Синий светодиод — история которую нужно знать

Вступление

Исаму Акасаки, Хироши Амано и Сюдзи Накамура (Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, Shuji Nakamura) награждены за изобретение нового экономичного и экологически чистого источника света – синий светодиод (blue light-emitting diode – LED). Премия имени Альфреда Нобеля присуждается за изобретение, принесшее наибольшую пользу человечеству. С помощью синих светодиодов и светодиодных ламп у нас теперь есть более долговечные и более эффективные альтернативы старым источникам света.

Когда Акасаки, Амано и Накамура в начале декабря прибыли в Стокгольм для участия в церемонии вручения Нобелевской премии, они вряд ли не заметили, что свет от их изобретения светится практически во всех окон города. Белые светодиодные лампы экономичны, долговечны и излучают яркий белый цвет. Более того, в отличие от люминесцентных ламп, они не содержат ртути.

До изобретения красные и зеленые светодиоды были у нас почти полвека, но синий свет был недоступен. Изобретение синего светодиода произвело настоящую революцию в технологии освещения. Только триада красного, зеленого и синего смогла произвести белый свет, пригодный для освещения.

История синего светодиода

Синий свет оставался проблемой в течение трех десятилетий.

Акасаки работал с Амано в Университете Нагоя, а Накамура работал в небольшой компании Nichia Chemicals, расположенной в Токусиме на острове Сикоку.

Когда они получили ярко-синий свет от своих полупроводников, ворота открылись для фундаментального преобразования технологии освещения. Лампочки накаливания озарили 20 век, 21 век озарился светодиодными лампами.

Экономия энергии и ресурсов

Светодиод состоит из ряда слоистых полупроводниковых материалов. В светодиодах электричество напрямую преобразуется в световые частицы – фотоны. Это приводит к повышению эффективности по сравнению с другими источниками света. В них большая часть электрической энергии преобразуется в тепло и лишь небольшое количество – в свет.

В лампах накаливания и в галогенных лампах электрический ток нагревает проволочную нить, заставляя ее светиться.

В люминесцентных лампах (их ранее называли энергосберегающими лампами, но с появлением LED ламп, такое название утратило смысл) возникает газовый разряд, создающий и тепло, и свет.

Новые светодиоды требуют меньше энергии для излучения света по сравнению со старыми источниками света.

Кроме того, они постоянно совершенствуются, становятся более эффективными за счет увеличения светового потока (измеряется в люменах) на единицу входной электрической мощности (измеряется в ваттах).

Светодиоды более долговечны, чем другие лампы. Лампы накаливания служат около 1000 часов, за это время (если нить накала не стряхнут) тепло разрушает нить накала. Люминесцентные лампы служат около 10 000 часов, могут служить 100 тысяч часов и это значительно снижает расход материалов.

Как работает синий светодиод

Светодиодные технологии это технологии полупроводников основанных на квантовых явлениях. Светодиод состоит из несколько слоев: слой n-типа с избытком отрицательных электронов и слой p-типа с недостаточным электронов, также называемый слоем с избытком положительных дырок.

Между ними находится активный слой, по которому движутся отрицательные электроны и положительные дырки, когда к полупроводнику прикладывается электрическое напряжение. Когда электроны и дырки встречаются, они рекомбинируют и создаётся свет.

Длина волны света полностью зависит от полупроводника. Синий свет появляется на коротковолновом конце спектра и получить его можно только из некоторых материалов.

Первое сообщение об излучении света полупроводником было написано в 1907 году Генри Дж. Раундом, сотрудником Гульельмо Маркони, лауреата Нобелевской премии 1909 года. Позже, в 1920-х и 1930-х годах, в

В Советском Союзе Олег В. Лосев более подробно изучил световое излучение. Однако Раунду и Лосеву не хватало знаний, чтобы по-настоящему понять это явление. Потребовалось несколько десятилетий, прежде чем были созданы предпосылки для теоретического описания этой так называемой электролюминесценции.

Красный светодиод был изобретен в конце 1950-х годов. Они использовались, например, в цифровых часах и калькуляторах или в качестве индикаторов включения/выключения в различных устройствах. На раннем этапе было очевидно, что для получения белого света нужен синий светодиод – светодиод с короткой длиной волны излучающий высокоэнергетические фотоны. Многие лаборатории пытались его сделать, но безуспешно.

Сложная конвенция

Лауреаты бросили вызов установленным истинам, они много работали и шли на значительный риск. Они построили свое оборудование, изучили технологию и провели тысячи экспериментов. Сначала они терпели неудачи, но не отчаивались.

Ими был опробован нитрид галлия. Вначале это материал считался подходящим для получения синего света, но практические трудности оказались огромными. Вырастить кристаллы нитрида галлия достаточно высокого качества никому не удавалось. Кроме того, создать в этом материале слои p-типа было практически невозможно.

Да будет синий светодиод

В 1986 году Акасаки и Амано первыми смогли создать высококачественный кристалл нитрида галлия. Путем размещения слоя нитрида алюминия на сапфировой подложке и последующего выращивания поверх него высококачественного нитрида галлия.

Спустя несколько лет, в конце 1980-х, они совершили прорыв в создании слоя p-типа. В 1992 году они смогли представить свой первый диод, излучающий ярко-синий свет.

Накамура начал разработку своего синего светодиода в 1988 году. Два года спустя ему тоже удалось создать высококачественный нитрид галлия. Он нашел свой собственный способ создания кристалла. Сначала вырастил тонкий слой нитрида галлия при низкой температуре и нарастил последующие слои при более высокой температуре.

Накамура с помощью более простого и дешевого метода (путем нагрева материала, а не пучком электронов, как у Акасаки и Амано) создал более функциональный слой p-типа в 1992 году. То есть, решения Накамуры отличались от решений Акасаки и Амано.

В течение 1990-х (бывшим советским гражданам читать очень внимательно) обеим исследовательским группам удалось улучшить свой синий светодиод, сделав его более эффективным. Они создали различные сплавы нитрида галлия с использованием алюминия или индия, сделав структуру светодиодов более сложной.

Кроме этого, Акасаки вместе с Амано и Накамурой изобрели синий лазер, в котором синий светодиод размера песчинки, стал важным компонентом.

В отличие от рассеянного света светодиода, синий лазер излучает более плотный луч, который может хранить в четыре раза больше информации, чем при инфракрасном свете. Это увеличение емкости хранения быстро привело к разработке дисков Blu-ray с более длительным воспроизведением, а также создание лазерных принтеров.

Многие бытовые приборы также оснащены светодиодами. Они есть на ЖК-экранах телевизоров, компьютеров и мобильных телефонов, их используют для вспышек фотоаппаратов.

Синий светодиод совершил революцию

Синий светодиод совершил революцию в области осветительной техники. Теперь белые светодиодные лампы могли быть созданы в двух разных вариантах.

• Во-первых, стало возможным использовать синий свет, чтобы возбудить люминофор, до его свечения красным и зеленым. Схождение всех трёх цветов, образует белый свет.
• Во-вторых, сало возможным собрать лампу из трех светодиодов, красного, зеленого и синего. В этом варианте глаз человека сделает работу по объединению трех цветов в белый.

То есть, светодиодные лампы это многофункциональные источники света. Ими можно создавать миллионы разных цветов, цвета и интенсивность могут быть изменены по мере необходимости. С их помощью создаются цветные световые панели размером в несколько сотен квадратных метров. Они мигают, меняют цвета и узоры и могут управляться компьютером.

Светодиодная лампа также имеет большие перспективы. Низкие требования к мощности подразумевают, что лампа может работать от дешевой местной солнечной энергии. Кроме того, загрязненная вода может стерилизоваться ультрафиолетовыми светодиодами с последующей обработкой воды синим светодиодом.

Заключение

Синий светодиод изобретен всего лишь двадцать лет назад. За это короткий срок он уже способствовал созданию белого света и открыл для человечества новый век не только освещения.

©ledinfo.ru

Похожие статьи:

Все о светодиодах | Светотехники Востока

Светодиоды постепенно вытесняют с рынка другие технологии освещения за счет универсальности, доступной цены, и эффективности. На данный момент элементы используются в различном оборудовании – от индикаторов состояния и жидкокристаллических дисплеев, до освещения помещений и улицы. Светодиоды заменили классические источники освещения в тех сферах, где их использование более выгодно и удобно с экономической точки зрения. Они часто применяются в наружной рекламе, в LED-экранах, в бегущих строках и прочих подобных устройствах.

На данный момент именно светодиоды являются самыми эффективными источниками освещения. При этом использование оборудования сопровождается и определенными трудностями – необходимо обеспечить стабильный ток, а также исключить воздействие высоких температур.

История светодиодов

С того момента, как были начаты первые работы над созданием источника освещения до времени, когда появились современные светодиоды, прошло больше 100 лет. В 1907 году впервые у неорганических материалов были обнаружены светящиеся свойства, позже именно эта технология позволит появиться светодиодам. Ученый, обнаруживший эту особенность, плотно занимался другим проектом, в итоге исследование не получило старта.

Новые исследования в сфере начались в 1921 году, российский ученый не только обнаружил светящиеся свойства, но и уделил исследованиям большую часть своей жизни, заложив плотный фундамент для развития технологии в дальнейшем. Большое значение в появлении технологии сыграло изобретение транзисторов в 1951 году. Спустя 10 лет был изобретен первый люминесцентный диод красного цвета, которые позволит приступить к выпуску светодиодного с освещения на промышленном уровне.

Новый виток развития технологии пришелся на 1971 год. Изобретение новых полупроводниковых материалов позволило внедрить на рынок помимо красных светодиодов, устройства оранжевого, желтого и зеленого цвета. Светодиоды в ярко-синем цветовом диапазоне появились в 1993 году, белые изобрели в 1996 году.

История развития светодиодов не остановилась до сих пор. Современные производители продолжают исследования в области, выпуская все новые и более мощные источники освещения на основе диодов.

Применение

Популярность светодиодов на рынке обусловлена широкой сферой применения изделий. На данный момент устройства используются для освещения жилых, офисных, производственных помещений, применяются при создании уличного освещения, используются в архитектурных целях.

С каждым годом сфера применения светодиодов продолжает расширяться. Еще несколько лет назад диоды использовались только в электронных приборах в качестве индикатора состояния, сейчас же они внедряются повсеместно – подсветка дорожных знаков, освещение в транспортных средствах, сигналы торможения, светофоры, рекламные экраны и пр.

Расширение сферы применения светодиодов объясняется постоянным развитием технологии. С каждым годом источник освещения все упорнее вытесняет с рынка другое оборудование. В сравнении с обычными лампами светодиоды обладают рядом преимуществ:

• направленное излучение;
• полная безопасность;
• срок службы – более 50000 часов.

Устройства не имеют в составе ртути, в итоге не нуждаются в особой утилизации.

Виды

Все светодиоды, представленные на рынке, можно схематично разделить на две группы – индикаторные и осветительные. В первом случае оборудование применяется для индикации, для подсветки дисплеев, приборных панелей и других приборов. Главная особенность индикаторных устройств – малая мощность.

Осветительные светодиоды преимущественно применяются именно для освещения различных помещений, при создании уличных осветительных приборов и пр. Отличительная особенность оборудования – высокая интенсивность освещения, которая достигает десятков ватт в зависимости от особенностей применения.

Все индикаторные светодиоды можно схематично разделить на несколько видов:

1. DIP. Выполнены в виде светоизлучающего кристалла в выводном корпусе, имеют большой диапазон цветового излучения, есть модели в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне.
2. Super Flux «Piranha» светодиоды со сверхъярким освещением, имеют сразу четыре вывода. В основном используются в рекламных вывесках, для подсветки электроники в автомобиле и пр.
3. Straw Hat. Выделяются большим углом рассеивания света, выпускаются в белом, желтом, синем, красном и зеленом цвете. Применяются в случае, когда требуется обеспечить равномерную подсветку, снизив при этом энергопотребление прибора.

Осветительные светодиоды также делятся на несколько категорий — SMD, COB, Filament LED и пр. Между собой различаются по особенностям свечения, а также по сфере применения.

Заключение

Постоянное развитие светодиодов позволяет применять оборудование во многих электронных схемах в качестве более эффективной замены обычных ламп. Изделия способны выдерживать значительное механическое воздействие в ходе эксплуатации, при работе они не выделяют тепло, а потеря мощности минимальная. Еще один плюс технологии – работа от низкого тока, при необходимости питание можно организовать с помощью обычных батареек.

светодиодов История | Artograph

Discovery

Первое известное сообщение о светоизлучающем твердотельном диоде было сделано в 1907 году британским экспериментатором Х. Дж. Раунд. Однако в течение нескольких десятилетий открытие не получило практического применения. Первый практический светодиод был изобретен Ником Холоньяком-младшим в 1962 году, когда он работал в компании General Electric. Первые светодиоды стали коммерчески доступными в конце 1960-х годов и были красного цвета. Они обычно использовались в качестве замены индикаторов накаливания и в семисегментных дисплеях, сначала в дорогостоящем оборудовании, таком как лабораторное и электронное испытательное оборудование, а затем в таких приборах, как телевизоры, радиоприемники, телефоны, калькуляторы и даже часы. Эти красные светодиоды были достаточно яркими только для использования в качестве индикаторов, так как светоотдачи было недостаточно для освещения области. Позже другие цвета стали широко доступны, а также появились в технике и оборудовании. По мере того, как технология светодиодных материалов становилась все более продвинутой, светоотдача увеличивалась, и светодиоды становились достаточно яркими, чтобы их можно было использовать для освещения.

Светодиодные панели

Существует два типа светодиодных панелей: обычные, использующие дискретные светодиоды, и панели для поверхностного монтажа (SMD). Большинство наружных экранов и некоторые внутренние экраны построены на дискретных светодиодах, также известных как индивидуально установленные светодиоды. Группа красных, зеленых и синих диодов объединяется, чтобы сформировать полноцветный пиксель, обычно квадратной формы. Эти пиксели расположены на равном расстоянии друг от друга и измеряются от центра к центру для абсолютного разрешения в пикселях. Один из крупнейших светодиодных дисплеев в мире имеет длину более 1500 футов (457,2 м) и расположен в Лас-Вегасе, штат Невада, и охватывает опыт Фримонт-стрит.

Большинство экранов для помещений, представленных на рынке, изготавливаются с использованием технологии поверхностного монтажа, и эта тенденция сейчас распространяется и на наружный рынок. Пиксель SMD состоит из красных, зеленых и синих диодов, установленных на наборе микросхем, который затем устанавливается на плате драйвера. Отдельные диоды меньше булавочной головки и расположены очень близко друг к другу. Разница в том, что максимальное расстояние просмотра уменьшено на 25% по сравнению с дискретным диодным экраном с тем же разрешением.

Светодиодные панели позволяют использовать небольшие наборы взаимозаменяемых светодиодов в одном большом дисплее. Для использования в помещении обычно требуется экран, основанный на технологии SMD и имеющий минимальную яркость 600 кандел на квадратный метр (неофициально называется нит). Обычно этого более чем достаточно для корпоративных и розничных приложений, но в условиях высокой внешней яркости для видимости может потребоваться более высокая яркость. Модные показы и автошоу — два примера светодиодного освещения высокой яркости, для которого может потребоваться более высокая яркость светодиодов. И наоборот, когда экран может появиться в кадре телевизионного шоу, часто требуется более низкий уровень яркости с более низкой цветовой температурой (обычные дисплеи имеют точку белого от 6500 до 9). 000 К, что намного голубее, чем обычное светодиодное освещение на телевизионной съемочной площадке).

Для использования на открытом воздухе в большинстве ситуаций требуется не менее 2000 нит, тогда как модели с более высокой яркостью до 5000 нит еще лучше справляются с прямыми солнечными лучами на экране. Подходящие места для больших экранных панелей определяются такими факторами, как линия прямой видимости, требования местных органов власти к планированию (если установка должна стать полупостоянной), доступ для транспортных средств (грузовики, перевозящие экран, установленные на грузовике экраны или краны), кабель. пробеги по питанию и видео (с учетом как расстояния, так и санитарно-гигиенических требований), мощности, пригодности грунта для расположения экрана (при отсутствии труб, неглубоких стоков, пещер или тоннелей, которые могут не выдержать тяжелые грузы) и препятствия наверху.

Почему синий светодиод должен освещать вашу жизнь (и получил Нобелевскую премию)

Что вы представляете, когда слышите словосочетание «зеленые технологии»? Вам приходят на ум солнечные панели, ветряные турбины и электромобили? А как насчет светоизлучающих диодов (LED)? В отличие от многих дорогостоящих зеленых технологий, светодиоды доступны большинству людей, которые хотят помочь окружающей среде и сэкономить деньги. Использование светодиода для 50 000 часов домашнего освещения белым светом (т. е. светодиодные лампочки для использования в лампах, потолочных светильниках и т. д.) стоит всего около 86 долларов по сравнению с 352 долларами для ламп накаливания []. Несмотря на то, что некоторые светодиоды поступили в продажу с 1962, светодиоды белого света доступны только с 2006 года []. Наиболее важным из многих достижений, необходимых для вывода на рынок светодиодов белого света, было изобретение первого яркого синего светодиода в 1993 году []. За это изобретение Исаму Акасаки, Хироши Амано и Сюдзи Накамура 7 октября 2014 года получили Нобелевскую премию по физике.

Что такое светодиод и как он работает?

Рисунок 1  ~ Добавление электричества к полупроводниковому чипу производит свет за счет связывания электронов с атомами.

Светоизлучающие диоды (СИД) — это компоненты электрических цепей, излучающие свет. Светодиоды изготавливаются из небольших полупроводниковых кристаллов, материалов, способных проводить электричество. Хотя они проводят лучше, чем некоторые материалы, такие как стекло, полупроводники проводят менее эффективно, чем металлы, такие как алюминий или олово. Когда электричество проходит через светодиоды, электроны, маленькие отрицательно заряженные частицы в атомах внутри полупроводника, могут получить достаточно энергии, чтобы перемещаться между несколькими атомами, вместо того, чтобы быть привязанными к конкретному (рис. 1). Однако это состояние нестабильно, и в конце концов электрон снова свяжется с одним атомом. Когда это происходит, энергия высвобождается в виде фотонов, элементарных частиц света. Количество выделяемой энергии определяется свойствами материала полупроводника и, в свою очередь, определяет цвет излучаемого света [3, 4].

Однако изобрести светодиод не так просто, как провести электричество через кусок определенного полупроводника. Во-первых, атомы полупроводника должны быть организованы в повторяющемся порядке или в кристаллической решетке. Если в каком-либо месте полупроводника схема нарушена, светодиод не будет работать должным образом. Процесс изготовления тонких кусочков полупроводника, также известных как «чипы», так что формируется кристаллическая решетка, называется «выращиванием кристаллов», и для каждого нового полупроводника процесс должен определяться с нуля. После того, как чистые чипы станут доступны, следующей задачей будет изготовление одних чипов с избытком свободных блуждающих электронов, а других с избытком атомов, потерявших электрон. Для создания этих условий в полупроводник контролируемым образом вводят атомы других элементов [3, 4]. Этот процесс называется «допинг». Опять же, соответствующие условия для успешного легирования полупроводника должны быть заново определены для каждого материала [3, 4, 5].

Почему изобретение синего светодиода имело такое большое значение?

Изобретение синего светодиода имело важное значение как потому, что оно стало техническим триумфом, так и потому, что оно сделало возможным множество новых применений. Это было огромным техническим достижением, потому что необходимые свойства для получения синего света не могли быть достигнуты с помощью полупроводника, подобного тем, которые уже используются для светодиодов. Еще в 1950-х годах нитрид галлия (GaN) был идентифицирован как полупроводник с подходящими свойствами для получения синего света, но быстро стало ясно, что создание чипов для использования в светодиодах является сложной задачей. Фактически к началу 19В 70-х годах большинство ученых прекратили работу по созданию светодиодов из GaN []. Однако в начале 1970-х годов были разработаны новые методы выращивания кристаллов, и, начиная с 1974 года, Исаму Акасаки, а затем Хироши Амано, а также другие, проводили исследования, чтобы определить, как использовать эти новые методы для изготовления кристаллов GaN. Проблема не была решена до 1986 года, и ученым все еще предстояло определить, как успешно легировать кристаллы GaN для практического использования []. Это было окончательно достигнуто в конце 1980-х [].

Изобретение первого яркого синего светодиода позволило использовать светодиоды для получения белого света. В то время как синий и красный свет имеют длины волн, которые находятся в очень специфических спектрах, волны белого света охватывают очень широкий спектр, что делает его желательным для практических целей. Хотя существует несколько методов получения белого света с помощью синих светодиодов, чаще всего используется сочетание синего светодиода и флуоресцентного материала []. Флуоресцентные материалы излучают свет определенной длины волны после того, как они освещаются светом другой длины волны. Флуоресцентный материал, используемый для изготовления белого светодиода, излучает различные цвета света, когда он освещается синим светом от синего светодиода []. Белый свет образуется, когда синий свет светодиода смешивается с другими цветами света, излучаемого флуоресцентным материалом.

 Как выглядит будущее светодиодов и освещения?

Наиболее важным применением синих светодиодов является эффективное производство белого света. Рынок эффективного белого освещения существует в таких странах, как США, где в 2012 году 21% электроэнергии, потребляемой в коммерческом секторе, приходился на освещение []. Точно так же в странах, где многие люди зависят от солнечных батарей для получения электроэнергии, желательно эффективное белое освещение от синих светодиодов, поскольку оно позволяет им в полной мере использовать ограниченное электричество []. Однако белое освещение — не единственное применение синих светодиодов. Синие светодиоды также используются в экранах многих мобильных телефонов, телевизоров и планшетов.

К сожалению, использование светодиодных ламп в жилых помещениях остается довольно низким, вероятно, потому, что, хотя экономия энергии от использования светодиодов велика, первоначальная стоимость светодиодной лампочки в 25 раз превышает стоимость лампы накаливания []. Однако эта неутешительная статистика, скорее всего, изменится; Фактически, Министерство энергетики США прогнозирует, что к 2020 году 37,6% бытового освещения будет обеспечиваться светодиодами, а в 2030 году — 72,3% []. Благодаря постоянным исследованиям и обучению потребителей мы можем рассчитывать на светлое будущее, освещенное светодиодами.

Элизабет «Эви» Ван Итали — аспирант программы «Системная биология».

Ссылки

[] http://eartheasy.com/live_led_bulbs_comparison.html

[] http://www.osram.com/osram_com/news-and-knowledge/led-home/professional-knowledge/led -basics/led-history/index.