Светодиод

Светодиод — это полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. Принцип действия светодиода основан на явлении электролюминесценции в полупроводниковом p-n-переходе или в гетеропереходе. Излучение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области перехода, при этом энергия выделяется в виде фотонов. Цвет излучения (длина волны) определяется шириной запрещённой зоны используемого полупроводникового материала и типом легирующих примесей.

История

Открытие электролюминесценции

Явление электролюминесценции в твёрдых телах было впервые обнаружено в 1907 году британским инженером Генри Раундом, который наблюдал свечение карбида кремния (SiC) при подаче напряжения. Однако практического применения это открытие не получило из-за слабой интенсивности и неэффективности свечения.

Первые светодиоды

В 1962 году американский физик Ник Холоньяк-младший, работавший в компании General Electric, создал первый практически пригодный светодиод, излучающий красный свет. Устройство было изготовлено на основе арсенида галлия (GaAs) с добавлением фосфида. В 1972 году Джордж Крафорд (США) разработал жёлтый светодиод на основе фосфида галлия (GaP). В 1970-х годах появились зелёные светодиоды, однако их яркость и эффективность оставались низкими.

Развитие технологии

Прорыв в области светодиодов произошёл в 1990-х годах. В 1993 году японский учёный Сюдзи Накамура, работавший в компании Nichia, создал первый высокоэффективный синий светодиод на основе нитрида галлия (GaN). Это изобретение позволило получать белый свет путём комбинации синего излучения с жёлтым люминофором. В 2014 году Накамура, а также Исаму Акасаки и Хироси Амано были удостоены Нобелевской премии по физике за изобретение эффективных синих светодиодов.

Классификация

Светодиоды классифицируются по нескольким основным признакам:

По типу излучения

• Индикаторные — маломощные (до 0,1 Вт), предназначенные для отображения состояния (например, на панелях приборов, в бытовой технике).
• Осветительные — мощные (от 0,5 Вт до 100 Вт и более), используемые для общего освещения, прожекторов, автомобильных фар.
• Сверхъяркие — с высокой светоотдачей (более 100 люмен на ватт), применяются в уличном освещении, архитектурной подсветке.
• Инфракрасные — излучают в невидимом спектре, используются в пультах дистанционного управления, системах ночного видения, датчиках.
• Ультрафиолетовые — излучают в УФ-диапазоне, применяются в стерилизации, полимеризации, криминалистике.

По конструкции

• DIP (Dual In-line Package) — классические светодиоды в цилиндрическом корпусе с двумя выводами.
• SMD (Surface-Mount Device) — светодиоды для поверхностного монтажа, компактные, с высокой плотностью установки.
• COB (Chip-on-Board) — матрица из множества кристаллов на одной подложке, обеспечивающая равномерное свечение.
• Светодиодные сборки — модули из нескольких светодиодов, объединённых на плате.

По цвету свечения

• Одноцветные — красные, зелёные, синие, жёлтые, белые (с люминофором).
• Многоцветные (RGB) — содержат три кристалла (красный, зелёный, синий) в одном корпусе, позволяют получать любой цвет смешением.
• С регулируемой цветовой температурой (Tunable White) — изменяют оттенок белого от тёплого до холодного.

Устройство и принцип работы

Конструкция

Основными элементами светодиода являются:

• Полупроводниковый кристалл (чип) — активная область, где происходит рекомбинация носителей заряда. Изготавливается из прямозонных полупроводников: GaAs, GaP, GaN, InGaN, AlGaInP и других.
• Подложка — основание, на которое наносится кристалл (сапфир, карбид кремния, кремний).
• Корпус — защищает кристалл от внешних воздействий. Для мощных светодиодов корпус часто выполняет функцию теплоотвода.
• Линза или купол — формирует диаграмму направленности излучения. Может быть прозрачной или матовой.
• Люминофор — для белых светодиодов наносится на кристалл или линзу; преобразует часть синего излучения в жёлто-зелёное, в результате смешения получается белый свет.
• Выводы (контакты) — для подключения к источнику питания.

Принцип действия

При подаче прямого напряжения на p-n-переход электроны из n-области и дырки из p-области движутся навстречу друг другу. В области перехода они рекомбинируют: электрон переходит из зоны проводимости в валентную зону, отдавая избыточную энергию. В прямозонных полупроводниках эта энергия выделяется в виде фотона (кванта света). Энергия фотона равна ширине запрещённой зоны материала, что определяет длину волны (цвет) излучения.

Эффективность

Светоотдача современных светодиодов достигает 200–250 люмен на ватт (лм/Вт), что значительно превосходит лампы накаливания (около 15 лм/Вт) и люминесцентные лампы (50–100 лм/Вт). КПД светодиодов (отношение световой энергии к электрической) составляет 30–40% для коммерческих образцов, в лабораторных условиях — до 60%.

Применение

Светодиоды широко используются в различных сферах благодаря высокой эффективности, долговечности (срок службы до 50 000–100 000 часов), компактности и экологичности.

Освещение

• Бытовое — светодиодные лампы, ленты, светильники.
• Уличное — фонари, прожекторы, архитектурная подсветка.
• Промышленное — освещение цехов, складов, теплиц.
• Автомобильное — фары, габаритные огни, стоп-сигналы, дневные ходовые огни.

Отображение информации

• Экраны и табло — светодиодные дисплеи (LED-экраны) для стадионов, рекламных щитов, информационных табло.
• Индикаторы — на панелях приборов, бытовой технике, электронике.

Оптоэлектроника

• Оптопары — для гальванической развязки цепей.
• Датчики — пульты дистанционного управления, оптические энкодеры, системы автоматизации.

Специальные области

• Медицина — светодиодные лампы для фототерапии (лечение желтухи новорождённых, акне), стерилизация.
• Сельское хозяйство — фитосветодиоды для подсветки растений в теплицах, ускоряющие фотосинтез.
• Связь — инфракрасные светодиоды в оптоволоконных системах передачи данных.
• Косметика — светодиодные маски для омоложения кожи.

Достоинства и недостатки

Преимущества

• Высокая энергоэффективность (низкое энергопотребление).
• Долгий срок службы (значительно превышает лампы накаливания и люминесцентные лампы).
• Мгновенное включение (без разогрева).
• Компактность и малый вес.
• Устойчивость к вибрациям и ударам.
• Экологичность (не содержат ртути и других опасных веществ).
• Широкий диапазон цветов и возможность регулировки яркости.

Недостатки

• Высокая начальная стоимость (по сравнению с лампами накаливания, хотя с развитием технологии цена снижается).
• Чувствительность к перегреву — при превышении рабочей температуры резко снижается срок службы и светоотдача.
• Необходимость в качественном теплоотводе (радиаторах) для мощных светодиодов.
• Требование к стабильному источнику питания (драйверу) — перепады напряжения могут вывести светодиод из строя.
• Спектральный состав белого света может отличаться от естественного (некоторые типы дают холодный синеватый оттенок).

Интересные факты

• Первый светодиод, созданный Холоньяком, стоил около 200 долларов США и имел яркость, достаточную лишь для индикации.
• В 2010 году светодиодная лампа, эквивалентная 60-ваттной лампе накаливания, потребляла около 10 Вт; к 2024 году этот показатель снизился до 6–7 Вт.
• Светодиоды используются в качестве источников света в современных кинопроекторах (например, в системах DLP), что позволило отказаться от громоздких ксеноновых ламп.
• В России действует государственная программа по замене уличного освещения на светодиодное, что позволяет экономить до 50% электроэнергии.
• Светодиодные светильники применяются в космической технике — на Международной космической станции (МКС) для освещения растений в экспериментах по выращиванию культур.

Источники

• Шуберт Э. Ф. Светодиоды. — М.: Физматлит, 2008.
• Накамура С., Фасол Г. Светодиоды на основе нитрида галлия. — М.: Техносфера, 2012.
• Журнал «Светотехника», статьи за 2010–2024 гг.
• Технические отчёты компаний Philips, Osram, Cree, Nichia.
• ГОСТ Р 54813-2011 «Светодиоды. Термины и определения».