбуждения из кристалла карбида кремния выходил свет. Раунд особенно отмечал тот факт, что при низком напряжении он видел желтоватый свет, а затем, по мере увеличения напряжения, в различных точках разных кристаллов, желтый, зеленый, оранжевый и синий. Однако, после этого, до середины 1920-х годов, никаких работ, относящихся к случайно открытой Раундом электролюминесценции, в печати больше не появлялось.
В это время, русский экспериментатор Олег Лосев успешно создал светодиод после того, как обнаружил, что используемые в радиоприемниках диоды испускали свет при протекании через них электрического тока. В течение последующих лет он исследовал это явление и опубликовал множество работ, описывающих связь спектров излучения с вольтамперными характеристиками диодов. В 1927 Лосев запатентовал «световое реле». Это была первая ссылка на использование светодиодов в целях коммуникации.
И, хотя Раунд и Лосев сдвинули изучение электролюминесценции с мертвой точки, выбранное ими направление дальнейшего движения оказалось бесполезным для практики. Используемый в точечных диодах карбид кремния в то время был полупроводником с непрямой запрещенной зоной, и, как следствие, неэффективным. Производимый им свет, в лучшем случае, был слаб.
В 1955 Рубин Браунштайн (Rubin Braunstein) из Radio Corporation of America сообщил об инфракрасном излучении, генерируемом простыми диодными структурами, сделанными на основе арсенида галлия, антимонида галлия, фосфида индия и сплавов кремний-германий. Спустя несколько лет, исследователи из Texas Instruments Боб Биард и Гари Питтмен (Bob Biard и Gary Pittman) обнаружили, что под воздействием электрического тока арсенид галлия излучает инфракрасный свет. В 1961 году ими был получен первый патент на инфракрасный светодиод.
Отцы-основатели
В начале 1960-х годов Ник Холоньяк (Nick Holonyak) из General Electric занимался исследованиями комбинаций галлия, мышьяка и фосфида в поисках путей создания туннельных диодов с большей шириной запрещенной зоны. При содействии сослуживца д-ра Роберта Холла (Robert Hall), изобретателя арсенид галлиевого лазера, Холоньяк в 1962 году создал лазер с видимым излучением. Вскоре после этого началось коммерческое внедрение первых светодиодов видимого (красного) спектра.
Холоньяк стал профессором Иллинойского университета в 1963 году. Именно там у него учился аспирант М. Джордж Крэфорд (M. George Craford), который в 1972 году изобрел желтый светодиод, а яркость красных и красно-оранжевых сумел увеличить на порядок.
Усилиями Крэфорда и Холоньяка компания Monsanto, в которой ранее служил Крэфорд, смогла впервые организовать массовое производство светодиодов видимого спектра, а также, семисегментных индикаторов на их основе. Первые стали применяться в лабораторном и электронном оборудовании, вторые — в коммерческих приборах, таких как телевизоры, радиоприемники, телефоны, калькуляторы и часы.
Заметно снизить себестоимость производства светодиодов удалось в середине 1970-х компании Fairchild Optoelectronics. Разработчики компании впервые использовали планарную технологию изготовления полупроводниковых кристаллов, изобретенную доктором Жаном Эрни (Jean Hoerni) из фирмы Fairchild Semiconductor. Комбинация этой уникальной, используемой и по сей день, технологии и новых методов упаковки позволила пионеру оптоэлектроники Томасу Брандту (Thomas Brandt) и группе его сотрудников намного снизить производственные затраты и, одновременно, повысить надежность их светодиодов.
В 1976, Т.П. Пиэрсолл (T.P. Pearsall) изобрел уникальный полупроводниковый материал, длина волны излучения которого была специально оптимизирована для передачи по оптоволокну. На базе этого материала им был создан первый сврхяркий высокоэффективный светодиод.
Арсенид галлия-алюминия (GaAlAs) стал широко использоваться как полупроводниковый материал в середине 1980-х годов. Он позволил поднять яркость светодиодов, уменьшить рассеиваемую мощность и повысить гибкость использования за счет появления возможности импульсного питания и мультиплексирования. А это, в свою очередь, расширило список возможных применений светодиодов, добавив в него сканеры штрих-кодов, системы волоконно-оптической связи и медицинское оборудование.
Однако оставались нерешенными некоторые проблемы, связанные с первыми GaAlAs светодиодами, а именно — единственная длина волны излучения (660 нм) и значительная деградация светоотдачи, существенно большая, в сравнении со светодиодами, выпускавшимися по традиционной, на то время, технологии. К 1987 году компания Hewlett Packard усовершенствовала технологию GaAlAs све- тодиодов настолько, что их яркость стала достаточной для замены автомобильных габаритных огней и стоп-сигналов. Это была знаменательная веха в истории светодиодов, когда впервые в светотехнических приложениях появилась возможность замены ламп накаливания светодиодами.
В конце 1980-х — начале 1990-х годов появился и стал использоваться более эффективный полупроводник — фосфид алюминия- галлия-индия (AlGalnP). Благодаря возможности управления шириной запрещенной зоны, новый материал позволил значительно уменьшить деградацию светоотдачи и расширить цветовой диапазон. Отныне зеленые, желтые, оранжевые и красные светодиоды стали изготавливаться по одной и той же технологии.
А что насчет синего?
Теперь недоставало только чистого синего светодиода. Первые эксперименты в попытке создать такой прибор были выполнены Жаком Панковом (Jacques Pankove) в лабораториях RCA в середине 1970-х, однако результаты оказались более чем скромными. Была очевидна необходимость дополнительных исследований.
В конце 1980-х служащие университета Нагои Исаму Акасаки (Isamu Akasaki) и Ироси Амано (Hiroshi Amano) совершили важный прорыв в технологии выращивания эпитаксиальных структур нитрида галлия и легирования p-примесями. Результаты своих исследований они принесли в компанию Nichia Corporation, чтобы в 1993 году, используя нитрид индия-галлия, продемонстрировать первый ярко-синий светодиод. Этим открытием завершилось формирование RGB триады цветов, и потребовалось совсем немного времени, чтобы мы смогли увидеть на улицах полноцветные вывески и экраны.
В 1995 году в лаборатории Кардиффского университета Альберто Барбьери (Alberto Barbieri) занимался проблемами повышения эффективности и надежности высокоэффективных светодиодов, и с успехом продемонстрировал впечатляющие результаты, достигнутые при использовании прозрачных контактов на светодиодах из алюминия-галлия-индия-фосфида/арсенида галлия (AlGalnP/GaAs). Последние достижения в области синих светодиодов, в совокупности с усовершенствованиями, сделанными Барбьери, быстро привели к появлению первых высокоэффективных белых светодиодов, в которых смешение желтого излучения люмино- форного покрытия с синим излучением кристалла дают результирующее свечение, кажущееся белым.
Глядя в будущее
В течение двух последних десятилетий популярность и диапазон использования светодиодов росли экспоненциально. Сегодня, благодаря их эффективности и долгосрочной надежности, с ними связывают главные решения будущего в области светотехники. Но исследования продолжаются, и имеются все признаки того, что мы станем свидетелями новых открытий, которые сделают светодиоды еще более мощными, надежными и дешевыми.
Jeffrey Bausch
