Светодиоды — полупроводниковые приборы, излучающие свет при прохождении через них электрического тока. В наше время они окружают нас буквально повсюду. Если сравнить то, как выглядят наши вечерние города сейчас и как они выглядели в конце прошлого века, мы прежде всего увидим разницу в освещении и декоративной подсветке. Наши города стали выглядеть красивее, наряднее и праздничнее именно благодаря светодиодам.
И хотя уличное освещение и декоративная подсветка очень важны, этим область применения светодиодов не ограничивается. Эти устройства также нашли самое широкое применение в различных дисплеях: от рекламных и информационных табло до дисплеев на стадионах. Светодиодные фонарные столбы, светофоры, автомобильные фары и панели приборов существенно улучшили условия дорожного движения.
Светодиодная подсветка сделала возможным широкое использование жидкокристаллических телевизионных экранов, а также дисплеев смартфонов, ноутбуков и умных часов. Разнообразные фонари и фонарики, включая самые маленькие в фотокамерах и мобильных телефонах, также стали неотъемлемым атрибутом нашей жизни. Светодиоды являются источником света в системах оптоволоконной связи. Инфракрасное освещение для ночного видения камер видеонаблюдения и работа пультов дистанционного управления также обеспечиваются светодиодами.
Почему светодиодам удалось занять столь доминирующее положение по сравнению с другими источниками света? Причина в уникальном сочетании их рабочих характеристик. Светодиоды маленькие, прочные, потребляют мало энергии, используют низкое рабочее напряжение, не требуют времени для разогрева, демонстрируют долгий срок службы. Прежде чем перейти к приключениям синего светодиода, давайте немного освежим в памяти, как вообще работает светодиод.
Работа светодиодов основана на принципе электролюминесценции. Электролюминесценция — это электрооптическое явление, при котором материал излучает свет вследствие проходящего через него электрического тока. Когда ток проходит через светодиод, электроны рекомбинируют с дырками на p-n переходе, в результате чего выделяется энергия в виде фотонов, то есть излучается свет. По мере увеличения прямого напряжения интенсивность света увеличивается. В зависимости от используемого полупроводникового материала и легирующих добавок светодиод излучает свет определенной спектральной длины волны, то есть того или иного цвета.
Двумя основными материалами, используемыми в светодиодах, являются сплавы фосфида алюминия-галлия-индия (AlGaInP) и сплавы нитрида индия-галлия (InGaN). Алюминиевые сплавы используются для получения красного, оранжевого и желтого света, а сплавы индия — для получения зеленого и синего света (добиться синего цвета технологически оказалось труднее всего). Небольшие изменения в составе этих сплавов меняют цвет излучаемого света. Разумеется, светодиод — это прежде всего диод: он пропускает ток в прямом направлении и блокирует его в обратном. Но если в стандартном диоде энергия выделяется в виде тепла, то в светодиоде — в виде света.
Впервые излучение, генерируемое в твердом теле при протекании электрического тока, было обнаружено английским инженером Генри Джозефом Раундом в 1907 г. У истоков создания светодиодов также стоял наш выдающийся соотечественник, физик Олег Владимирович Лосев. Изобретатель ещё в 20-х годах прошлого века обнаружил явление электролюминесценции в диодах, используемых в радиоприемниках. Он является автором первого в мире патента на «световое реле» (прототип светодиода). К большому сожалению, учёный умер в возрасте 38 лет в блокадном Ленинграде. О. В. Лосев широко признан в мировых научных кругах как человек, внёсший значительный вклад в создание этой выдающейся технологии.
Итак, за открытие в 1989 году ярко-синего светодиода Нобелевской премии по физике 2014 года были удостоены инженер Сюдзи Накамура (американец японского происхождения), а также японские физики Хироши Амано и Исаму Акасаки. Следует отметить, что к 1989 году красные и зелёные светодиоды существовали уже не одно десятилетие, но никакого шума из-за них никто не поднимал. В чём же особенность именно синего светодиода? Этот светодиод примечателен не столько сам по себе, сколько тем, что в сочетании с уже существующими красными и зелеными, синий светодиод позволил генерировать полностью белый свет. А это, в свою очередь, позволило начать процесс массовой замены осветительных ламп накаливания и люминесцентных ламп на светодиодные.
Собственно говоря, именно такой и была формулировка основания получения премии: «за изобретение эффективных синих светодиодов, которые позволили получить яркий и энергосберегающий белый свет». Синий светодиод дополнил спектр основных цветов модели RGB (red, green, blue = красный, зелёный, синий). Это, например, позволило производить видимые полноцветные светодиодные экраны. Так что наши OLED экраны телевизоров и смартфонов действуют именно благодаря этому изобретению.
Очевидно, что белые светодиоды — самые сложные в изготовлении. Такие светодиоды можно изготавливать «классическим» образом: смешением излучений трёх монохромных светодиодов красного, зелёного и синего цветов (RGB), объединённых общей линзой. Это наиболее дорогие, яркие светодиоды с возможностью тонкого управления цветом. Но есть и эконом-вариант: люминофорные светодиоды, в которых используются только синие светодиоды. Белый свет в них получается смешением излучения синего света диода и переизлучения люминофорного покрытия (чаще всего жёлтого, на которое воздействует тот же синий цвет).
При вручении Нобелевской премии прозвучали слова: «Лампы накаливания освещали XX век. XXI век будет освещен светодиодными лампами». Лучше о значении этого открытия и не скажешь.
