История белых светодиодов

По сравнению с лампами накаливания, светодиоды производят гораздо больше люменов на ватт входной мощности — они более эффективны при производстве света. Конечно, это означает, что лампы накаливания более эффективно производят тепло, и поскольку дни становятся короче, а ночи становятся холоднее, где-то у кого-то, кто перешел на светодиодное освещение, есть печь, которая работает сверхурочно. И этот кто-то также может задаться вопросом, как мы сюда попали: мир, освещенный эзотерическими неорганическими полупроводниками, освещающими люминофоры.

Тот факт, что диоды излучают свет при определенных условиях, известен уже более 100 лет; первый светодиод был обнаружен в лабораториях Маркони в 1907 году в детекторе кошачьих усов, это был первый тип диода. Это открытие было просто научным курьезом, пока другое открытие в Texas Instruments не выявило излучение инфракрасного света туннельным диодом, построенным на подложке из арсенида галлия. Затем этот инфракрасный светодиод был запатентован компанией TI, и начался проект по производству этих инфракрасных светодиодов.

Но инфракрасный свет невидим для человеческого глаза и бесполезен для какой-либо индикации или освещения. Первый светодиод видимого спектра был изготовлен компанией General Electric в 1962 году, а первые коммерчески доступные (красные) светодиоды были произведены компанией Monsanto в 1968 году. В том же году HP начала производство светодиодов, используя тот же фосфат арсенида галлия, который используется в Monsanto. Эти светодиоды HP нашли применение в очень крошечных семисегментных светодиодных дисплеях, используемых в калькуляторах HP в 1970-х годах.

От инфракрасных светодиодов начала 1960-х годов до красных светодиодов конца 1960-х, в 1970-е годы появились оранжево-красные, оранжевые, желтые и, наконец, зеленые светодиоды. В этом развитии есть тенденция, и она связана с электронными промежутками. Чтобы диод генерировал свет, необходимо сначала передать энергию электрону. Эта энергия заставляет электрон перепрыгивать из своего естественного состояния в валентной зоне в зону проводимости. Этой энергии недостаточно, чтобы удержать электрон в зоне проводимости, поэтому в конечном итоге он упадет обратно в дырку, которую оставил в валентной зоне. При этом он снова высвобождает энергию в виде фотона.

Чем больше энергии потребовалось для перемещения электрона в зону проводимости, тем больше энергии высвобождается в виде фотона в виде света более высокой частоты. Причина, по которой инфракрасные светодиоды появились раньше красных светодиодов, а зеленые светодиоды появились позже, заключается в том, что просто сложнее преодолеть эти запрещенные зоны и найти подложку светодиода, которая будет излучать более высокие частоты света.

Инфракрасные, красные и даже зеленые светодиоды были «легкими», но синие светодиоды требуют гораздо большей запрещенной зоны и, следовательно, требуют более экзотических материалов. Загадка создания синего светодиода высокой яркости была впервые решена в 1994 году в корпорации Nichia с использованием нитрида индия-галлия. В то же время Исаму Акасаки и Хироши Амано из Университета Нагои разработали подложку из нитрида галлия для светодиодов, за что получили Нобелевскую премию по физике 2014 года. Что касается красных, зеленых и синих светодиодов, единственное, что мешало создать белый светодиод, — это поместить все эти цвета в один корпус.

Первые белые светодиоды не были явно белыми. Вместо этого красные, зеленые и синие светодиоды были упакованы в один светодиодный корпус. Однако, если вы смешаете красный, зеленый и синий свет, вы получите белый свет, на самом деле это всего лишь вопрос получения правильных пропорций фотонов разного цвета.

Это остается стандартом для светодиодов RGB, и некоторые даже экспериментировали с улучшением цветового диапазона, который могут воспроизводить эти светодиоды. Человеческий глаз чрезвычайно чувствителен к зеленым частотам света, и, добавив в корпус четвертый светодиод — его лучше всего назвать «изумрудным» или немного более синим оттенком зеленого, чем тот, к которому мы привыкли у зеленых светодиодов, — вы можете добиться светодиод с более широким цветовым диапазоном или, если хотите, более белым.

Это был первый метод создания белого светодиода, и хотя светодиодные лампочки, которые вы покупаете в хозяйственном магазине, не имеют внутри отдельных красных, зеленых и синих светодиодов, это по-прежнему фантастически популярный способ создания большего количества цветов с помощью светодиоды. Все эти неопиксели, WS2812 или APA101, имеют красные, зеленые и синие светодиоды, спрятанные внутри одного корпуса. Некоторые из более продвинутых светодиодов RGB с индивидуальной адресацией даже добавляют четвертый светодиод белого цвета. Но как сделаны эти отдельные белые светодиоды?