Как это работает… или простыми словами о сложном

Факт свечения полупроводника при пропускании через него электрического тока был замечен еще в 1920 году русским ученым Лосевым О. В. Первые светодиоды появились в 60-х годах прошлого века. Практически до конца XX века светодиоды использовались только в качестве индикаторов. Многие из нас помнят магическое мерцание красных и зеленых индикаторов в японских магнитолах 80-х.

За прошедшие 50 лет технология шагнула далеко вперед и область применения современных светодиодов существенно расширилась. Сегодня светодиоды применяют для подсветки дисплеев мобильных телефонов и компьютеров, в экранах телевизоров, в автомобильных фарах, в светофорах, для рекламной подсветки, в функциональном освещении и во многих других областях. При этом принцип работы светодиода один и тот же.

Как это работает…? Попробуем описать простыми словами сложный физический процесс, который называется загадочным словом «p-n переход». Для примера возьмем конструкцию мощного светодиода, которая применяются в современном освещении, в частности в светильниках ЛидерЛайт.
 

Первое что нужно сказать, это то, что светодиод – это целое устройство, состоящее из нескольких компонентов. Сердце любого светодиода – полупроводниковый кристалл. От свойств этого материала и зависит цвет свечения, эффективность, световой поток, срок службы и другие параметры светодиода. Размеры этого кристалла, малы (в светодиодах, применяемых в светильниках ЛидерЛайт менее 1 х 1 мм). Этот материал в буквальном смысле выращивают, в результате сложного физического процесса, называемого эпитаксия. Происходит это в камере (реакторе), в которую помещают пластины из особого материала (подложка), заполняют ее газовыми смесями, состав которых зависит от этапа, на котором находится весь процесс. В результате сложного физико-химического процесса на подложке образуется тонкий слой (пластина) кристаллического материала. Эта пластина режется на маленькие элементы, которые и являются сердцем светодиода. Эти элементы - кристаллы состоят из двух материалов: n-типа, обогащенного отрицательными носителями заряда (электронами) и материала p-типа, с положительными носителями заряда (дырками). При пропускании тока, электроны устремляются к «вакантным» местам, что и называется p-n переходом. Когда электроны занимают свободные ячейки (рекомбинируют с дырками) происходит выделение световой энергии (фотонов). Вот так, все просто!

Качество кристалла (однородность, химический состав и другие характеристики) и определяет во многом срок службы, надежность, световую отдачу, световой поток светодиода. Надо сказать, что качество кристалла зависит не только от стоимости используемого оборудования и материалов, но и квалификации и опыта специалистов, а также тонкостей технологического процесса. Поэтому есть производители, чьи светодиоды считаются эталоном качества и надежности (Cree, Nichia, Osram, SemiLEDs и ряд других), есть и недорогие аналоги менее известных производителей. В светильниках ЛидерЛайт используются светодиоды Nichia (Япония) и SemiLEDs (Тайвань), как наиболее эффективные и выгодные с точки зрения цены и качества. В России тоже есть производители светодиодных кристаллов. Но основная проблема заключается в отставании используемых технологий и невысокой квалификации отечественных специалистов. Хотя, нельзя не сказать о том, что новые полупроводниковые материалы, позволившие, в свое время на порядок увеличить мощность, яркость и световую отдачу светодиода были получены в результат трудов именно российских ученых, во главе с нобелевским лауреатом Ж. И. Алферова. Но, к сожалению, у нас в стране только сейчас появляются учебные программы по подготовке специалистов для этой индустрии. А чтобы выпускники стали опытными инженерами необходимы годы. Поэтому отечественные светодиоды, как правило, и используются самими производителями для изготовления конечных приборов (светофорных матриц, светильников и другого оборудования).

Для того, чтобы получить белый цвет свечения, необходимый для функционального освещения применяют специальные материалы, которые называются люминофоры. Дело в том, что материал, из которого состоит кристалл (соединения индия, галлия, алюминия в различных сочетаниях) дают монохромное излучение (синее, красное, зеленое, желтое или оранжевое). Для того, чтобы, из синего свечения получить белый свет, пригодный, например, для офисного освещения на кристалл наносят люминофор. Этот материал преобразует коротковолновое излучение в излучение с большей длиной волны. Таким образом, белое свечение светодиода – это результат вторичного свечения люминофора.

Кроме кристалла важными компонентами светодиода являются теплоотводящий элемент и линза. Светодиод, вопреки бытующему мифу выделяет достаточно много тепла (порядка 60% потребляемой энергии преобразуется в тепло). И то, насколько эффективно это тепло отводится от кристалла, определяет и срок службы светильника. Перегрев кристалла однозначно приводит к быстрому износу (деградации) светодиода. Проявляется это в потере светового потока или изменению цветовой температуры, вследствие изменения свойств люминофора. Например, через полгода - год световой поток светильника может упасть более чем вдвое или цвет свечения может стать синим (люминофор просто «выгорает»). Фактически это означает выход из строя светового прибора и деньги, потраченные на его приобретение можно считать выброшенными на ветер.

Чтобы этого не произошло нужно приобретать светильники, в которых используются светодиоды известных брендов, а сам производитель светильников имеет соответствующий опыт, высокую квалификацию и отработанную технологию производства. Сейчас на рынке много непрофессионалов, которые собирают светильники откровенно низкого качества и используют дешевые светодиоды. И таких, к сожалению пока большинство. Это связано с законами развития рынка. На стадии активного роста для любого рынка характерно появление большого количества игроков, большая часть которых в последствие либо умирает, либо становится частью более крупных компании (происходит процесс консолидации).

Сейчас перед конечными заказчиками стоит непростая проблема выбора притом, что не профессионалу очень сложно отличить качественную продукцию от откровенного брака. Избежать потенциальных проблем помогут компании, имеющие многолетний опыт работы на рынке и сложившуюся репутацию. Таковыми являются компании – дилеры российского производителя светодиодных светильников ЛидерЛайт. Обратившись к ним, заказчик может быть уверен, что вложенные деньги обернутся реальной экономией, а не головной болью, связанной с выяснением кто виноват и заменой на новые приборы.