История светодиода - от индикатора до мощного источника света...

В 1907 году английский инженер Х.Д. Раунд, трудившийся во всемирно известной лаборатории Маркони, случайно заметил, что у работающего детектора вокруг точечного контакта возникает свечение.

В 20-е годы ХХ века, Олег Владимирович Лосев, в Нижегородской радиолаборатории (НРЛ), исследовал явление излучательной рекомбинация и наблюдал свечение кристаллов карборунда (карбид кремния SiC). О.В.Лосев обессмертил свое имя этим открытием, он первый в мире показал электролюминесценцию полупроводников, т.е. испускание ими света при протекании электрического тока.

В 30-е годы профессором МГУ Г. С. Ждановым, опубликована первая научная статья о кристаллах нитрида галлия.

В 1951 году центр по разработке "полупроводниковых лампочек", действующих на основе "эффекта Лосева", был создан в Америке, где его возглавил К. Леховец.

В 1961 году американские экспериментаторы Роберт Биард и Гари Питтмэн обнаружили, что при прохождении электрического тока, GaAs (арсенид галлия – важный полупроводник) испускал инфракрасное излучение. Они получили патент на инфракрасный светоизлучающий диод.

В 1962 году первые, имеющие промышленное значение светодиоды были созданы в лабораториях Иллинойского Университета на основе структур GaAsP/GaP Ником Холоньяком (США).

В 60-е годы были созданы первые цветные светодиоды из GaP, излучающие красный и желто-зеленый свет. Световая отдача этих светодиодов составляла около 1-2 Лм/Вт.

В 1968 году компания Monsanto, которая специализировалась на продаже сырьевого материала фосфида арсенида галлия, и поставляла этот материал компании  Hewlett-Packard, построила свою фабрику и наладила серийный выпуск светодиодных ламп, предназначенных для индикаторов.

В 1968 году в США компания Hewlett-Packard выпустила в свет самый первый в мире светодиодный экран, предназначенный для рекламы. Это был слабосветящийся дисплей, световой поток его был очень слабым, всего 0,001Лм и информация на котором отображалась только красным цветом.

В 70-х годах начинается бурное развитие этой отрасли. Светодиоды совершенствуются сразу по двум направлениям: расширение диапазона излучения и увеличение светового потока.

В 70-е годы Ж. И. Алферов (лауреат Ленинской премии), с сотрудниками, разработал так называемые многопроходные двойные гетероструктуры, позволившие значительно увеличить внешний квантовый выход за счет ограничения активной области рекомбинации. Были предложены и практически изготовлены гетероструктуры, сначала на основе GaAs и его твердых растворов типа AlGaAs, а затем и на основе других полупроводниковых соединений, при этом был, достигнут внешний квантовый выход до 15% для красной части спектра (световая отдача до 10 Лм/Вт) и более 30% - для инфракрасной. Показателен факт присуждения Жоресу Ивановичу Алферову Нобелевской премии в 2000 году, когда стали очевидными важность и огромное значение его работ для развития науки и техники.

В 70-ых годах прошлого столетия профессору Жаку Панкову из фирмы IBM  удалось получить голубой светодиод на основе плёнок нитрида галлия на сапфировой подложке. Но руководство не поддержало работу Панкова, сказа, что «это дорого и не так ярко и p-n-переход нехорош».

В 1976 году компания Hewlett Packard разработала светодиоды на основе фосфидов алюминия-галлия-индия которые излучали красно-оранжевый, желтый и желто-зеленый свет.

В начале 1980-х важное открытие сделали учёные Геннадий Сапарин и Михаил Чукичев из Московского Государственного Университета им. Ломоносова. Они обнаружили, что после воздействия электронного пучка на кристалл нитрида галлия, легированного цинком происходит яркое люминесцентное свечение частей образца. Причину учёные объяснить не смогли.

С 1985 года световой поток светодиодов увеличился до 1-100 лм, и они уже стали применяться в качестве отдельных световых элементов, таких, например, как лампы в автомобилях.

В 1989 году Исаму Акасаки создал диод синего свечения на базе нитрида галлия, правда, с эффективностью всего в 1%.

28 марта 1991 года, проблему отсутствия приборов, излучающих в синем диапазоне, решил доктор Ш. Накамура (Shuji Nakamura) из японской компании Nichia Chemical с помощью гетероструктуры на основе нитрида индия-галлия InGaN. Изобретение синих светодиодов замкнуло "RGB-круг": теперь стало возможным получение любого цвета, в том числе любого оттенка белого цвета простым смешением цветов. При этом могут быть использованы как отдельные светодиоды разных цветов, так и трехкристальные светодиоды, объединяющие кристаллы красного, синего и зеленого свечения в одном корпусе.

29 ноября 1993 года компания Nichia Chemical Industries объявила, что завершила разработку голубых светодиодов на основе GaN и планирует приступить к их массовому производству.

В январе 1994 доктор Накамура создал первый синий светодиод коммерческого назначения.  В итоге в конце XX века световая отдача красных и зеленых светодиодов  увеличилась в 100 раз по сравнению с 1970-ми годами и достигла значений 10–20 лм/Вт.

К декабрю 1997 года компанией Nichia Chemical Industries были запатентованы главные этапы технологии. В этом процессе могут использоваться, как отдельные разноцветные светодиоды, так и «трехкристалльные», - светодиоды, в корпусе которых объединены кристаллы синего, зеленого и красного свечения. Вскоре объем реализации голубых и зеленых светодиодов, произведенных этой компанией, достиг 20 миллионов штук в месяц.

К началу 1990-х годов светоотдача промышленных полупроводниковых светодиодов уже перешагнула рубеж в 30 лм/Вт. С этого времени светодиоды становятся адекватной альтернативой лампам накаливания.

На рубеже 90-х годов наша промышленность выпускала более 100 млн. светодиодов в год; мировая - десятки миллиардов.

В 1997 году инженер Фред Шуберт изготовил первый в мире светодиод, излучающий белый свет.

В 1999 году доктор Накамура объявил, что яркость излучения светодиодов достигает уже 60 лм/Вт, а мощность желтых на основе InGaN - 6 мВт.

В 1999 году, компании "Nichia Chemical", "Toyoda Gosei", "Hewlett Packard", "Cree", выпускали по нескольку десятков миллионов голубых и зеленых светодиодов в месяц.

С 2000 года начался массовый выпуск светодиодов компаниями "Osram" и "Nichia Chemical".

В 2000 году «Большой Тройкой» - LumiLeds / Phillips, Osram / Сгее и GELcore / Uniroyal/GE было инвестировано свыше 70 миллионов долларов в исследовательскую деятельность, связанную с возможностями применения и производства светодиодов.

К 2006 году эффективность светодиодов белого свечения более чем удвоилась: один из передовых производителей, компания Сгее, смогла продемонстрировать на опытных образцах показатель 70 лм/Вт, что представляет 43-процентное увеличение по сравнению с максимальной светоотдачей их серийных белых светодиодов.

В декабре 2006 года фирма Nichia анонсировала новые светодиоды белого свечения с достигнутой эффективностью светоотдачи 150 лм/Вт. Данные образцы продемонстрировали световой поток 9,4 лм с цветовой температурой 4600К при силе тока 20 мА в условиях лаборатории. Заявленная эффективность приблизительно в 11,5 раз выше таковой у ламп накаливания (13 лм/Вт), в 1,7 раза выше, чем у современных люминесцентных ламп (90 лм/Вт). Более того, превышен показатель натриевых ламп высокого давления (132 Лм/Вт), являющихся лучшим по эффективности источником света среди традиционных ламп.

К началу 2007 года светодиоды заняли прочные позиции на рынке, и сфера их применения значительно расширилась. Основной объем рынка мощных светодиодов к 2007 году распределился так:

• Мобильные устройства - около 50%
• Автомобильная светотехника - не менее 15%
• Всевозможные табло, экраны - 15%
• Применение светодиодов в качестве альтернативного общего освещения пока еще не превышает 5%.

На период окончания 2010 г - начало 2011 г светодиоды прочно укрепились в определенных областях освещения, и сегодня светодиодные лампы являются идеальной альтернативой обычным лампам накаливания. Появилась возможность использовать светодиоды в лампочках с привычным размером цоколя.

А совсем недавно, корпорация Nichia сообщила о разработке экспериментальных светодиодов, которые благодаря нескольким усовершенствованиям в конструкции и материалах сделали большой шаг вперед в повышении КПД источников света. Дабы приблизить световую революцию, то есть открыть светодиодам дорогу к массовому общему освещению, специалисты Nichia обратили внимание на несколько сторон устройства приборов, влияющих на светоотдачу и эффективность. В результате родились три новых светодиода. Первый светодиод при токе 1 Ампер выдает суммарный поток в 1913 Люмен (больше, чем у 100-ваттной лампы накаливания) при КПД в 135 Люмен на Ватт. Замечу, что некоторые коммерческие светодиоды добрались уже до 150 Лм/Вт, а лучшие опытные образцы до сего дня держали рекорд в 169 Лм/Вт. Держали, поскольку второй образец при токе в 350 милиампер выдает 203 Лм с КПД 183 Лм/Вт. А третий вариант при 20 мА генерирует всего 14,4 Лм, но зато с КПД в 249 Лм/Вт. А это уже совсем близко к теоретическому пределу для белых светодиодов, который японские ученые оценивают в 260-300 Лм/Вт. Японцы также утверждают, что эксперименты будут продолжены, поскольку резервы для повышения КПД еще есть.

Не только я, но и Вы уже заметили, что светодиоды не только набрали солидные обороты за последние десятилетия, но и имеют стойкую тенденцию к дальнейшему развитию. Что касается светодиодов, максимальная эффективность которых еще не достигнута, потенциально они могут претендовать на значительную долю рынка освещения в течение следующих 10-15 лет. А световая эффективность белых светодиодов может возрасти к 2028г до 260-300 Лм/Вт, что в три раза превышает данные самых эффективных из существующих на сегодняшний день люминесцентных ламп.