Великое открытие физиков двадцатого века: полупроводниковый светодиод

Светодиод — прибор полупроводникового типа с электронно-дырочным переходом, который излучает свет определенной длины волны под воздействием тока, пропускаемого в прямом направлении.

В основе светодиода лежит кристалл полупроводникового типа, закрепленный на основе из меди или алюминия. Сверху кристалл закрывается слоем силикона и линзой из пластмассы. Вместе они образуют оптическую систему.

Элементы помещают в корпус с контактами (анодом и катодом). Верхние слои кристалла, соприкасающиеся с контактными зонами, легированы донорскими и акцепторными аддитивами.

Открытие светодиода

Предпосылки к появлению твердотельных полупроводящих элементов заложил еще Майкл Фарадей в 1833 году, обнаружив повышение электрической проводимости в сульфиде серебра (полупроводнике) с ростом температуры. Фарадей не смог объяснить причину эффекта.

В 1874 году Фердинанд Браун описал проводимость электрического тока полупроводниками только в одном направлении. Но объяснить свойство, противоречащее закону Ома он не смог. Открытие Брауна стало востребованным спустя пол века, когда на его основе создали детекторный приемник.

Гринлиф Виттер Пикард в 1906 году запатентовал детектор кристаллической структуры. Он установил, что ряд таких кристаллических материалов, как галенит, кремний, и др., при контакте с металлом действует как выпрямитель и демодулятор переменного тока высокой частоты, который возникает в антенне при приеме радиоволн.

Впервые на эффект электролюминесценции обратил внимание английский ученый Генри Рауд в 1907 году. Проводя эксперименты с током, проходящим через металл-карборунд. Он заметил свечение, которое испускал твердотельный диод, изучил и описал его.

В 1923 году подобный эксперимент поставил советский экспериментатор Олег Лосев. Лосев проводил свой эксперимент независимо от Рауда, возможно, вовсе не знал о нем. Свечение ученый-физик (на тот момент лаборант) заметил при контакте карборунда со стальной проволокой.

В 1927 г Лосев получил патент на «Световое реле». Физик до конца жизни занимался исследованиями данной области. Нашел более эффективные полупроводники, создал удобный полупроводниковый прибор на основе цинкита, заметно повышающий качество радиоприема. Он сделал еще ряд важнейших открытий, которые легли в основу современных высокотехнологичных устройств на основе полупроводниковых светодиодов, в том числе, открыл явления предпробойной электролюминесценции и инжекционной люминесценции.

Вероятно, ученый имел шансы сделать еще более грандиозные научные достижения, но умер в блокадном Ленинграде. Судьба работ, над которыми он трудился последние годы жизни, неизвестна.

Лампы на основе полупроводниковых светодиодов стали выпускать в промышленных масштабах лишь в 1951 году.

1961 год ознаменовался открытием инфракрасного светодиода. Разработали и запатентовали его Р. Байард и Г. Питтман. Были запущены в производство индикаторные лампы с красным и желто-зеленым излучением.
В конце 1960-х Hewlett-Packard собрала первый в мире рекламный светодиодный дисплей, состоящий из красных диодов с очень низкой яркостью.

Открытия Лосева легли в основу научных изысканий японского физика Лео Исаки, который спустя 30 лет после открытия Лосева, установил, что прибор Лебедева являлся туннельным диодом, за что получил Нобелевскую премию в 1973 году.

В последующие годы ученые активно работали над увеличением яркости и диапазона излучения полупроводниковых светодиодов.

В 1970-х годах советский академик Жорес Иванович Алферов на базе арсенида галлия на подложке вырастил многопроходную двойную слоистую структуру, образованную полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны (гетероструктуру). В области контакта таких полупроводников образуется повышенное количество носителей заряда, что в видимой, для человеческого глаза области, проявляется заметно более ярким свечением светодиодов, по сравнению с гомоструктурами (полупроводниками с единственной шириной запрещенной зоны).

Открытие было удостоено Ленинской и Нобелевской премий. После этого началось серийное промышленное производство светодиодов.

В 1976 году Hewlett-Packard запустил производство светодиодов с желтым, красно-оранжевым, желто-зеленым свечением.

Дж. Панковым были созданы светодиоды, излучающие фиолетовый и синий свет, однако срок их службы был настолько мал, что промышленного применения они не нашли.

Уже в середине 1980-х годов светодиоды массово производились в СССР, западных странах, Японии и Китае. Их стали применять в качестве самостоятельных осветительных приборов (карманные фонарики), монтировать в автомобили и пр.

Дальнейшее развитие светодиодной промышленности до не давнего времени было направлено на увеличение яркости, уменьшение размеров светодиодов и расстояния между ними, а также на повышение срока службы.

В последние время ученые делают акцент на создание органических светодиодов (OLED). Их главное достоинство — очень малые размеры и особенности производства. Органические полупроводниковые элементы наносит на подложку специальный «принтер». Технология напоминает струйную печать. Уже существуют OLED экраны. При уменьшении стоимости производства, они мгновенно получат широкое распространение.

Где применяют светодиоды?

Первые светодиоды, выпущенные серийно, были тусклыми их применяли как индикаторные лампы в различных приборах. С увеличением яркости расширилась область применения. Их стали устанавливать для подсветки в автотранспортных средствах. Начался выпуск портативных фонариков со светодиодными лампами.

В настоящее время, полупроводниковые светодиоды применяют повсеместно:

• для освещения жилых и нежилых помещений;
• освещения улиц;
• в портативных фонариках;
• в телефонах/смартфонах в качестве встроенных фонариков различной мощности;
• в транспортных средствах;
• для изготовления светодиодных вывесок/светодиодных табло;
• для производства аптечных крестов;
• в производстве интерьерных и экстерьерных светодиодных экранов различных конструкций для рекламы, спортивных трансляций, оформления сцен;
• для изготовления светодиодных занавесей;
• при оформлении архитектурных сооружений;
• для создания уникального интерьера (светодиодные фигуры, экраны необычных форм);
• при изготовлении информационных табло;
• в приборостроении, в качестве индикаторов.

Аренда светодиодных экранов отлично подойдет собственникам магазинов и салонов, которым нужна периодическая реклама.

Что такое каркасы для светодиодных экранов и как их выбрать? Читайте об этом здесь.

Описание ТОП-10 самых известных медиафасадов вы найдете в нашей статье.  

Какое будущее ждет светодиоды?

Несомненно, производство светодиодов — направление перспективное. Люди постепенно от ламп накаливания и опасных ртутных ламп переходят к светодиодным источникам освещения, которые потребляют значительно меньше энергии, дают много света и служат гораздо дольше обычных ламп. Ученые работают над усовершенствованием осветительных приборов на полупроводниковых светодиодах и создании еще большего разнообразия предложений на рынке.

Другое перспективное направление — органические светодиоды. Ввиду сравнительно высокой стоимости производства, они еще некоторое время будут оставаться довольно дорогими. На сегодняшний день, OLED уверенно производят 3 компании: Samsung, Panasonic, LG.

Технология, разработанная специалистами Kodak и выкупленная компанией LG, значительно легче в производстве, и позволяет создавать экраны больших размеров, чем технология конкурирующей Samsung.

Уже существуют и гибкие, прозрачные OLED смартфоны. Их серийное производство также считается перспективным.