Самым современным и экономным источником света считается светодиод. Но, прежде чем светодиоды попали к нам в домашние светильники, им пришлось пройти долгий и тернистый путь.
Не теплый и не ламповый
Генеральное направление развития радиотехники было, казалось, ясно уже в 1910-е. Электроника в начале ХХ века гордо блестела рядами разнокалиберных радиоламп, требовала времени на прогрев, «кушала» электричество как хорошая электроплита. И из-за особенностей работы ламповых цепей давала характерный мягкий звук.
На этом фоне отщепенцами смотрелись детекторные приемники. Физики обнаружили, что кристаллы некоторых веществ, совсем как радиолампа-диод, пропускали ток в одном направлении и не пропускали в другом. Интересный эффект позволял строить простенькие маломощные приемники буквально «на коленке», развлечение для энтузиастов. Тогда еще никто не подозревал, что будут значить полупроводники через каких-то 50 лет.
Свет на конце иглы
Еще в 1907 году британский ученый Генри Раунд обнаружил, что при работе твердотельного диода из карбида кремния в зоне между стальной иглой-контактом и кристаллом возникает слабое желто-зеленоватое или желто-оранжевое свечение. Как это часто бывает – явление отметили в лабораторном журнале и забыли.
В 1923 молодой советский ученый Олег Владимирович Лосев, работая с кристаллическими детекторами в Нижегородской лаборатории, не зная об опытах Раунда, повторил результат британца. И уже целенаправленно начал подбирать пары материалов и условия, чтобы получить максимально яркое свечение.
Статью о своих опытах Лосев опубликовал в советском журнале «Телеграфия и телефония без проводов», ее перепечатал ряд американских и британских журналов по радиоделу, а в 1927 году Лосев получил патент на то, что он назвал «световым реле». Эффект назвали «свечением Лосева». Поскольку квантовая физика в те годы делала первые шаги, полностью понять и «посчитать» его еще никто не мог, но пользоваться уже было можно.
Прибор Лосева был очень маленьким, но при этом давал свет при напряжении ниже 10 вольт. По сравнению с тогдашними лампами это была фантастика. К сожалению, потенциал открытия Лосева остался непонятым научным сообществом и промышленностью, а сам он, сделав еще ряд открытий в радиотехнике, не смог довести до конца исследования будущих светодиодов. Лосев умер от голода в блокадном Ленинграде в конце января 1942 года. Его разработки после войны продолжили коллеги в будущем ЛФТИ им. Иоффе.
«Взлететь» светодиодам удалось с третьей попытки. Помогло то, что к тому времени химики научились получать предельно чистые кристаллы кремния и других полупроводников, а от этого напрямую зависят яркость и эффективность светодиода.
В 1960-61 годах американцы Джеймс Роберт Байард и Гарри Питман повторили опыты Лосева и в 1962 году Texas Instruments выпустила первый промышленный светодиод. Он светил в инфракрасном (невидимом) диапазоне. А первый светодиод видимого света – ярко-красный – сконструировал в 1962 году Ник Холоньяк из Университета Иллинойса. Его и принято считать «папой» современных светодиодов.
Зеленый, желтый, красный…
Опыты со светодиодами продолжились в 1960-1970-е. Подбирая состав кристаллов, освоили желтый свет, потом смогли получить интенсивный зеленый с небольшим желтым отливом и синий, а также «невидимые» инфракрасный и ультрафиолетовый. Все остальные цвета получают, комбинируя разные кристаллы и нанесенные на них люминофоры со светофильтрами.
Но оставались нерешенными две проблемы: во-первых, традиционные светодиоды, чем ярче светили, тем страшнее грелись, во-вторых, один светодиод в 1970 году стоил 200 «тех» долларов (по нынешнему курсу это почти $1500).
Ленинградское открытие
В середине 1970-х пальма научного первенства снова перешла к Советскому Союзу: группа ученых из Ленинградского Физико-Технического института под руководством Жореса Алферова открыла новый материал для кристаллов светодиодов – полупроводниковые гетероструктуры. За них Алферова удостоили Нобелевской Премии по физике в 2000 году.
А гетероструктурные кристаллы стали основой для производства нового поколения светодиодов. Во-первых, лазерных, которые работают везде, от лазерной указки и Blu-ray проигрывателя, до промышленных станков для резки и сварки материалов и оптоволоконной связи, во-вторых – на их основе получилось делать дешевые и относительно «холодные» светодиоды для применения в быту.
Светлая революция
Маленький, разноцветный, прочный, потребляет мало энергии, слабо греется, ярко светит, долго живет – да это просто праздник какой-то для любой техники! С середины 80-х началось победное шествие светодиодов по планете. Сейчас на Земле, пожалуй, вообще нет электроприборов, в которых нет светодиодов. Даже читая этот текст, вы, скорее всего, смотрите либо на чисто светодиодную панель, либо на экран со светодиодной подсветкой.
Но в светильниках светодиоды «прописались» только в конце ХХ века. Для этого потребовалось открытие, которое сделали в 1992 году японцы Сюдзи Накамура, Исама Акасаки и Хироси Амано. Они придумали как получить дешевый синий светодиод – до этого синие светодиоды были самыми дорогими и редкими, поэтому их так до сих пор любят разные самодельщики. В 2014 году все трое разделили Нобелевскую Премию по физике.
После того как стали доступны кристаллы, дающие дешевый синий свет, стало возможно, «смешав» синий, зеленый и красный свет, получить белый. Первые «белые» светодиоды японская Nichia начала выпускать в 1996 году. А отсюда и до светодиодных ламп рукой подать.
Два пути – один результат
Первые бытовые лампы на светодиодах появились в 2000-е. Сегодня большинство светодиодных светильников относится к двум типам. Первый – условно «трехцветный». В них смешивается свет от «красного», «зеленого» и «синего» кристаллов. Управляя напряжением на каждом кристалле, можно получить практически любой оттенок света или просто белый. Второй – условно «люминесцентный». Они работают как обычная люминесцентная лампа, только вместо газового разряда ультрафиолет, от которого светится люминофор, дает светодиодный кристалл.
Сейчас все разработки ведутся в направлении того, как получить наиболее близкий к солнечному свет, избавиться от вредной «синей» части спектра и сделать все это как можно дешевле. Но, как бы то ни было, на сегодня самые продвинутые и экономные решения для освещения делаются на основе светодиодов. Они могут светить в среднем по 40 тысяч часов, очень прочны и отличаются довольно низким энергопотреблением. И это, скорее всего, будет способ, которым наши дома будут освещаться весь XXI век.
Больше познавательных статей на канале Норвик Банка
