История светодиодов

0
240
История светодиодов

История светодиодов: от первых упоминаний до наших дней.

Зимой 1971-го японцы смели с прилавков необычную новинку: первый в мире карманный калькулятор со светодиодным экраном. Нет, портативные счетные машинки появились ещё раньше, в 1967-м, вот только результаты вычислений они печатали на бумажной ленте. А здесь итог яркими красными цифрами выводился на маленький экран – настоящая революция. Стоило такое устройство очень дорого – 89 800 йен (зарплата молодых специалистов в это время составляла около 46 500 йен), но пользовалось немалой популярностью. И не только в Японии.

Это был один из первых случаев использования светодиодов в массовом продукте – прежде их применяли только в высокопрофессиональном лабораторном оборудовании. Однако мало кто знал, что технология за красными цифрами на экране – далеко не новинка. Впервые о ней заговорили в 1907 году.

Те, кто стоял у истоков

История светодиодов началась тогда, когда ученые очень мало знали о полупроводниках как явлении, и ещё меньше – об их использовании для создания света. Зимой 1907 года британский инженер Генри Раунд, сотрудник лаборатории Гульельмо Маркони, экспериментировал с кристаллическими детекторами для детекторных радиоприемников. Пропуская электрический ток через карбид кремния, он заметил, что кристалл испускает слабый желтоватый свет. Раунд провёл ещё несколько опытов и описал свои наблюдения в краткой заметке в журнале Electrical World. И на этом всё – к непосредственным рабочим задачам это не относилось, так что исследований в этом направлении Раунд продолжать не стал. А потом началась Первая мировая и стало уже совсем не до того.

Следующее упоминание об электролюминесценции – куда более серьезное и подробное – датируется началом 20-х годов. В 1923 году молодой российский ученый Олег Лосев, работая, как и Раунд, с полупроводниковыми детекторами, обнаружил свечение при использовании карбида кремния. Объяснения этому явлению не было, и Лосев принялся его искать.

Он много экспериментировал с разными материалами, пробовал воздействовать на кристаллы различными температурами и силами – от магнитного поля до рентгеновских лучей, исследовал свечение в различных средах, изучал кристаллы под микроскопом и скрупулезно фиксировал все данные и результаты.

В 1927 году Лосев опубликовал статью “Светящийся карборундовый детектор и детектирование с кристаллами”. Затем последовал ещё целый ряд публикаций на эту тему, как в советских, так и в нескольких зарубежных изданиях. Учёный описывал спектры получаемого свечения, приводил его характеристики, которые сейчас хорошо известны как ключевые особенности светодиодов – безынерционность (практически мгновенное включение и угасание) и нетепловая природа света. Кроме того, Лосев получил два патента на своё “Световое реле”.

Однако в СССР эти работы большого внимания  не привлекли. Причин было много: и слабая интенсивность получаемого свечения, и неразвитость технологии полупроводников, и политическая ситуация. Возможно, роль сыграло даже происхождение Лосева (его отец был дворянином и служил в царской армии). А потом в дело снова вмешалась война – в возрасте всего 38 лет Олег Лосев умер от голода в блокадном Ленинграде.

Но если на родине его открытие осталось практически неизвестным, то за рубежом Лосева знали. В 1935 году французский физик Жорж Дестрио обнаружил свечение кристаллов сульфида цинка, легированных ионами меди. В своих публикациях на эту тему Дестрио называл полученный свет “Светом Лосева”. Также, согласно некоторым источникам, именно Дестрио ввёл термин “электролюминесценция”.

Первая лампочка

Когда мир оправился от Второй Мировой войны, работы в области электролюминесценции возобновились. В конце 40-х годов американский физик чешского происхождения, Курт Леговец, повторил опыт Олега Лосева и начал исследования в этом направлении. В 1951-м он с соавторами опубликовал работу, в которой давал теоретическое обоснование свечения в полупроводниках.

В 1955-м Рубин Браунштайн, сотрудник компании Radio Corporation of America, обнаружил, что простые диодные структуры на основе арсенида галлия и некоторых других элементов испускают инфракрасное излучение. Но практического применения этому открытию тогда не нашлось. А шесть лет спустя двое исследователей из компании Texas Instruments (кстати, той самой, что разработала первые портативные калькуляторы), Джеймс “Боб” Биард и Гари Питтмен, усовершенствовали инфракрасный светодиод Браунштайна и получили на него патент.

На основе их разработок Texas Instruments создал SNX-100 – первую коммерчески доступную светодиодную лампочку. Работала она в инфракрасном спектре, то есть видимого света не давала, да и стоила 260 долларов, но зато могла использоваться в электронном оборудовании. Первые светодиоды нашли применение в компьютерных платах компании IBM.

Глобальным прорывом стал 1962 год, когда Ник Холоньяк, инженер General Electric, с группой коллег создал первый светодиод видимого излучения на основе арсенофосфида галлия (GaAsP) – достаточно практичный и достаточно яркий для широкого использования. Именно поэтому звание “Изобретателя светодиода” официально носит Холоньяк, а не кто-то из предшественников, работавших в этой области.

Три основных цвета

Первые светодиоды были дороги, тускловаты и только одного цвета – красные. Последнее – не из каких-то эстетических соображений, а в силу того, что кристаллы арсенофосфида галлия излучают именно такой свет. Именно потому красный стал цветом по умолчанию для многих индикаторов, где применяются светодиоды. Красными же были цифры в тех самых первых калькуляторах.

Но если для вычислений на счетной машинке цвет цифр значения не имел, то вот цена – да. Делать крупные дисплеи с большим количеством светодиодов было бы невыгодно; в итоге проблему мелких и неярких цифр обошли установкой увеличительных линз перед цифрами. Но саму суть вопроса это не решало. Ученые, инженеры, изобретатели продолжали работать над улучшением светодиодов.

Первый синий светодиод получил в 1971 году Жак Панков, американский учёный и изобретатель, родившийся в СССР. Но его кристалл был слишком тусклым и слишком дорогим для практического применения. В 1972 году аспирант Холоньяка, М. Джордж Крэфорд, создал первый желтый светодиод и смог значительно увеличить яркость красного. В 76-м Томас Пирсалл разработал высокоэффективный, очень яркий светодиод для использования с оптоволокном для телекоммуникаций.

К концу 80-х годов, благодаря разработке новых материалов, – соединений индия, галлия, алюминия, светодиоды стали мощнее, ярче, долговечнее и дешевле. Теперь их можно было задействовать вместо традиционных ламп в различных приборах. Появились зеленые, оранжевые светодиоды; диапазон их применения всё увеличивался. Особый интерес к светодиодам проявила автомобильная промышленность – их начали использовать в стоп-сигналах, поворотниках автомобилей, светофорах. Стало очевидно, что светодиоды будут здесь надежнее и долговечнее, чем обычные лампы накаливания – благодаря более длительному сроку службы и нечувствительности к количеству циклов включения-выключения.

Основная задача, которая теперь стояла перед учеными, – создание синего светодиода. Почему именно синего? Вспомним цветовую модель RGB – чтобы получить белый цвет, нужно смешать красный, зеленый и синий. То есть появление практичного и недорогого синего светодиода позволило бы делать белые светодиодные источники света. И вот в начале 90-х японскому инженеру Сюдзи Накамуре удалось изготовить синие светодиоды высокой яркости на базе нитрида галлия. Именно за это в 2014 году Накамура, а также Исаму Акасаки и Хироси Амано, которые вели параллельные разработки в этой области, получили Нобелевскую премию по физике.

В настоящее время светодиоды синего цвета свечения используются для создания сверхярких светодиодов белого цвета свечения.

В основе процесса формирования белого цвета лежит эффект сдвига Стокса в сложных органических красителях — люминофорах. Коротковолновый квант синего цвета дробится молекулярной оболочкой, поглощаясь и последовательно переизлучаясь, на несколько квантов других, более длинных волн, а внутримолекулярная релаксация энергии способствует формированию непрерывного спектра, покрывающего большую часть видимого человеческим глазом (вплоть до инфракрасного излучения). Полученный непрерывный спектр воспринимается человеческим глазом как свечение белого цвета, а полученные оттенки зависят от качеств люминофорного покрытия кристалла светодиода.

Что-то большее

Внезапно светодиоды перестали быть просто красной точкой – теперь они могли осветить весь мир, ярко и экономично. Больше того – это открыло множество новых применений для светодиодов. Цветные светодиодные экраны и экраны со светодиодной подсветкой, “бегущие строки”, светодиодные дорожные знаки, прожекторы, гирлянды, уличные фонари и ручные фонарики, фитолампы для теплиц, даже одежда и обои!

На каком бы устройстве вы ни читали эту статью – на смартфоне, планшете, компьютере, скорее всего его экран – это ЖК-дисплей со светодиодной подсветкой. Если вы за компьютером, приподнимите мышку: вот этот красный светодиод позволил нам забыть о постоянно загрязняющемся шарике механических мышек и ковриках для них. Включите телевизор: в его пульте – инфракрасный светодиод. Выгляните в окно: яркая реклама на большом цифровом билборде – это светодиоды (какой путь от маленького тусклого экранчика калькулятора!).

И это – не окончание истории. Развитие LED-технологий продолжается. Уже появились органические светодиоды и экраны на их основе; яркие светодиоды на нанокристаллах. Совершенствуются технологии высокоскоростной передачи информации с помощью светодиодов (Li-Fi). Что будет дальше? Обязательно увидим.