Невозможно отрицать, что светодиоды к настоящему моменту прошли огромный путь от концепции до конкурентного коммерческого продукта. Так что же это такое и в чем причина их успеха?
Неорганический светодиод – это в первую очередь диод, который представляет собой полупроводник с двумя по-разному легированными областями с разным типом проводимости: p- и n- ("дырочная" и "электронная"). На границе между этими слоями в области p-n перехода происходит искривление энергетических зон. Кроме того, из-за возникновения градиента концентрации носителей заряда происходит их диффузия в области с противоположным типом проводимости. При приложении прямого напряжения барьер сужается, число носителей заряда, которое может его преодолеть, возрастает, и концентрация неосновных носителей по обе стороны перехода увеличивается (инжекция неосновных носителей). Одновременно с этим через контакты в обеих областях происходит увеличение числа основных носителей, приводящее к компенсации заряда. В результате скорость рекомбинации возрастает и появляется ток, экспоненциально растущий с увеличением напряжения.
В случае светодиода это еще не все: рекомбинация носителей заряда происходит с излучением фотонов. В зависимости от выбранного полупроводника длина волны может быть разной. Так, нитрид галлия излучает узкую полосу люминесценции при 365 нм, что и используется в сегодняшних светодиодах. Важнейшей задачей при их создании является выращивание бездефектного кристалла нитрида галлия, чего добиваются его эпитаксиальным ростом на сапфировой подложке. Однако одного синего цвета для создания источника белого освещения недостаточно. Значит, нужно либо создавать люминофоры с люминесценцией в красной и зеленой областях, а это – эпитаксиальный рост еще трех кристаллов, либо…
Предложенный альтернативный вариант довольно изящен: полупроводниковый кристалл, к которому подведены контакты, заливается гелем, содержащим частицы люминофоров, люминесценция в которых происходит уже не под действием электрического тока, а при облучении светом, производимым кристаллом нитрида галлия. Частично этот свет поглощается и переизлучается люминофорами, что приводит к появлению дополнительных полос в спектре, частично же выходит в первозданном виде, сохраняя и синюю полосу. Варьируя состав люминофоров, можно получить светодиоды с холодным и теплым белым светом.
Каковы же достоинства и недостатки светодиодов? Начнем с недостатков - поскольку их почти нет. В первую очередь, это более низкий по сравнению с классическими источниками освещения световой поток. Однако уже сегодня это ограничение уходит в прошлое: компания CREE уже вовсю продает светодиодные дампы со световым потоком и 1000 Лм, и 3800 Лм.
100 Вт | 1000 Лм | Лампы накаливания. |
12,5 Вт | 1000 Лм | LED лампа CREE LR6. |
52 Вт | 3800 Лм | LED лампа CREE LR24. |
Во-вторых, к недостаткам СИД относят низкий индекс цветопередачи. Под индексом цветопередачи понимают уровень соответствия естественного цвета тела видимому (кажущемуся) цвету этого тела при освещении его данным источником света. Галогеновые лампы и лампы накаливания имеют «очень хороший» индекс цветопередачи: > 90%, тогда как обычные светодиодные лампы – 60-69%. Но и на этот вопрос уже есть ответ: один из лидеров в области СИД компания OSRAM с удовольствием продает СИД лампы LUMINUX с индексом цветопередачи 89-90%.
О достоинствах светодиодов можно говорить веками, и вряд ли кто-то сегодня не знает о том, что они не содержат ртути, могут работать до 50000 часов – больше, чем другие элементы готового светодиодного чипа, обладают заметно сниженным энергопотреблением, а кроме того, в их излучении не содержится вредных УФ линий, поэтому, например, на основе УФ светодиодов можно делать «безопасные» солярии с UVA и без UVB излучением. Кроме того, говоря о светодиодном освещении, принято упоминать возможность реализации интеллектульных систем освещения.
Времена меняются, и на смену неорганическим светодиодам постепенно приходят органические. Эти плоские устройства хоть и работают на том же принципе, но устроены совсем по-другому. В качестве полупроводникового материала, в котором происходит рекомбинация носителей заряда, используется органический люминофор (по запросу ОСИД в нанометре можно найти много статей об этих материалах), но важно также вводить слои с электронной и дырочной проводимостью и дырочно-блокирующие слои. И хотя ОСИД пока еще завоевывают мир очень меееедленно, ряд достоинств заставляет верить, что их пришествие обязательно произойдет. Например, говоря об использовании светодиодов – неорганических и органических – в экранах, необходимо сразу отметить, что СИД – это только задняя подсветка в ЖК экранах, тогда как ОСИД – это сам экран, каждый пиксел которого представляет собой три органических светодиода. А значит, сразу увеличивается угол обзора, яркость, контрастность, разрешение… И только с использованием ОСИД можно создавать гибкие экраны, которые можно свернуть в трубочку.
Использование же их для освещения тоже обладает рядом преимуществ: это возможность легко и дешево наносить огромные площади люминофора – и это в сравнении с крошечным нитридным кристаллом! Это позволит – а некоторым уже позволяет – создавать на их основе светящиеся обои, картинку для которых можно будет скачать в сети (кстати, классные были картинки в последнем Гарри Поттере…)
Однако их стремительному взлету мешают некоторые недостатки. Это:
- меньшая яркость
- старение органических материалов от O2 и Н2О
- разная скорость деградации разных цветов
- «проблема синих люминофоров» и
- высокая стоимость ITO.
Но со всеми ними можно бороться, и сейчас мы посмотрим, как.
Уже сегодня органические светодиоды достигают яркости до 70 Лм/Ватт. Это достигается подбором материалов эмиссионного слоя и дополнительных слоев, а также некоторые уловки. Одна из них – использование out-coupling, а именно, увеличение внешнего квантового выхода не за свет увеличения внутреннего, а за счет более эффективного выхода света из устройства. Для этого нужно увеличить поверхность стекла, например, сделав ее ребристой. Это позволяет повысить эффективность работы устройства до 1.5 раз.
Другой способ – использование слоев с генерацией заряда. При пропускании тока в них происходит образование электрон-дырочных пар, и таким образом, они служат чем-то вроде пары катод-анод с той лишь разницей, что для их работы не требуется дополнительной подачи напряжения. Использование слоев с генерацией заряда позволяет увеличить эффективность работы устройства в несколько раз.
Второй важной проблемой является проблема старения. Ее решение, однако, давно предложено: это капсуляция, в ходе которой ОСИД помещается в подобие маленькой камеры, заполненной аргоном. При этом проникновения кислорода и влаги извне не происходит, светодиод работает в своей локальной атмосфере. Срок службы при этом можно повысить многократно.
С разной скоростью деградации разных цветов можно бороться, например, используя один материал, излучающий сразу в нескольких областях. Об этом подробно можно прочитать тут. А тут, тут и тут можно прочитать и о создании и выборе наиболее эффективных материалов, в том числе синих.
Что же с высокой стоимостью ITO (коммерческого прозрачного проводящего стекла на основе оксида индия, легированного диоксидом олова)? Не остается сомнений, что ему нужно искать замену. В качеству такой замены предлагаются углеродные материалы, например, графен или нанотрубки. В Корее уже сделали прозрачные органические светодиоды, в качестве анода в которых используется Прозрачный электрод на основе нанотрубок на полимерной подложке PET. Сопротивление такого анода может меняться в пределах R = 300-2000 Ом/□, а прозрачность выше 80%. Кроме того, такой анод не требует использование индия :)
Так насколько же близка победа? По-видимому, она уже "где - то рядом". Компания NOVALED уже вовсю продает ОСИД-устройства любого типа, при этом времена службы светодиодов довольно высоки: при комнатной температуре и 1,000 cd/m² они составляют для красного светодиода > 1,000,000 часов, для зеленого – 200,000 часов, а для синего – 22,000 часов. Белый светодиод по заявлению NOVALED обладает характеристиками 38 Лм/Вт, 1000 Кд/м2 и сроком службы 100,000 часов. К счастью, их устройства сделаны на довольно дорогих материалах, так что есть еще проблемы, которые можно решить отечественным гениям:)