Сияющий кристалл

01 октября 2010 года, 00:00

Светодиоды почти без потерь превращают электрическую энергию в световую, и уже скоро настройка домашнего освещения под настроение станет не более сложным делом, чем выбор музыки 

Хорошо, когда на улице солнце (желательно всегда), окна большие, чистые и находятся на потолке. Дневное освещение идеально во всех отношениях, но имитировать его искусственно совсем непросто. В обычных лампах накаливания температура светящейся нити в два раза ниже солнечной (5770 K), и поэтому в спектре их излучения доминируют не зеленые, а красные цвета. Но за 100 лет использования ламп люди привыкли к этому теплому свету.

Ртутные люминесцентные лампы приблизили состав света к дневному (по сравнению с лампами накаливания их обычно и называют энергосберегающими, хотя этого названия достойны и другие лампы). В них  электрический разряд ионизирует атомы ртути, а те, возвращая себе оторванные электроны, испускают ультрафиолет, который заставляет светиться люминофор, покрывающий колбу изнутри. Люминесцентные лампы эффективнее переводят электроэнергию в свет, поскольку меньше нагреваются и дают большую часть излучения в тех участках спектра, где чувствительность глаз выше, чем в красной области. Но спектр первых люминесцентных ламп был далек от привычного теплового. Хотя выглядел он белым, цветовосприятие под ним искажалось. К тому же люминесцентные лампы заметно мерцали, утомляя глаза. А еще они были большими, не сразу разгорались и быстро перегорали при частых включениях. Применялись они в основном в учреждениях, отчего стали восприниматься как холодный «официальный» свет.

Техника, однако, не стоит на месте, и почти все недостатки люминесцентных ламп сегодня устранены. Электронные пускорегулирующие устройства избавили от неприятного мигания. Новые люминофоры дают свет более близкий к натуральному дневному, причем есть лампы с разной цветовой температурой — от холодных белых (6500 К) до теплых желтоватых (2700 К). Размеры ламп резко сократились за счет сворачивания газоразрядной трубки в спираль. Решена проблема частых включений и медленного разогрева. Наконец, благодаря унификации цоколя люминесцентные лампы стали взаимозаменяемы со старыми лампами накаливания и поэтому смогли прийти в жилые дома. Цена их первое время кусалась, но с налаживанием массового выпуска стала постепенно снижаться. Настал звездный час люминесцентного освещения.

Лампа накаливания
1. Двойная вольфрамовая спираль, излучающая при нагреве свет, и ее держатели
2. Стеклянная колба с винтовым цоколем
3. Инертный газ, заполняющий колбу и увеличивающий срок службы

Опоздавшие к поезду

К сожалению, промышленность России не успела подготовиться к тотальному переходу на компактные люминесцентные лампы. Их массовое производство не было развернуто, и страна все больше зависит от китайского импорта, который продается под российскими брендами. Правительство, подстегивая промышленность наверстать упущенное, запрещает продажу обычных лампочек накаливания. Заводы срочно переориентируются на опасное ртутное производство, но меры эти запоздалые и, вообще говоря, бессмысленные. Зарубежные производители люминесцентных ламп торопятся «отбить» ранее сделанные инвестиции, а весь мир уже активно осваивает новые светодиодные технологии освещения.

Светодиодные панели еще долговечнее и экономичнее, чем люминесцентные лампы. При этом они не содержат опасной ртути, не боятся частых включений, гибко регулируются по яркости и совершенно не мерцают. На освещение в развитых странах тратится 15–20% производимой электроэнергии. Переход на светодиоды позволит в несколько раз сократить затраты энергии в этом секторе. Поэтому по всему миру государства объявляют о планах тотального внедрения этой энергосберегающей технологии, а ведущие производители — о приоритетности полупроводникового направления в освещении.

Когда люминесцентная лампа, которой вы заменили вчера лампу накаливания, отслужит свой срок, на ее место вы уже сможете поставить светодиодный излучатель. Будет он отечественный или импортный, решается прямо сейчас. Опоздав к «люминесцентному поезду», Россия тем не менее имеет пока шанс успеть на светодиодный и не только обойтись без массового импорта твердотельных лампочек, но и стать одним из значимых  игроков на рынке освещения XXI века. В Санкт-Петербурге на предприятиях «Светлана-Оптоэлектроника» и «Оптоган» уже разворачивается производство экологически чистых и высокоэффективных полупроводниковых светильников.

От Маркони до Алферова

Впервые свечение точечного кристаллического детектора наблюдал в 1907 году инженер Генри Раунд из лаборатории Гульельмо Маркони. Внимательно явление электролюминесценции изучил Олег Лосев из Нижегородской радиолаборатории, показавший в 1923 году, что вблизи p-n-перехода в карбиде кремния происходит выпрямление электрического тока, сопровождающееся свечением. Первый патент на «световое реле» был выдан Лосеву в 1927 году, но реальное освоение данной технологии началось не в России, а в США в 1960-е годы, когда полупроводники заявили о себе в полную силу. В 1961 году Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments изобрели и запатентовали технологию изготовления полупроводниковых источников невидимого света — инфракрасных светодиодов. В 1962 году благодаря усилиям Ника Холоньяка из компании General Electric на свет появился первый красный светодиод. Довольно скоро, всего через 10 лет, красненькие циферки загорелись на табло электронных калькуляторов и часов. За прошедшие с тех пор полвека яркость светодиодов выросла в миллион раз, а цена за штуку упала в тысячу раз.

Люминесцентная лампа
1. Стеклянная спиральная трубка, покрытая изнутри люминофором и заполненная инертным газом в смеси с парами ртути
2. Вольфрамовые спирали, между которыми происходит электрический разряд
3. Электронная начинка лампы, выпрямляющая переменное напряжение и обеспечивающая стабильное горение лампы

Главной проблемой первых светодиодов и особенно полупроводниковых лазеров (построенных на базе диодов) была их живучесть. Поначалу, чтобы заставить полупроводник светиться, приходилось пропускать через него электрический ток чудовищной плотности — 1000 А/мм2. Сегодня лазерным светодиодам достаточно всего десятой доли ампера на квадратный миллиметр. Они стали удивительно долгоживущими приборами и могут непрерывно работать 10, а то и 20 лет, практически не снижая яркости, им не страшны частые включения, и они мгновенно выходят на штатный уровень освещения.

Прорыв в области твердотельной генерации света был связан с пионерскими работами Жореса Алферова и Герберта Кремера — нобелевских лауреатов 2000 года. Премию дали не за создание собственно светодиодной технологии, а за «работы по получению полупроводниковых структур, которые могут быть использованы для сверхбыстрых компьютеров». Но именно на этих гетероструктурах в 1970 году в ленинградском Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе создали первый полупроводниковый лазер, непрерывно работающий при комнатной температуре. Эти научные результаты легли в основу докторской диссертации 35-летнего Алферова. Дальнейшие работы по созданию высокоэффективных светодиодов и лазеров увенчались новым успехом Физтеха — созданием в 1995 году гетеролазера на квантовых точках. По прогнозам, к 2020 году в каждом персональном компьютере будет с десяток лазеров на квантовых точках, используемых для скоростной цифровой связи процессоров, памяти и периферийных устройств. А в патронах ламп появятся «холодные» светодиоды, испускающие поток излучения благодаря тончайшему слою квантовых точек. Это позволит получить действительно приятный для глаза спектр, не теряя в эффективности.

Световая отдача

Центральный элемент полупроводникового диода — p-n-переход. C одной стороны от него, в области n, ток переносят электроны, а с другой стороны, в области p, — дырки, то есть свободные места в кристаллической структуре полупроводника, где электрона не хватает. При пропускании тока электроны и дырки движутся навстречу друг другу. В области p-n-перехода электроны попадают в дырки, заполняют и нейтрализуют их. В этом процессе рекомбинации выделяется энергия.

Далеко не всегда эта энергия испускается в виде света, то есть фотонов. Например, кремний, основной материал электроники, устроен так, что свободные электроны и дырки рекомбинируют, порождая слабенькую акустическую волну — фонон, — которая быстро рассеивается, переходя в тепло. Поэтому микросхемы греются, а не светятся.

Но в некоторых полупроводниках рекомбинация сопровождается испусканием кванта света, энергия которого зависит от разности энергий электрона и дырки — она примерно постоянна для каждого полупроводника. Например, арсенид галлия служит для создания инфракрасных и красных светодиодов. Тройное соединение галлия, мышьяка и фосфора дает более яркие красные светодиоды, а также желто-зеленые. Различные соединения, содержащие алюминий, индий, галлий и фосфор, стали основой для ярких светодиодов красного, оранжевого и желтого свечения. Фосфид галлия со специальными оптически активными примесями дает зеленое свечение. Нитрид галлия — основной современный материал для ультрафиолетовых, синих и зеленых светодиодов.

Светодиодная лампа (внутреннее устройство)
1. Массив светодиодных модулей, обеспечивающий требуемую яркость лампы
2. Резистор, ограничивающий рабочий ток
3. Пластиковый корпус светодиодной 12-вольтовой лампочки

Единичный светодиод не может излучать белый свет, поскольку энергия испускаемых им фотонов примерно одинакова. По этому для имитации естественного дневного света обычно используют либо матрицы из разноцветных диодов, либо явление люминесценции. Сегодня большинство белых светодиодов — синие или даже ультрафиолетовые, но благодаря слою люминофора их излучение трансформируется в свет, близкий к белому.

Внутренний квантовый выход современных полупроводниковых светящихся кристаллов близок к 100%. То есть каждая пара «электрон — дырка» дает фотон. Если бы все эти фотоны, рожденные в глубине светодиода, выходили наружу, такой источник практически не нагревался бы и всю подведенную энергию превращал в свет. Но, конечно, часть фотонов поглощается внутри кристалла, не успевая дойти до его поверхности. Снижение таких потерь — одно из основных направлений совершенствования светодиодов. Для этого осваивают новые материалы,  используют так называемые гетероструктуры, состоящие из множества тончайших слоев различных полупроводников, чередующихся в определенной последовательности. В результате КПД светодиодов, который у первых промышленных устройств был меньше 1%, удалось поднять выше 50%, а световая отдача выросла с 1 до 150 люмен на ватт, что вдвое больше, чем у энергосберегающих люминесцентных ламп. Теоретический максимум светоотдачи для совершенно идеального источника белого света около 250 лм/Вт, так что до предела осталось не так уж и далеко. Как говорят специалисты, этот уровень светоотдачи будет достигнут уже в ближайшем десятилетии.

Другое не менее важное направление развития — получение максимального количества света с минимальной активной площади кристалла. И здесь многое зависит уже не только от базовых свойств полупроводникового материала, но и той степени дефектности кристаллической структуры, которая возникает в процессе выращивания рабочих гетероструктур. Чем меньше рабочий объем светодиода, тем больше их можно изготовить за один цикл технологического процесса и тем дешевле будет светодиодная лампочка. Но с уменьшением размеров становится труднее отводить от светодиода тепло, поэтому увеличение поверхностной яркости напрямую связано с повышением КПД.

Восход с доставкой на дом

Пока у белых светодиодов есть один большой недостаток — высокая цена. Правда, если поделить ее на гарантированный срок службы, учесть экономию электричества и минимизацию работ по обслуживанию, то получается не так уж и дорого. Но все же срок окупаемости составляет два-три года, так что вложения в светодиоды приходится пока рассматривать как долгосрочные инвестиции. Обнадеживает то, что в светодиодной технологии действует так называемый закон Хайтца (аналогичный закону Мура в микроэлектронике), согласно которому цена за один люмен света падает в 10 раз за 10 лет, а мощность, излучаемая отдельным чипом, за это же время возрастает в 20 раз. Если дело пойдет так и дальше, то лет через десять светодиоды станут дешевле ламп накаливания, ну а пока они просто экономичнее, ярче и удобнее в эксплуатации.

Интересные инсталляции можно устроить прямо у себя дома, просто вкрутив в люстру светодиодные лампы, цвет и яркость которых регулируются обычным инфракрасным пультом дистанционного управления. Оснащенный такими светильниками умный дом сможет будить своего хозяина щебетом птиц и радостными лучами восходящего солнца даже в самую хмурую осеннюю погоду. Ну а если вдруг захочется пережить ощущение бури, ничто не помешает вполне натуральной имитации предгрозового сумрака, ярких вспышек молний и мощных раскатов грома. Светодиодам, как и акустическим системам, все это вполне по силам, и только капель дождя с порывами ветра будет не хватать для полного ощущения надвигающейся стихии.

Рубрика: Наука
Просмотров: 9362