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.