История создания твердотельных источников света
Гладин Д.В., технический директор ООО «Техносвет групп»
В настоящее время светодиоды стали источниками света, которые производятся в промышленных масштабах для самых разных целей в области освещения. Интерес к светодиодам растет быстрее, чем область их применения в современной электронике. Наряду с этим не следует забывать, что сам эффект свечения полупроводников под действием электрического тока был открыт еще в начале прошлого века.
В 1907 году английский инженер Х.Д. Раунд из всемирно известной лаборатории Маркони случайно заметил, что у работающего детектора вокруг точечного контакта возникает свечение. Всерьез же этим физическим явлением заинтересовался
Теоретическое обоснование возможности получения светового излучения определенной длины волны на основе полупроводников принадлежит Максу Планку и Альберту Эйнштейну. Для разрешения проблемы, вошедшей в историю под названием «Ультрафиолетовой катастрофы», и соответствующего согласования теории с экспериментом Макс Планк предположил в 1900 году, что излучение и поглощение света веществом происходит дискретно (неделимыми порциями), а энергия излучаемой порции зависит от частоты света. Некоторое время эту гипотезу даже сам её автор рассматривал как условный математический приём, однако Эйнштейн предложил далеко идущее её обобщение и с успехом применил для объяснения свойств фотоэффекта. Эйнштейн выдвинул тезис, что не только излучение, но и распространение и поглощение света дискретны; позднее эти порции (кванты) получили название фотонов. Этот тезис позволил ему объяснить две загадки фотоэффекта: почему фототок возникал не при всякой частоте света, а начиная с определенного порога, зависящего только от вида металла, а энергия и скорость вылетающих электронов зависели не от интенсивности света, а только от его частоты. Примечательно, что именно за это открытие Эйнштейн в 1921 году получил Нобелевскую премию, хотя к тому времени он уже был родоначальником специальной и общей теории относительности, перевернувшей наши представления об окружающем мире.
Следующим качественным скачком в развитии «полупроводниковых лампочек», основанных на «эффекте Лосева», следует считать начало работы в Америке в 1951 году центра под руководством К. Леховца, в котором самое деятельное участие принял «отец транзисторов» физик В. Шокли. В ходе научных и экспериментальных работ удалось выявить материалы наиболее подходящие по своим характеристикам для производства светодиодов. Такие химические элементы как германий (Ge) и кремний (Si), на основе которых делаются полупроводниковые триоды (транзисторы), не подходят из-за слишком большой «работы выхода» и, соответственно, слабого испускания фотонов на p-n-переходе. Гораздо более эффективными оказались монокристаллы из сложных композитных полупроводников — соединений галлия (Ga), мышьяка (As), фосфора (P), индия (In) и алюминия (Al).
Потребовалось еще несколько лет, чтобы эти идеи в 60-70-е годы прошлого века были реализованы на практике. В результате появились первые светодиоды на основе люминесценции полупроводниковых соединений типа AIIIBV — фосфида (GaP) и арсенида (GaAs) галлия и их твердых растворов. В эти же годы родилась новая отрасль техники — оптоэлектроника.
Большой вклад в начало промышленного выпуска светодиодов с красным и желто-зеленым свечением внес Ник Холоньяк (США) в
Дальнейшее развитие и совершенствование светодиодов проходило в направлении повышения внешнего квантового выхода, кроме того необходимо было найти материалы и технологии, которые позволяют создать твердотельный источник света, излучающий в голубой и синей части видимого спектра.
Большой прорыв в повышении внешнего квантового выхода, который напрямую связан с коэффициентом полезного действия (КПД) светодиода, как преобразователя электрической энергии в световой поток, связан с видным отечественным ученым Ж.И. Алферовым. Группа исследователей под его руководством в
Появление технологий получения светодиодов, излучающих в синей части спектра связано с исследованиями в области телевидения. Компания Радиокорпорация Америки (RCA) активно проводила исследования в области создания цветных телевизоров. Один из первых цветных телевизоров, выпущенных этой компанией в конце
Продолжение работ по дальнейшему развитию технологии получения светодиодов синего и голубого свечения из пленок GaN связано с группой исследователей, в которую входили отечественные ученые Г.В. Сапарин и М.В. Чукичев, а также В.Г. Сидоров из Московского государственного университета им. Ломоносова. В начале
Название японской компании Nichia Chemical Industries Corporation (NCIC) тесно связано со светодиодами и лазерами из GaN. Ее сотрудники, включая Шуджи Накамуру, внесли большой вклад в развитие современной технологии выращивания GaN и изготовления на его основе светодиодов и лазеров. Они разработали двухпоточную систему выращивания GaN методом металлоорганической газофазной эпитаксии (МОГФЭ), продемонстрировали первые светодиоды InGaN голубого и зеленого свечения с двойными гетероструктурами, КПД которых достигал 10 %, изготовили первые импульсные лазеры и лазеры непрерывного излучения InGaN/GaN, работающие при комнатной температуре в голубой части спектра.
Когда Шуджи Накамура в 1990 году занялся разработкой светодиодов из GaN в компании NCIC, он был никому неизвестным
Оказалось, что система InGaN/GaN также подходит для производства светодиодов белого свечения. Существует несколько способов получения таких светодиодов. Один из них основан на использовании люминофоров, преобразующих длину волны.
В настоящее время на основе этой технологии производят светодиоды белого свечения цветовой температуры от 2700 К до 10 000 К, которые обладают световой отдачей до 150 лм/Вт, при аналогичной характеристике традиционных источников света от 15 до 100 лм/Вт.
Возможность производства в промышленных масштабах, относительно низкая стоимость и простота способа изготовления, при этом высокие характеристики светодиодов, а также их надежность и долгий срок службы, определили массовое производство во всем мире светодиодов белого свечения, которые по прогнозам специалистов, уже к 2025 году станут доминирующими источниками света во всех областях жизнедеятельности человека, где необходимо искусственное освещение.
Компания «Техносвет групп», являясь с 2007 года ведущим разработчиком и производителем светодиодных систем освещения для сельского хозяйства в России, опирается в своих исследованиях на опыт мировой индустрии светодиодной техники. Базируясь на знаниях в области светотехники, электротехники и инженерных расчетов, мы создаем системы освещения на основе светодиодов максимально адаптированные к условиям эксплуатации в специфических условиях животноводческих и птицеводческих хозяйств, которые эффективно сокращают энергопотребление в несколько раз по сравнению с традиционными источниками света, повышают электро и пожаробезопасность при эксплуатации и повышают рентабельность производства. Постоянно проводимые исследования по влиянию светодиодного освещения на птицу и животных в ведущих сельскохозяйственных научных центрах страны позволяют нам создавать индивидуальные проекты для птицы, как мясного так и ячного направления, перепелов, гусей, индеек, а также свиноводческих и животноводческих предприятий, которые оптимально учитывают интенсивность света, программы прерывистого освещения и другие характеристики для увеличения производственных показателей в каждом конкретном случае.