Светодиоды, маленькие китайские лампочки, которые заполонили прилавки магазинов, — это отличный пример, чтобы проследить путь изобретения от идеи до начала использования везде и всюду. Да, 20 лет назад их не было. Точнее, были, т. к. само явление испускания света p-n-переходом было открыто в начале века. Но до середины 70-х это была не более чем дорогая игрушка для ученых. И только потом началась стремительная эволюция, от тусклых красных лампочек к идеальным источникам света с КПД 100%. Но обо всём по порядку.
Откуда вообще берется свет? Вспоминаем школьные рисунки атома: посередине красные и синие шарики, а вокруг них — маленькие серенькие :-) Модель неправильная, зато наглядная. Смысл в том, что электроны не вращаются вокруг ядра атома абы как, а находятся на определенных орбиталях или же энергетических уровнях. Причем переход между ними происходит скачкообразно, и разница энергии компенсируется испусканием кванта света. Если атомы какого-либо материала как следует раскачать при помощи нагрева — электроны начнут прыгать туда-сюда, поглощая энергию при переходе на более высокий уровень, и отдавая ее в виде света при переходе на более низкий. Так работают лампы накаливания, и этим объясняется их унылый КПД 1–5%: большая часть энергии просто рассеивается в виде тепла. Вместо нагрева, кстати, можно использовать энергию химической реакции, радиацию и даже механическое воздействие. Но нас интересует преобразование в свет электрического тока, причем желательно — без промежуточных вещей вроде нагрева.
P-n-переход. Следим за руками: буду объяснять на пальцах :-) Электрический ток — это движение электронов, оторванных с внешних орбиталей атомов. Когда электроны отрываются легко (как у металлов) — получаем проводник. Когда с трудом — изолятор. А вот у кремния, например, ни то ни сё: на внешней орбитали у него четыре электрона, расстаться с одним из них он может, но неохотно. Поэтому называется «полупроводником». Внимательно следим за руками. Вещество в твердом состоянии не распадается на отдельные атомы потому, что электроны внешних орбиталей соседних атомов являются общими, т. е. «крутятся» вокруг двух атомов сразу и таким образом удерживают всю конструкцию (но если вещество нагреть — оно расплавится и испарится). Если к кремнию с его 4-мя электронами добавить примесь вещества, атомы которого имеют 5 электронов, 4-мя оно встроится в кристаллическую решетку кремния, а 5-й останется болтаться. Это полупроводник n-типа. Соответственно, если добавить примесь с 3-мя электронами, получится дырка («дырка» — научный термин, между прочим). Если теперь мысленно сложить два таких кусочка кремния вместе (складывать приходится мысленно, потому что на практике делают по-другому: добавляют в весь кристалл одну примесь, а потом с одного конца — еще больше другой), так вот, получится p-n-переход. Если приложить к нему напряжение — свободные электроны из n-области начнут радостно прыгать в дырки p-области, испуская кванты света. Что, собственно, и требовалось. Для дотошных уточню, что в светодиодах используется не кремний, а что-нибудь вроде арсенида галлия, но это не отменяет общего принципа работы. Для особо дотошных упомяну, что p-n-переход пропускает ток только в одном направлении: когда «плюс» подключается к p-области, а «минус», соответственно, к n. Почему? Да потому что если к n-области подключить «плюс» — свободные электроны тут же убегут в батарейку, и получится материал без свободных электронов, т. е. изолятор. Соблюдайте полярность, в общем. А почему не светят обычные диоды? Потому что они непрозрачные :-) А если серьезно — они нужны не для этого, а значит — расходовать энергию на освещение внутренностей корпуса недопустимо, так что для них выбирают материалы, которые не светят вследствие отсутствия разницы в энергии уровней.
Итак, при прохождении электрона через p-n переход испускается свет, причем — очень узкого спектра, хуже только лазер (ну, т. е. лазеры — они хорошие, но как фонарик не годятся). Первые светодиоды были инфракрасными, потом научились делать просто красные, потом дошли и до оранжевых-желтых-зеленых, а вот синих не существовало в природе до 90-х годов, пока их не придумал один хитрый японец. Собственно, этого вполне достаточно для создания городских экранов-для-просмотра-порнухи, что мы и наблюдаем сейчас. Отдельная штука — OLED (Organic Light-Emitting Diode). Там, в принципе, те же самые электроны и дырки, просто роль полупроводника выполняют полимерные пленки. И можно бы уже раскатывать эти пленки до размера телевизора-во-всю-стену, и было бы ярко, сочно и красиво, но технология пока не отработана, поэтому получается дорого и работает всего пару лет. Так что пока — только дисплеи телефонов.
Ну и, наконец, про самое интересное — про фона-а-а-рики! Иметь чисто-красный или там сугубо-зеленый фонарик было модно лет пятнадцать назад, но лишь потому, что других не было :-) Как я уже говорил выше — спектр у светодиода очень узкий. Можно поставить в фонарик диоды трех цветов, чтобы получилось RGB, но так не делают, ибо муторно: у разных диодов разные параметры, потребляемые токи и напряжение питания. Делают проще: берут синий диод, а на кристалл ляпают соплю люминофора, который частично пропускает синий цвет, а частично переизлучает его (в хороших диодах — в виде красного и зеленого, в плохих — в виде желтого: глаз обманывается, но цветопередача страдает).
Кстати, мертвенно-бледный свет «белых» диодов — это чистая психология. Просто за время эволюции человек привык к тому, что тусклый свет (на закате или возле костра) — он смещен в красную часть спектра, а дневной — белый. Поэтому тусклый белый свет кажется таким странным. Но если в ярко освещенном магазине человек включит желтый фонарик — он покажется ему более тусклым, чем белый. В общем, психология маркетинга.
Монохромный диод без люминофора выглядит так: лунка в катоде, в ней лежит кристалл, а от анода к нему тянется тонкая проволочка, а прозрачный корпус выполняет роль линзы. Но светит он вон той писюлькой, размером меньше миллиметра.
Почему не делают больших и толстых? Такова, во-первых, особенность полупроводниковой индустрии. Проще растить кристаллы, проще добавлять примеси. Плюс проблема с охлаждением. Вообще большие делают, до квадратного сантиметра и больше, но ему уже понадобится радиатор. Да, несмотря на высокий КПД (больше 40% у ширпотреба и до 100% — в планах ученых), штуки эти пока остаются довольно капризными. Хорошо светят при больших токах, но при этом греются и от этого портятся. Поэтому любят работать в импульсных режимах (чтобы успевать остыть), в принципе, если частоту мерцания довести до нескольких сотен герц — особо заметно это не будет, чем, собственно, и пользуются. Из-за нелинейности характеристик, кстати, ставят в цепи питания схемы контроля тока и прочую электронику. Но китайцам, конечно, проще припаять напрямую к батарейке стописят штук дешевой мелочевки: один сгорит — авось, не заметят. Поэтому и наблюдаем таких вот монстров.
Цена вопроса: на китайские поделки — от 5 до 10 рублей, умноженных на количество лампочек. Если получается дороже — скорее всего вас обманывают. Перед покупкой обязательно проверяем, чтобы всё горело, да и фокусировка может быть самая разная, от рассеянного света до узкого луча. Но мрут «китайцы» как мухи, поэтому для похода в пещеру есть смысл, конечно, переплатить в несколько раз за что-нибудь брендовое.
0 коммент. :
Отправить комментарий