Світлодіод 1-3 вт червоний

Світлодіод або світловипромінюючий діод (СД, СІД; англ. light-emitting diode, LED) — напівпровідниковий прилад з електронно-дірковим переходом, створює оптичне випромінювання при пропусканні через нього електричного струму в прямому напрямку.

Що випромінюється світлодіодом світ лежить у вузькому діапазоні спектра. Іншими словами, його кристал спочатку випромінює конкретний колір (якщо мова йде про СД видимого діапазону) — на відміну від лампи, випромінюючої більш широкий спектр, де потрібний колір можна одержати лише застосуванням зовнішнього світлофільтра. Діапазон випромінювання світлодіода багато в чому залежить від хімічного складу використаних напівпровідників.

Принцип роботи

При пропусканні електричного струму через p-n-перехід в прямому напрямку носії заряду — електрони і дірки — рекомбінують з випромінюванням фотонів (із-за переходу електронів з одного енергетичного рівня на інший).

Не всі напівпровідникові матеріали ефективно випускають світло при рекомбінації. Кращі випромінювачі відносяться до прямозоні напівпровідників (тобто до таким, у яких дозволені прямі оптичні переходи зона-зона), типу AIIIBV (наприклад, GaAs або InP) і AIIBVI (наприклад, ZnSe або CdTe). Варіюючи склад напівпровідників, можна створювати світлодіоди для різних довжин хвиль від ультрафіолету (GaN) до середнього інфрачервоного діапазону (PbS).

Діоди, зроблені з непрямозонных напівпровідників (наприклад, кремнію, германію або карбіду кремнію), світло практично не випромінюють. Втім, у зв'язку з розвитком кремнієвої технології, активно ведуться роботи щодо створення світлодіодів на основі кремнію. Радянський жовтий світлодіод КЛ 101 на основі карбіду кремнію випускався ще в 70-х роках, проте мав дуже низьку яскравість. Останнім часом великі надії пов'язуються з технологією квантових точок і фотонних кристалів.

Історія

Олег Лосєв, радянський фізик, який знайшов электролюминесценцию в карбіду кремнію

Перше відоме повідомлення про випромінюванні світла твердотілим діодом було зроблено в 1907 році британським експериментатором Генрі Раундом[en] з Марконі Лабс[en]. Раунд вперше відкрив і описав электролюминесценцию, виявлену їм при вивченні проходження струму в парі метал — карбід кремнію (карборунд, SiC), і зазначив жовте, зелене і помаранчеве свічення на катоді.

Ці експерименти були пізніше, незалежно від Раунду, повторені в 1923 році О. В. Лосєвим, який, експериментуючи в Нижегородської радіолабораторії з випрямляючим контактом з пари карборунд — сталевий дріт, виявив в точці контакту двох різнорідних матеріалів слабке світіння — электролюминесценцию напівпровідникового переходу (в той час поняття «напівпровідниковий перехід» ще не існувало). Це спостереження було опубліковано, але тоді вагоме значення цього спостереження не було зрозуміле і тому не досліджувалося протягом багатьох десятиліть.

Лосєв показав, що електролюмінесценція виникає поблизу спаю матеріалів[2]. Теоретичного пояснення явищу тоді не було. Лосєв цілком оцінив практичну значимість свого відкриття, що дозволяв створювати малогабаритні твердотільні (безвакуумные) джерела світла з дуже низькою напругою живлення (менше 10 В) і дуже високим швидкодією. Їм було отримано два авторських свідоцтва на «Світлове реле» (перше заявлено в лютому 1927 р.)[3]

У 1961 році Джеймс Роберт Байард (англ.)рос. і Гарі Піттман з компанії Texas Instruments відкрили технологію інфрачервоного світлодіода на основі арсеніду галію (GaAs). Після отримання патенту в 1962 році почалося їх промислове виробництво.

Перший у світі практично застосовний світлодіод, що працює в світловому (червоному) діапазоні, розробив Нік Холоньяк в Університеті Іллінойсу для компанії General Electric в 1962 році. Холоньяк, таким чином, вважається «батьком сучасного світлодіода». Його колишній студент, Джордж Крафорд (англ.)рос., винайшов перший у світі жовтий світлодіод і поліпшив яскравість червоних і червоно-оранжевих світлодіодів в 10 разів у 1972 році. У 1976 році Т. Пірсол створив перший у світі високоефективний світлодіод високої яскравості для телекомунікаційних застосувань, спеціально адаптований до передачі даних по волоконно-оптичним лініям зв'язку.

Світлодіоди залишалися надзвичайно дорогими аж до 1968 року (близько $200 за штуку), їх практичне застосування було обмежене. Дослідження Жака Панкова в лабораторії RCA привели до промислового виробництва світлодіодів; в 1971 році їм був отриманий перший синій світлодіод[4][5]. Компанія «Монсанто» була першою, яка організувала масове виробництво світлодіодів, які працюють в діапазоні видимого світла і застосовних в індикаторах. Компанії «Х'юллет-Паккард» вдалося використовувати світлодіоди в своїх ранніх масових кишенькових калькуляторах.

У середині 1970-х років у ФТІ ім. А. Ф. Іоффе групою під керівництвом Жореса Алфьорова були отримані нові матеріали — напівпровідникові гетероструктури, в даний час застосовуються для створення лазерних і світлодіодів[6][7]. Після цього почалося серійне промислове виробництво світлодіодів. Відкриття було удостоєно Нобелівської премій в 2000 році[8]. У 1983 році компанія Citizen Electronics першою розробила і почала виробництво SMD-світлодіодів, назвавши їх CITILED[9].

На початку 1990-х Ісама Акасаки, що працював разом з Хіросі Амано в університеті Нагоя, а також Сюдзі Накамура, який в той час працював дослідником в японській корпорації «Nichia Chemical Industries», винайшли технологію виготовлення синього світлодіоди (LED). За відкриття дешевого синього світлодіода в 2014 році їм трьом була присуджена Нобелівська премія з фізики[10][11]. У 1993 році Nichia початку їх промисловий випуск, а в 1996 почала випуск білих світлодіодів[12].

Синій світлодіод, у поєднанні із зеленим та червоним кольором, дає білий світ з високою енергетичною ефективністю, що дозволило в подальшому створити, серед іншого, світлодіодні лампи і екрани зі світлодіодним підсвічуванням. У 2003 році, компанія Citizen Electronics першою у світі здійснила світлодіодний модуль за запатентованою технологією безпосередньо вмонтувавши кристал від Nichia на алюмінієву підкладку за допомогою діелектричного клею за технологією Chip-On-Board.