Лучший источник света, созданный человеком

Завершаем цикл постов про лампы, и, как вы уже, наверное, поняли, сегодня речь пойдет о светодиодах. Лампы на их основе победили всех своих конкурентов (о них говорили здесь и здесь).

Для начала поймем, что такое диод и как он устроен, ведь светодиод – это тот же самый диод, но он еще и свет испускает.

Для тех, кто хоть немного знаком с электроникой или изучал углубленно физику в школе, диод – слово знакомое. Это устройство, которое пропускает ток в одном направлении, но не пропускает в другом. Давайте разберемся, как он устроен.

Здесь нам пригодится немного знаний о том, как устроены полупроводники. Это такое промежуточное состояние материала, когда он все-таки проводит ток, в отличие от изолятора, но не так сильно, как металл.

Возьмем, например, кремний, у которого все атомы в кристаллической решетке соединены между собой ковалентной связью. Т.е. рядом стоящие атомы имеют общие электроны, за счет которых они и «держатся за ручки», как нам рассказывали на уроках химии. Такое обобществление электронов несколькими атомами приводит к отсутствию у кремния свободных электронов делая его, практически, изолятором.

Но мы можем взять и заменить некоторые атомы кремния на атомы с бОльшим числом электронов. И тогда лишнему электрону этого атома будет не с кем обобществляться, и он становится свободным, имея возможность перемещаться по кристаллу. Такой кристалл со свободными электронами уже будет называться полупроводником n-типа. Наоборот, если некоторые атомы кремния заменить на атомы с меньшим числом электронов, то рядом с ними образуется пустое пространство, где электрона нет – дырка. Эта дырка может перемещаться путем запрыгивания в нее соседнего электрона, на месте которого образуется новая дырка. Прямо как в игре в пятнашки. Такой кристалл называется полупроводником p-типа.

Если соединить два таких полупроводника с разным типом проводимости, то появится возможность свободным отрицательно заряженным электронам из кристалла n-типа через границу прыгнуть в дырку проводника p-типа, которая, условно, положительная. Я говорю «условно», потому что заряженной частицы там нет, а отсутствие «минуса» можно считать «плюсом». Энергия двигающихся свободных электронов в n-проводнике намного больше энергии электрона, который бы находился бы на своем законном обобществленном месте. А так как энергия в природе стремится быть минимальной, то эти свободные электроны перепрыгивают в p-зону и проваливаются в энергетически выгодное вакантное место в дырке, т.е. рекомбинируют, осуществляя np-переход. Из-за того, что разница энергий электронов в этих областях очень большая, назад в n-область эти электроны уже попасть не могут, т.к. для этого им нужна дополнительная энергия. Это как с горки с большой потенциальной энергией спрыгнуть вниз легче, чем запрыгнуть на нее. Поэтому ток в такой конструкции, которая и представляет собой диод, течет только в одном направлении.

После рекомбинации высвобождается энергия, равная разнице энергий электрона до и после прыжка в p-зону. Она выходит в виде тепла в обычном диоде и в виде кванта света – в светодиоде. Каждый прыжок электрона в таком фонарике рождает фотон определенной энергии и длины волны. Чем больше электронов совершит рекомбинацию, тем больше вылетит фотонов, и тем интенсивнее будет светиться лампочка. А, настраивая энергию такого np-перехода, можно регулировать длину волны испускаемого света и получать разноцветные светодиоды.

Почему же светодиоды уничтожили конкурентов?

Конечно, из-за своего КПД. Практически вся энергия, затрачиваемая на np-переход, превращается в свет, в то время как газоразрядные лампы тратят лишнюю энергию на зажигание дуги, а в лампах накаливания вообще большая ее часть уходит в тепло. К тому же, электроны с дырками не заканчиваются, пока лампа включена в сеть, и по этой причине она перегореть не может. К светодиоду по проводам приходят новые электроны в n-зону, и уходят лишние из p-зоны для поддержания нужного количества дырок. Мы получаем яркие, экономичные, управляемые, простые в конструкции и практически вечные лампы.