Вступление
Исаму Акасаки, Хироши Амано и Сюдзи Накамура (Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, Shuji Nakamura) награждены за изобретение нового экономичного и экологически чистого источника света – синий светодиод (blue light-emitting diode – LED). Премия имени Альфреда Нобеля присуждается за изобретение, принесшее наибольшую пользу человечеству. С помощью синих светодиодов и светодиодных ламп у нас теперь есть более долговечные и более эффективные альтернативы старым источникам света.
Когда Акасаки, Амано и Накамура в начале декабря прибыли в Стокгольм для участия в церемонии вручения Нобелевской премии, они вряд ли не заметили, что свет от их изобретения светится практически во всех окон города. Белые светодиодные лампы экономичны, долговечны и излучают яркий белый цвет. Более того, в отличие от люминесцентных ламп, они не содержат ртути.
До изобретения красные и зеленые светодиоды были у нас почти полвека, но синий свет был недоступен. Изобретение синего светодиода произвело настоящую революцию в технологии освещения. Только триада красного, зеленого и синего смогла произвести белый свет, пригодный для освещения.
История синего светодиода
Синий свет оставался проблемой в течение трех десятилетий.
Акасаки работал с Амано в Университете Нагоя, а Накамура работал в небольшой компании Nichia Chemicals, расположенной в Токусиме на острове Сикоку.
Когда они получили ярко-синий свет от своих полупроводников, ворота открылись для фундаментального преобразования технологии освещения. Лампочки накаливания озарили 20 век, 21 век озарился светодиодными лампами.
Экономия энергии и ресурсов
Светодиод состоит из ряда слоистых полупроводниковых материалов. В светодиодах электричество напрямую преобразуется в световые частицы – фотоны. Это приводит к повышению эффективности по сравнению с другими источниками света. В них большая часть электрической энергии преобразуется в тепло и лишь небольшое количество – в свет.
В лампах накаливания и в галогенных лампах электрический ток нагревает проволочную нить, заставляя ее светиться.
В люминесцентных лампах (их ранее называли энергосберегающими лампами, но с появлением LED ламп, такое название утратило смысл) возникает газовый разряд, создающий и тепло, и свет.
Новые светодиоды требуют меньше энергии для излучения света по сравнению со старыми источниками света.
Кроме того, они постоянно совершенствуются, становятся более эффективными за счет увеличения светового потока (измеряется в люменах) на единицу входной электрической мощности (измеряется в ваттах).
Светодиоды более долговечны, чем другие лампы. Лампы накаливания служат около 1000 часов, за это время (если нить накала не стряхнут) тепло разрушает нить накала. Люминесцентные лампы служат около 10 000 часов, могут служить 100 тысяч часов и это значительно снижает расход материалов.
Как работает синий светодиод
Светодиодные технологии это технологии полупроводников основанных на квантовых явлениях. Светодиод состоит из несколько слоев: слой n-типа с избытком отрицательных электронов и слой p-типа с недостаточным электронов, также называемый слоем с избытком положительных дырок.
Между ними находится активный слой, по которому движутся отрицательные электроны и положительные дырки, когда к полупроводнику прикладывается электрическое напряжение. Когда электроны и дырки встречаются, они рекомбинируют и создаётся свет.
Длина волны света полностью зависит от полупроводника. Синий свет появляется на коротковолновом конце спектра и получить его можно только из некоторых материалов.
Первое сообщение об излучении света полупроводником было написано в 1907 году Генри Дж. Раундом, сотрудником Гульельмо Маркони, лауреата Нобелевской премии 1909 года. Позже, в 1920-х и 1930-х годах, в
В Советском Союзе Олег В. Лосев более подробно изучил световое излучение. Однако Раунду и Лосеву не хватало знаний, чтобы по-настоящему понять это явление. Потребовалось несколько десятилетий, прежде чем были созданы предпосылки для теоретического описания этой так называемой электролюминесценции.
Красный светодиод был изобретен в конце 1950-х годов. Они использовались, например, в цифровых часах и калькуляторах или в качестве индикаторов включения/выключения в различных устройствах. На раннем этапе было очевидно, что для получения белого света нужен синий светодиод – светодиод с короткой длиной волны излучающий высокоэнергетические фотоны. Многие лаборатории пытались его сделать, но безуспешно.
Сложная конвенция
Лауреаты бросили вызов установленным истинам, они много работали и шли на значительный риск. Они построили свое оборудование, изучили технологию и провели тысячи экспериментов. Сначала они терпели неудачи, но не отчаивались.
Ими был опробован нитрид галлия. Вначале это материал считался подходящим для получения синего света, но практические трудности оказались огромными. Вырастить кристаллы нитрида галлия достаточно высокого качества никому не удавалось. Кроме того, создать в этом материале слои p-типа было практически невозможно.
Да будет синий светодиод
В 1986 году Акасаки и Амано первыми смогли создать высококачественный кристалл нитрида галлия. Путем размещения слоя нитрида алюминия на сапфировой подложке и последующего выращивания поверх него высококачественного нитрида галлия.
Спустя несколько лет, в конце 1980-х, они совершили прорыв в создании слоя p-типа. В 1992 году они смогли представить свой первый диод, излучающий ярко-синий свет.
Накамура начал разработку своего синего светодиода в 1988 году. Два года спустя ему тоже удалось создать высококачественный нитрид галлия. Он нашел свой собственный способ создания кристалла. Сначала вырастил тонкий слой нитрида галлия при низкой температуре и нарастил последующие слои при более высокой температуре.
Накамура с помощью более простого и дешевого метода (путем нагрева материала, а не пучком электронов, как у Акасаки и Амано) создал более функциональный слой p-типа в 1992 году. То есть, решения Накамуры отличались от решений Акасаки и Амано.
В течение 1990-х (бывшим советским гражданам читать очень внимательно) обеим исследовательским группам удалось улучшить свой синий светодиод, сделав его более эффективным. Они создали различные сплавы нитрида галлия с использованием алюминия или индия, сделав структуру светодиодов более сложной.
Кроме этого, Акасаки вместе с Амано и Накамурой изобрели синий лазер, в котором синий светодиод размера песчинки, стал важным компонентом.
В отличие от рассеянного света светодиода, синий лазер излучает более плотный луч, который может хранить в четыре раза больше информации, чем при инфракрасном свете. Это увеличение емкости хранения быстро привело к разработке дисков Blu-ray с более длительным воспроизведением, а также создание лазерных принтеров.
Многие бытовые приборы также оснащены светодиодами. Они есть на ЖК-экранах телевизоров, компьютеров и мобильных телефонов, их используют для вспышек фотоаппаратов.
Синий светодиод совершил революцию
Синий светодиод совершил революцию в области осветительной техники. Теперь белые светодиодные лампы могли быть созданы в двух разных вариантах.
- Во-первых, стало возможным использовать синий свет, чтобы возбудить люминофор, до его свечения красным и зеленым. Схождение всех трёх цветов, образует белый свет.
- Во-вторых, сало возможным собрать лампу из трех светодиодов, красного, зеленого и синего. В этом варианте глаз человека сделает работу по объединению трех цветов в белый.
То есть, светодиодные лампы это многофункциональные источники света. Ими можно создавать миллионы разных цветов, цвета и интенсивность могут быть изменены по мере необходимости. С их помощью создаются цветные световые панели размером в несколько сотен квадратных метров. Они мигают, меняют цвета и узоры и могут управляться компьютером.
Светодиодная лампа также имеет большие перспективы. Низкие требования к мощности подразумевают, что лампа может работать от дешевой местной солнечной энергии. Кроме того, загрязненная вода может стерилизоваться ультрафиолетовыми светодиодами с последующей обработкой воды синим светодиодом.
Заключение
Синий светодиод изобретен всего лишь двадцать лет назад. За это короткий срок он уже способствовал созданию белого света и открыл для человечества новый век не только освещения.
©ledinfo.ru
