И нека бъде светлина
Какво е LED и защо чуваме тези три букви постоянно? Историята започва още в началото на 20-ти век. В свят, в който всички използвали газови лампи и свещи за осветление, учените започнали да разработват по-практично решение, което впоследствие променило облика на света. Те поставили основната идея за крушката с нажежаема жичка. Вече имало ясно изградена представа за това как ще изглежда, на какъв принцип ще свети, каква жичка ще има, но имало един проблем – не светела дълго.
Тук се намесил Томас Едисън, който през 1879 година установил, че за нейното дълготрайно светене и ефективност е необходимо да се изтегли въздухът от стъкления балон, а нажежаемата жичка да се направи от волфрам.
След изобретяването ѝ учените установили друг ефект на светене – флуоресценцията. Джордж Гейбриъл Стокс пръв забелязал феномена през 1852 година, а през 1934 година Артър Холи Комптън, от General Electric, осъществява успешен опит с луминесцентно осветление, което довежда до първите прототипи на луминесцентната лампа.
Макар господството на лампата с нажежаема жичка, 20ти век довежда до редица открития в сферата на осветлението. Втората половина на века води и до изобретяването на металхалогенната лампа – HID (High-Intensity Discharge Lamps). Тя представлява електрическа лампа с газозаряден излъчвател. Той произвежда светлина, като създава електрическа дъга между волфрамови електроди. В началото на 90-те години тя се използва широко за фарове на автомобили, велосипеди, фенери и други подобни осветителни тела.
В отговор на петролната криза през 1973 Едуард Хамър, инженер от General Electric, изобретил спираловидната лампа (CFL – Compact fluorescent lamp). Тя се появила през 1976, позната като енергоспестяваща. Иновативният ѝ дизайн и принцип на работа били копирани и от други производители, което довело до масово ѝ производство. И макар изобретено след 50-те години и усъвършенствано в началото на настоящия век, LED осветлението категорично заявява своето присъствие.
Какво е LED и как работят светодиодите?
Какво е LED? LED- Light Emitting Diode представлява полупроводников диод, който се състои от области с положителни и отрицателни токоносители и p-n преход. Той излъчва некохерентна светлина в тесен спектър, когато през него протича ток.
Диодът използва една част от N-тип материал (с излишък на електрони) свързана за друга част от P-тип материал (с излишък на „дупки“). Мястото, където двата елемента се срещат се нарича преход.
Първоначално N материалът има повече електрони, а P материалът има по-малко. Това създава дисбаланс, при което електроните и дупките започват да се движат едни към други през прехода, привлечени от техните противоположни електростатични заряди.
Когато една дупка и електрон се срещнат, те се неутрализират взаимно, формирайки неутрална зона от свързани дупки и електрони.
Когато се свърже P-тип материала към положителния полюс и респективно N-типа към отрицателния полюс на източник на захранване се образува електрическо поле в диода. Това кара свободните електрони да бъдат привлечени към положителния електрод и отблъснати от отрицателния.
Ако вдигнем напрежението достатъчно високо, електроните, които спокойно си седят в дупките, намиращи се в зоната на изчерпване, биват изхвърлени. В резултат на това, зоната бива елиминирана и всички електрони и дупки започват да се движат наново. Когато електрон попадне в по-слабата по енергия дупка, той трябва по някакъв начин да изгуби излишната енергия. И така, тази енергия бива отдадена като фотон – основната единица на светлината. Разликата в енергийните нива определя енергията и силата на фотона (силата на светене).
Бащите на светодиода
През 1906 година британският учен Хенри Роунд от лаборатории Маркони открива, че съединението на полупроводник произвежда светлина – електролуминесценция. През 50-те години на 20 век други британски учени експериментират в електролуминесценцията. Те използват полупроводник наречен галиев арсенид (GaAs), който довежда до разработването на първия инфарчервен диод. През 1962 година Ник Холониак от Дженерал Електрик ( General Electric), създава първия видим светлинен спектър, който светел в червено. Това откритие му спечелило титлата “ Бащата на светодиодите“.
По-късно заедно с негов бивш студент – Джордж Крафорд изобретили първия жълт LED и в крайна сметка много по-яркия червено-оранжев светодиод. 80-те години на миналия век са белязани със създаването на светодиода направен от галий-алуминиев-арсенид. Чрез него можело да се да се излъчва червена, жълта, оранжева и зелена светлина. Той светел 10 пъти по-ярко от старите LED модели.
Защо се забави белият светодиод? Какво е LED с бяла светлина?
В зависимост от изпозвания полупроводник цветовете на светене на LED са:
AlGaAs – червен, инфрачервен;
AlGaP – зелен;
AlGaInP – оранжево-червен, оранжев, жълт и зелен;
GaAsP – червен, оранжево-червен, оранжев и жълт;
GaP – червен, жълт, зелен;
GaN – зелен, син;
InGaN – близка УВ, синьо-зелен, син;
SiC – син;
Al2O3 – син;
ZnSe – син;
AlN,
AlGaN,
AlGaInN – от близката до далечната ултравиолетова
Независимо, че първите светодиоди са произведени през 60-те години на миналия век, белите светодиоди се появяват в края на 20ти век. Това се дължи на факта, че всички LED излъчват в много тесен спектър на светлината. Бялата светлина е съвкупност от всички спектри на видимата светлина. На практика, в бялото се включват всички цветове – започвайки от червено (веднага след инфрачервения спектър), минавайки през жълто, зелено и достигайки до синьо преди ултравиолетовия спектър.
Първите опити да се създаде бял LED се базират на RGB технологията. Комбинирането на червен, син и зелен светодиод дава бяла светлина. Технологията, обаче се оказва изключително скъпа и неприложима за масово разпространение.
LED иноватори
През 1991 година Исаму Акасаки, Хироши Амано и Шуджи Накамура изобретяват белите светодиоди използвайки сини и UV LED. За това си откритие те печелят Нобелова награда за физика през 2014 година.
“ Лампите с нажежаема жичка осветиха 20ти век, 21ви век ще бъде осветен от LED лампи! „
– отбелязва Нобеловият комитет
Тримата японци откриват принципа, при който се използва фосфорен материал за превръщане на монохроматичната светлина от син или утравиолетов светодиод в широкоспектърна бяла светлина. Флуоресцентната светлина е сходна.
Какво е LED с бяла светлина?
При светодиодите на основата на фосфорен материал, светодиодите се покриват в един цвят (най-често сини светодиоди от InGaN индий галиев нитрид) с фосфор в различни цветове. За да се образува бяла светлина и се получават т.н. бели светодиоди на основата на фосфор.
В зависимост от цвета на оригиналния светодиод могат да се използват фосфори в различни цветове. Ако се нанесат няколко фосфорни слоя с различни цветове, излъчваният спектър се разширява, като се повишава стойността на CRI – индекс на цветопредаване на дадения светодиод.
Днес белият светодиод се предлагат в различни видове цветна температура, варираща от 2700K (топло бяло) до 14000K (студено бяло).
Приложения на LED
Само преди две десетилетия светодиодните модули намираха приложение само в тясно профилирани сфери, като например: дистанционни управления, аварийни изходи и индикация и осветяване на контролни уреди.
В наши дни нещата изглеждат по-различно. LED осветлението вече все по-често бива прилагано както в индустрията, така и в бита. Те предлагат безброй LED решения за дома, осветяване на бензиностанции, халета, метро станции и др, автомобилната индустрия, материали за вътрешна и външна LED реклама.
Вече дори и не си задаваме въпроса „Какво е LED?“. Толкова сме свикнали със светодиодната технология – на практика навсякъде около нас е LED технологията – осветление, телевизори, дистанционни, лазерни епилатори, инфрачервени масажори и редица други.
