История светодиодного источника света

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск
Зеленая электролюминесценция на кристалле, по эксперименту H. J. Round's в 1907.

История создания светоизлучающего диода (СИД) начинается с исследований явления электролюминесценции, приведшей в дальнейшем к созданию светодиодов. Впервые электролюминесценция была обнаружена в 1907 британским экспериментатором H. J. Round в лаборатории "Marconi Labs", который использовал кристаллы карбида кремния и точечные проволочные контакты для подведения к ним электрического потенциала.[1],[2]

Российский инженер Олег Владимирович Лосев независимо сообщил о обнаруженной им люминесценции в кристаллах полупроводника в 1927.[3][4] Его исследования были опубликованы во многих российских, немецких и британских научных журналах, но в течение нескольких десятилетий не было проявлено никакого практического интереса к его открытию.[5],[6]

Спустя более чем два десятка лет, Рубин Бронштеин из американской "Радио-Корпорации" сделал сообщение относительно обнаруженной им инфракрасной эмиссии от полупроводникового P/N перехода созданного на основе арсенида галлия (GaAs) в 1955.[7] Бронштеин наблюдал инфракрасную эмиссию, излучаемую простыми диодными структурами, на P/N переходах, выполненных на различных полупроводниковых соединениях, таких как: антимонид галлия GaAs, (GaSb), фосфид индия (InP), а также и на кремниевых переходах.

В 1961 г. экспериментаторы Роберт Биард и Гэри Питтман, работающие в компании "Техас Инструмент",[8] обнаружили, что P/N переход на основе арсенида галия (GaAs) испускает инфракрасное излучение под действием электрического тока, и получили патент на первый полупроводниковый инфракрасный излучатель.

Первый светодиод излучающий в видимой области спектра (красной), подходящий для практического использования был создан в 1962 Ником Холоньяком младшим, работавшим в компании Дженерал Электрик.[9] Holonyak считается "отцом светодиода".[10]

Позже, M. Джордж Крафорд[11], аспирант Холоньяка, создал первый светодиод с жёлтым цветом свечения и добился увеличения яркости излучения красного и красно-оранжевого СИД в десять раз в 1972.[12]

В 1976, T. P. Pearsall создал первые сверхяркие, высокоэффективные СИД для оптических телекоммуникаций, применив новые полупроводниковые материалы, излучающие на определённых длинах волн, используемых для передачи сигнала в оптическом волокне.[13]

Изначально инфракрасные СИД, были чрезвычайно дорогостоящими (стоимость порядка 200$ США за единицу, при заказе крупной партии) и имели небольшое практическое применение.[14] Компания "Monsanto" была первым производителем наладившим серийный выпуск светодиодов излучающих в видимой красной области (на основе фосфида галлия и арсенида галлия) в 1968 году, подходящих для элементов индикации.[15]

Компания Hewlett Packard (HP) начала применение СИД с 1968 года, первоначально используя СИД созданные на основе GaAsP, поставляемые компанией "Monsanto". Использование СИД имело отличные перспективы для применения в алфавитно-цифровых индикаторах и успешно использовались в первых переносных калькуляторах выпускаемых компанией HP. В 1970-ых коммерчески успешные устройства с ценой менее, чем по пять центов каждый, начали производится оптоэлектронной компанией "Fairchild". Эти устройства использовались как отдельные полупроводниковые элементы, изготовленные по эпитаксиальному технологическому процессу, изобретенному доктором Жаном Хоерни Fairchild.[16] Комбинация инновационных методов эпитаксиального технологического процесса при изготовлении СИД, позволила группе учёных в "Fairchild" во главе с пионером оптоэлектроники Томасом Брандтом, достигнуть необходимого снижения себестоимости. Эти методы продолжают использоваться ведущими производителями в настоящее время.[17]

Применение[править]

Первые светофоры (использующие красные, желтые и зеленые СИД) для регулировки дорожного движения — были установлены в Швеции

Первые коммерческие СИД обычно использовались как замена накальных и неоновых ламповых индикаторов в семисегментных цифровых панелях[18] сначала в дорогом оборудовании, типа лабораторного оборудования для тестирования электроники, а позже в таких приборах, как телевизоры, радио, телефоны, калькуляторы, и даже видеоустройствах наблюдения. Эти СИД с красным цветом свечения использовались только как индикаторы, поскольку первая продукция всё ещё не обладала достаточно ярким свечением. Позже, стали широко доступными СИД с другими цветами свечения, что способствовало их более широкому использованию в приборах и оборудовании. С началом использования более передовых технологий получения материалов, производство светоизлучающих диодов было существенно увеличено, поддерживая при этом эффективность и надежность приборов на достаточном уровне. Изобретение и развитие полупроводниковых излучателей яркого белого света позволило использовать такие приборы даже для освещения[19],[20].

Большинство сверхмощных СИД производилось в виде матриц состоящих из множества кристаллов, расположенных на пластинах размером 5х5 мм и пластинах размером 3х3 мм. Но с увеличивающейся выходной мощностью излучателей, стало все более и более необходимым, для поддержания надежной работы излучателя, избавляться от выделяющегося при их работе "лишнего" тепла[21]. Поэтому в дальнейшем более сложные матрицы были приспособлены и к более эффективному отводу, и рассеиванию выделяющегося при их работе тепла. Матрицы светоизлучающих кристаллов для современных мощных, сверхярких СИД имеют небольшое сходство с первыми светоизлучающими диодами.

Продолжение развития[править]

машинный перевод! требует правки!

Иллюстрация Закона Хэйтза. Производство полупроводниковых излучателей света, как функция от года производства, отметьте, что используется логарифмический масштаб на вертикальной оси.

Первые полупроводниковые сверхяркие излучатели — синего цвета, демонстрировалась Shuji Nakamura из корпорации Nichia и были созданы на базе материала InGaN, где заимствовалась на основе экстремальных значений в образовании ядра GaN на подложках из сапфира; демонстрации с примесями p-типа GaN, которые были развиты Isamu Akasaki и H. Amano в Нагое. В 1995, Альберто Барбьери в Кардиффской Университетской Лаборатории исследовал эффективность и надежность сверхярких СИД и демонстрировал очень внушительный результат при использовании прозрачного контакта, полученного из оловянной окиси индия (МОТ) на кристалле излучателя (AlGaInP/GaAs). Появление синего СИД высокой эффективности, быстро привело к созданию первого излучателя «белого» цвета, который использовал Y3Ал5O12:Ce, или "YAG", как люминесцентное покрытие, чтобы смешать желтый (переизлучённый) свет с синим и в итоге получить цвет излучения, который ощущался как белый. Nakamura получили в 2006 году «Приз Технологии Тысячелетия» за это изобретение.[22]

Развитие технологии светоизлучателей позволило эффективно увеличиваться по экспоненте производству световой продукции, с удвоением, происходящим каждые 36 месяцев с 1960-ых, подобно закону Мура. Перспективы вообще приписываются параллельному развитию и других технологий полупроводников как в оптике, так и в материаловедческой науке. Эту тенденцию обычно называют Законом Хэйтза, в последствии, после доктора Роланда Хэйтза. [23]

В феврале 2008, университет Bilkent в Турции сообщил о достижении яркости люминесцентной эффективности 300 люменов в видимой области света и о теплом свете (цветовой температуре порядка 3000 К) при использовании монокристаллов [24].

В январе 2009, исследователи от Кембриджского Университета сообщили, что запустили технологический процесс для того, чтобы выращивать галлий азотирование (GaN) соединения для создания СИД непосредственно на кремнии. Издержки производства могли быть уменьшены на 90 % при использовании шестидюймовых кремниевых подложек, вместо двухдюймовых подложек из сапфира. Команда была во главе с Колином Хамфреисом.[25]

См. также[править]

Ссылки[править]

  1. H. J. Round (1907). "A Note on Carborundum". Electrical World 19: 309.
  2. Margolin J. "The Road to the Transistor". http://www.jmargolin.com/history/trans.htm.
  3. Losev, O. V. (1927). Telegrafiya i Telefoniya bez Provodov 44: 485–494.
  4. SU patent 12191
  5. Zheludev, N. (2007). "The life and times of the LED — a 100-year history" (free-download PDF). Nature Photonics 1 (4): 189–192. doi:10.1038/nphoton.2007.34. http://www.nanophotonics.org.uk/niz/publications/zheludev-2007-ltl.pdf.
  6. Thomas H. Lee, The design of CMOS radio-frequency integrated circuits, Cambridge University Press, 2004 ISBN 0521835399, page 20, visible as a Google Books preview
  7. Braunstein, Rubin (1955). "Radiative Transitions in Semiconductors". Physical Review 99: 1892. doi:10.1103/PhysRev.99.1892.
  8. "The first LEDs were infrared (invisible)". The Quartz Watch. The Lemelson Center. http://invention.smithsonian.org/centerpieces/quartz/inventors/biard.html. Retrieved 2007-08-13
  9. "Nick Holonyak, Jr. 2004 Lemelson-MIT Prize Winner". Lemenson-MIT Program. http://web.mit.edu/invent/a-winners/a-holonyak.html. Retrieved 2007-08-13.
  10. Perry, T.S. (1995). "M. George Craford [biography]". IEEE Spectrum 32: 52–55. doi:10.1109/6.343989.
  11. Perry, T.S. (1995). "M. George Craford [biography]". IEEE Spectrum 32: 52–55. doi:10.1109/6.343989.
  12. "Brief Biography – Holonyak, Craford, Dupuis" (PDF). Technology Administration. http://www.technology.gov/Medal/2002/bios/Holonyak_Craford_Dupuis.pdf. Retrieved 2007-05-30.
  13. Pearsall, T. P.; Miller, B. I.; Capik, R. J.; Bachmann, K. J. (1976). "Efficient, Lattice-matched, Double Heterostructure LEDs at 1.1 mm from GaxIn1-xAsyP1-y by Liquid-phase Epitaxy". Appl. Phys. Lett. 28: 499. doi:10.1063/1.88831.
  14. E. Fred Schubert (2003). "1". Light-Emitting Diodes. Cambridge University Press. ISBN 0819439568.
  15. E. Fred Schubert (2003). "1". Light-Emitting Diodes. Cambridge University Press. ISBN 0819439568.
  16. Hoerni, J.A. U.S. Patent 3,025,589 "Method of Manufacturing Semiconductor Devices" filed May 1, 1959
  17. Park, S.-I.; Xiong, Y.; Kim, R.-H.; Elvikis, P.; Meitl, M.; Kim, D.-H.; Wu, J.; Yoon, J. et al. (2009). "Printed Assemblies of Inorganic Light-Emitting Diodes for Deformable and Semitransparent Displays". Science 325: 977. doi:10.1126/science.1175690.
  18. "LEDs cast Monsanto in Unfamiliar Role". http://eetimes.com/anniversary/designclassics/monsanto.html.
  19. "LED there be light". http://www.electrooptics.com/features/junjul06/junjul06leds.html. Retrieved 2009-03-04.
  20. "The LED Illumination Revolution". http://archive.is/20130108171148/http://www.forbes.com/2008/02/27/incandescent-led-cfl-pf-guru_in_mm_0227energy_inl.html. Retrieved 2009-03-04.
  21. "LED Thermal Management". http://www.lunaraccents.com/educational-LED-thermal-management.html. Retrieved March 16, 2009
  22. "2006 Millennium technology prize awarded to UCSB's Shuji Nakamura". http://www.ia.ucsb.edu/pa/display.aspx?pkey=1475. Retrieved 2007-05-30.
  23. "Haitz's law". Nature Photonics 1: 23. 2007. doi:10.1038/nphoton.2006.78.
  24. Warm light and high efficiency
  25. Colin Humphreys' cheap LED production method
Источники света (искусственного и естественного)
Источники искусственного света Источники естественного света
Вид излучения Название источника Вид излучения Название источника
Накаливания Лампа накаливанияГалогенная лампа Солнечное Солнце ([Видимый [свет]] • ИКУФ)
Флуоресцентные Люминесцентная лампаИндукционная лампаРтутная лампаЛампа чёрного света Лунное и других небесных тел свет планет, свет комет Луна (отражённые лучи солнца), планета, комета
Газоразрядные Лампы высокой интенсивностиНеоновая лампанатриевая газоразрядная лампаКсеноновая лампа-вспышкаГазосветные лампы Вулканическое Лава (Излучение расплавленных подземных пород при извержении вулкана)
Электродуговые Дуговая лампаКсеноновая дуговая лампаСвеча ЯблочковаМеталгалогенидная лампа Свечение Атмосферное Полярное сияние(свечение (люминесценции) верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра)
На сгорании Ацетиленовые лампыСвечиГазовая лампаКеросиновая лампаДруммондов светМасляные лампыЛучинаФакел Атмосферные электрические разряды Молния
Прочие Серная лампаСветодиоды (светодиодная лампаОрганический светодиод) Свет пожаров Лесной пожар,
Люминесценции ХемилюминесценцияРадиолюминесценцияСонолюминесценция Свет люминесценций в природе БиолюминесцентияХемилюминесценция
Осветительное оформление ПрожекторЛюстраТоршерБраЛампочка ИльичаMR16Фонарь (УличныйКарманный) • Взрывобезопасная лампаПлазменная лампаЭлектролюминесцентный проводЛавовая лампаОптическое волокно Свечение окисляющихся органических объектов и минералов Светящиеся браслетыАлмазХрустальКварц и др.