Такие удивительные маленькие огоньки

Не так давно, перед прошлым Рождеством, я оказался во Франции в городе Перпиньян и пройдя в центр поздно вечером, застыл как вкопанный. Я попал в удивительный разноцветный мир. Огромная аллея из опиленных деревьев была украшена миллионами сверхярких микроскопических огоньков. Вдоль дороги и под деревьями стояли фигуры сказочных животных – медведей, оленей, лис покрытые мигающими и статичными огоньками. Все это давало ощущение Праздника, сказки, и помогали в этом красивом деле светодиоды. Олени, лисы в Перпиньяне были оформлены желтыми светодиодами, а глазки им сформировали синие светодиоды.

Что это за чудо–лампочки? Светодиоды – это приборы, которые при прохождении через них электричества излучают определенный свет в разных диапазонах цвета. Но если мы еще раз упомянем те самые синие глаза у сказочных оленей и медведей в Перпиньоне, то в прошлом именно с синим излучением светодиодов была проблема. А задача получить RGB-огонек (red green blue) и вовсе была трудно достижима.

Синий–синий иней

Например, голубой светодиод можно изготовить, используя полупроводники из карбида кремния или нитридов третьей группы таблицы химика Менделеева. Инженеры самых разных стран в прошлом испытывали трудности в том, чтобы получить излучение синего цвета.

Пробовались различные нитриды, в частности нитрид галлия, но результаты оказались не очень. Почти до конца 80-х годов так и не удавалось сгенерировать эпитаксиальные пленки, которые бы давали синий спектр. Впоследствии синие светодиоды стали обычным явлением, но «отцом» их стал светодиод на сапфировой подложке Якова Исаевича Панчечникова, в то время – 1970-е годы он работал на фирму IBM, США и назывался Жак Панков. Ему удалось тогда получить пленку из нитрата галлия, которая и необходима для синего свечения. Инженеры из IBM имели большие виды на данное открытие, однако долгой работой порадовать этот светодиод не смог: образцы ломались из-за перегрева, и причиной стали проблемы с р-n переходом.

В СССР также пытались создать синий светодиод. Перебирали ученые всевозможные параметры требуемого устройства, но и тут особо успеха не наблюдалось. Центром исследования светодиодов в СССР стал Московский Государственный Университет. Там изучали и RGB цветовую модель.

Но самые радостные новости в плане создания светодиода синего излучения пришли к нам из страны Восходящего Солнца. Японский молодой ученый из компании «Нихия Кемикал» по имени Накамура в 1993 после долгих исследований объявил, что синий светодиод создан. Накамуре повезло: увидев его одержимость открытиями, финансисты поддержали деньгами и средствами молодого ученого, обеспечили ему научную и производственную базу, позволили творить.

Накамура сосредоточил свои силы на выращивании пленок на сапфировой основе, и его упорство было вознаграждено. Еще в 1991 году, 28 марта 1991 года был создан первый синий светодиод. Был ли этот прибор сверхярким? Или это уже был светодиод красно-зеленый-голубой RGB? Отнюдь. Но это творение стало огромной победой, учитывая то, что ученым многих стран так и не удавалось получить излучение именно синего цвета.

Накамура продолжал совершенствовать свое изобретение, доводя его до ума, улучшал характеристики, использовал новые виды материалов. Он хотел получить сверхмощный прибор. И вот в конце концов он создает не просто светодиод, а сверхяркий. Такой, что даже глазу глядеть на него было дискомфортно. Уже в 1994 году на рынок выходит первый синий светодиод, созданный Накамурой на базе гетероструктуры InGaN\ALGaN с слоем рабочим InGaN, легированным Zn.

Мощность нового устройств составила 3 мвт при прохождении прямого тока в 20 Ма. Накамура увеличил количество In в рабочем слое и в итоге на свет появился уже зеленый светодиод с мощностью силы света в 2кд. Компания «Нихиро Кемикал», в которой работал Накамура, предусмотрительно запатентовала новые марки ультрафиолетовых светодиодов, а также побочные технологические новинки. Буквально через несколько лет эта компания производила уже от 10 до 20 млн зелёных и голубых светодиодов в течение одного календарного месяца. Создание синих светодиодов подтолкнуло инженеров к разработке и производству белых, а также RGB светодиодов.

Московское ГАИ впереди планеты всей!

В Советском Союзе, а затем и в России, научные разработки в области светодиодной промышленности велись в Калуге (Электротехнический Институт), в научном сердце — спутнике Москвы городе Зеленограде, в Политехническом Институте в Ленинграде.

Именно в Зеленограде зеленый светодиод был представлен на суд чиновникам из ГАИ (сейчас ГИБДД). Те высоко оценили новшество. Обычная лампа в светофоре светила более тускло, быстро выходила из строя, в отличии от светодиода. И вот Москва делает первый заказ на светодиоды для светофоров к памятной дате: 850-летию Москвы. Цифра – 1000 светофоров. Несмотря на то, что в те годы наблюдались проблемы с финансированием, именно Москва стала флагманом в использовании светодиодов в светофорных объектах, обойдя в этом плане другие мировые столицы.

Виды светодиодов

Излучаемый светодиодом цвет зависит от полупроводника, что использовался при его производстве. Сейчас можно видеть целую гамму: тут и красный светодиод, оранжевый, фиолетовый, белый, RGB. Особое место занимает инфракрасный светодиод. Человек невооруженным взглядом не может увидеть инфракрасное излучение, поэтому инфракрасный светодиод используется не столь широко. Хотя каждый из нас с ними сталкивается практически ежедневно. Например, когда с ИК-пультов ДУ переключает каналы ТВ. В приборах ночного видения, которые так любят агенты секретных служб также используется ИК.

Все шире применяются ультрафиолетовые, двухцветные, лазерные и многоцветные светодиоды. Например, трехцветный светодиод RGB в корпусе имеет три полупроводника и сделаны они из различных металлов, в итоге мы получаем подчас сверхяркий цветной спектр излучения. Двуцветный диод чаще используется в качестве индикатора, для создания светодиодных экранов в ход идут трех цветные светодиоды. Помимо световой гаммы светодиоды имеют и иные параметры для сравнения.

Лазерный светодиод

Эти диоды реальный шаг вперед в технологиях по сравнению с инфракрасными светодиодами. Здесь самый важный параметр, в отличии от ик, лазер! Полупроводниковые лазерные светодиоды функционируют с помощью инверсии населённостей p-n перехода в ходе процесса инжекции (переход дополнительных носителей через p-n-переход) носителей заряда). В народном хозяйстве они применяются, например, в считывателях штрих кодов в наших супермаркетах. Или в оптических мышках.

Мигающий светодиод

Этот тип диода особенно красив. И экономичен, так как он не горит постоянно, а мигает. Сверхяркий светодиод способен привлечь посетителей в магазин или ресторан, настолько это красиво. А если применяется мигающий RGB светодиод – это создает особый шарм.

Органический светодиод

Но виды светодиодов этим не исчерпываются. Инфракрасные светодиоды, светодиоды с обманкой (лампы с внутренним резистором), сверхяркие, красные, RGB-светодиоды и проч. А тут еще придумали и так называемый органический светодиод.

Это устройство сделано из органических материалов, и органика дает заметное излучение при прохождении через него тока. Органический светодиод является кирпичиком в производстве известных нам дисплеев, а также широкоформатных экранов информационных табло. Различные дисплеи на основе жидких кристаллов — это все же пока еще не дешевые технологии, но технологии органики (OLED) вскоре основательно потеснят жидкокристаллические экраны из-за своей дешевизны. Рынок есть рынок. Органические светодиоды гораздо дешевле. Если рассматривать параметры светодиода на базе органики и их характеристики, то особенностью здесь является наличие многослойных структур. Многослойность проявляется в использовании целого ряда слоев тончайших полимеров.

Когда на анод органического светодиода дают напряжение со знаком плюс, то электроны бегут от катода к аноду. Происходит выброс электронов со стороны анода в так называемый эмиссионный слой. В свою очередь, проводящий слой анод абсорбирует электроны или, иначе говоря, анод «спонсирует» дырки в проводящий слой и последний получает положительный заряд, а эмиссионный слой, наоборот, отрицательный. Далее дырки движутся навстречу электрону, и когда их встреча все -таки случается, под воздействием сил электростатики они начинают рекомбинировать.

Электроны не столь подвижны в полупроводниках органического происхождения по сравнению с дырками, посему процесс рекомбинации имеет место в эмиссионном слое. Параметры этого процесса показывают, что в итоге энергия электрона уменьшается, данный процесс сопровождается эмиссией. От слова «эмиссия»- испускания, назвали данный процесс.

Органические светодиоды при подаче на напряжения со знаком минус на анод не функционируют. Если провести такой эксперимент, то получится что, к аноду устремляются дырки, а к катоду стремятся электроны, но уже в противоположном направлении. В итоге процесс рекомбинации не наблюдается.

Для изготовления анода чаще всего производители использую оксид индия, которое легируется (добавляется) оловом. Оксид олова в своей характеристике имеет такое свойство, как прозрачность для видимого цвета, и его высокая эффективность выхода способствует переходу дополнительных носителей через p-n-переход (инжекции) в полимерный слой. Различные марки металлов используются при производстве катода. Это могут быть кальций или алюминий. Одной их характеристик, что кальция, что алюминия, также является невысокая работа выхода, отчего электроны инжектируются в полимерный слой.

Форма и маркировка

Типы светодиодов по размерам

По размерах светодиоды делятся на самые популярные: 3 мм, 5мм, 8мм и больше. Есть чашеобразные, квадратные, прямоугольные светодиоды и они проходят процесс маркировки. К примеру, АЛ102 АМ. Цвет свечения – красный. Кодовая маркировка – красная точка.

Цветовая температура

При покупке светодиодов мало кто разбирается в надписях с цифрами на упаковке. А ведь это обозначение цветовой температуры светодиодов. То есть она показывает, при какой температуре будет излучаться и какой цвет. Например, маркировка 6500К — 7500К соответствует цвету «Пасмурно».

Михаил Берсенев