В настоящее время светодиодные светильники популярны благодаря своей эффективности, и многие считают, что это «новая» технология. Однако, светодиоды, как известно, существуют на протяжении вот уже 50-ти лет. Но только недавнее развитие белых светодиодов позволило светодиодам стать в глазах общественности заменой других источников белого света.
Наиболее частые использования: световые индикаторы в устройствах, малые и большие лампы, светофоры, больше видеоэкраны, вывески, уличное освещение (хотя это применение до сих пор не получило широкого распространения).
Преимущества:
— Энергоэффективный источник света для коротких расстояний и небольших площадей. Типичный светодиод потребляет всего 30-60 милливатт.
— Прочность и ударопрочность в отличие от ламп со стеклянной колбой.
— Направленный луч полезен для некоторых применений, например, для снижения постороннего света уличных фонарей.
Недостатки:
— Могут быть ненадежны в уличных применениях с большими вариациями летней и зимней температуры. Сейчас идет большая работа по решению этой проблемы.
— Полупроводники чувствительны к повреждениям под воздействием тепла, поэтому должны использоваться радиаторы. Чтобы эффективно отводить тепло от мощных матриц иногда может требоваться вентилятор. Это увеличивает стоимость, и вентилятор значительно снижает преимущество светодиодов в энергосбережении.
— Припой на печатной плате и тонкие соединения трескаются при сгибании, что вызывает выход из строя секций матриц.
— Редкоземельные металлы, используемые в светодиодах, имеют высокую стоимость из-за монополии некоторых стран.
— Понижение мощности светового потока с течением времени.
1. Как они работают
Светодиоды создают свет посредством электролюминесценции в полупроводнике. Электролюминесценция — явление излучения света при прохождении электрического тока через материал или при передаче электрического поля, когда электроны направляются через материал и заполняют электронные дырки. Электронная дырка существует там, где атом испытывает недостаток электронов (заряженных отрицательно) и, следовательно, имеет положительный заряд. Такие полупроводниковые материалы, как кремний или германий могут быть легированы для создания и управления количеством электронных дырок. Легирование — добавление других элементов в полупроводниковый материал ради изменения его свойств. Путем легирования полупроводника можно сделать два разных видов полупроводников в одном кристалле. Граница между этими двумя типами называется p-n переход. Переход позволяет току проходить через него только в одном направлении, поэтому они используются в качестве диодов. Светодиоды создаются с использованием p-n перехода. Электроны проходят из одного кристалла в другой, заполняя электронные дырки. При этом излучаются фотоны (свет). Полупроводниковый лазер работает также.
Чтобы фильтровать световое излучение светодиода используются люминофоры. Так создается более чистый свет.
2. Изобретатели и развитие
Арсенид галлия и германий были одними из первых используемых полупроводников, использовавшихся до того, как кремний стал наиболее предпочтительным материалом в промышленности. Инженеры экспериментировали с p-n переходами. Исследовательские лаборатории GE, Bell Labs,Lincoln Labs, RCA и компания Texas Instruments работали над созданием полупроводниковых приборов для управлением питанием и лазерной технологии.
Именно тогда, осенью 1961 года был «обнаружен» светодиод Джеймсом Р. Биардом и Гари Питтманом. Питтман работал в смежной области над солнечными элементами с 1958 года. В своих попытках создать X-полосный GaAs варакторный диод они создали туннельные диоды (которые впервые были разработаны Эсаки). Они поместили туннельный диод на GaAs подложку и обнаружили, что в процессе прямого смещения происходит испускание света.
Первым проданным светодиодом летом 1962 года стал SNX-100. Светодиоды были впервые использованы IBM для замены вольфрамовых ламп, управляющихся перфокартами (инфракрасный свет направлялся через отверстия либо блокировался картой). На сегодняшний день существует множество применений для светодиодов.
