Свечение кристаллического точечного детектора впервые в 1907 году наблюдал инженер Генри Раунд, работающий в лаборатории Гульельмо Маркони. Изучил явление электролюминесценции Олег Лосев из Нижегородской радиолаборатории, в 1923 году он продемонстрировал, что в карбиде кремния вблизи p-n-перехода осуществляется выпрямление электрического тока, которое сопровождается свечением.

Первый патент на «световое реле» Лосеву был выдан в 1927 году, но освоение светодиодной технологии в действительности началось не в России, а в 1960-е годы в США, когда полупроводники заявили в полную силу о себе. В 1961 году Гари Питтман и Роберт Байард из Texas Instruments изобрели и получили патент на технологию производства инфракрасных светодиодов - полупроводниковых источников невидимого света. Благодаря трудам Ника Холоньяка из организации General Electric в 1962 году был открыт первый красный светодиод. Всего через 10 лет на табло калькуляторов и различных часов загорелись красненькие циферки. С тех пор яркость светодиодов повысилась в миллион раз, а цена за штуку уменьшилась в тысячу раз.

Основной проблемой развития светодиодной технологии на первых этапах, т.е. первых светодиодов и тем более полупроводниковых лазеров (создаваемых на базе диодов) была их живучесть. Сначала, чтобы заставить светиться полупроводник, приходилось через него пропускать электрический ток плотности в 1000 А/мм2. Современным лазерным светодиодам хватает всего десятой доли ампера на миллиметр квадратный. Они стали на удивление долгоживущими приборами, которые могут функционировать по 10 и по 20 лет, не теряя яркости, им не страшны частые выключения, и они в одно мгновение выходят на штатный уровень освещения.

Прорыв в сфере твердотельной генерации света имел отношение к пионерским работам Герберта Кремера и Жореса Алферова – лауреатов Нобелевской премии 2000 года. Премия была дана не за создание самой светодиодной технологии, а за «работы над получением полупроводниковых структур, подходящих для использования в сверхбыстрой компьютерной технике». Но конкретно на таких гетероструктурах в 1970 году в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе в Санкт-Петербурге был создан первый полупроводниковый лазер, который мог непрерывно работать при комнатной температуре. Эти результаты стали основой докторской диссертации 35-летнего Алферова. Последующие работы по созданию лазеров и высокоэффективных светодиодов стали новым успехом Физтеха – в 1995 году был создан гетеролазер на квантовых точках. По предварительным прогнозам, к 2020 году в каждом ПК будет около 10 лазеров на квантовых точках, применяемых для скоростной цифровой связи памяти, процессоров и периферийных устройств. «Холодные» светодиоды появятся в патронах ламп, они будут испускать поток излучения благодаря очень тонкому слою квантовых точек. Это даст возможность получить спектр на самом деле приятный для глаз, не теряя при этом в эффективности.

Световая отдача

• Лампы накаливания, ртутные люминесцентные и лампы на светодиодах. Светодиодная технология. Часть 3
• Лампы накаливания, ртутные люминесцентные и лампы на светодиодах. Светодиодная технология. Часть 1
• Энергосберегающие лампы и лампы накаливания для освещения
• Школьники выступают за переход на светодиодное освещение в учебных заведениях
• Светодиодное освещение в квартире за 3 года сэкономит 20 тысяч рублей
• Светлановский проспект Санкт-Пертербурга перевели на светодиодное освещение
• Российский рынок светотехники ожидает существенный рост
• Отечественная компания AtomSvet создала новый светодиодный светильник для промышленного использования

В центре полупроводникового диода находится центральный элемент - p-n-переход. От него в области n ток переносится электронами, а с другой стороны, в области p – дырки, т.е. незанятые места в кристаллической решетке полупроводника, где не хватает электрона. Дырки и электроны при пропускании тока начинают двигаться по направлению друг другу. В районе p-n-перехода электроны оказываются в дырках, заполняют их и нейтрализуют. В ходе этого процесса рекомбинации образуется энергия.

Энергия эта не всегда выделяется в виде света, т.е. фотонов. Например, кремний, ключевой материал электроники, имеет такое устройство, что дырки и свободные электроны рекомбинируют, образуя слабую акустическую волну – фонон, - которая переходит в тепло при рассеивании. По этой причине микросхемы нагреваются, а не светятся.

Но иногда в полупроводниках рекомбинация происходит в сопровождении испускания кванта света, энергия которого находится в зависимости от разности энергий дырки и электрона – она в среднем для каждого полупроводника постоянна. Например, арсенид галлия пригоден для создания красных и инфракрасных светодиодов. Тройное соединение галлия, фосфора и мышьяка дает более яркие красные и желто-зеленые светодиоды. Соединения с индием, алюминием, фосфором и галлием послужили основой для ярких светодиодов оранжевого, красного и желтого свечения. Фосфид галлия со специальными активными оптическими примесями выделяет зеленое свечение. Нитрид галлия – ключевой современный материал для синих, ультрафиолетовых и зеленых светодиодов.