XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Аннотация. В статье описывается процесс создания светодиодов с использованием полупроводников. Объясняется, насколько важно их изобретение, и как оно повлияло на нашу жизнь.

Ключевые слова: технологии, наука, изобретения, физика, производство, светодиоды, лампы накаливания.

Введение. В прошлом веке люди пытались сделать осветительные приборы ярче, энергоэффективнее и меньше. Тенденция делать приборы, излучающие свет эффективнее, но при этом использовать меньше пространства сохранилась и сейчас. Большой вклад внесли в развитие технологии светодиодов Генри Раунд, Лосев O.В., Джеймс Роберт Байард, Гари Питтман, Джордж Крафорд, Исама Акасаки и Хироси Амано. Особый вклад в развитие светодиодных осветительных приборов внес Сюдзи Накамура, создав первый в мире синий светодиод. Благодаря этим учёным мы получили возможность существования экранов и энергоэффективных осветительных приборов.

Светодиоды. Сейчас без них мы не сможем представить нашу современную жизнь. Именно с помощью этой технологии многие города экономят электроэнергию на освещение улиц и дорог каждый день. Все современные компьютеры, телефоны, экраны сейчас показывают нам информацию при помощи этой технологии. Вы бы не увидели ни одного современного фильма без их помощи, не прочитали бы ни один отзыв в интернете и не имели бы всех тех благ, которые для нас сейчас считаются обыденностью. Они везде и повсюду.

Как это устроено.Электрическая лампочка светит за счет вольфрамовой нити накаливания. Она нагревается до температуры в 2500 градусов по Цельсию и начинает светиться. Очень большим минусом такой лампочки является то, что 96 процентов потребляемой электроэнергии уходит как раз на то, чтобы разогреть вольфрамовую нить.

В свою очередь, светодиод теряет на нагрев всего 4 процента энергии, нагревается светодиодная лампа в среднем до 38-40 градусов по Цельсию, но светит заметно ярче, чем обычная лампочка. По средним показателям, светодиод потребляет в 50 раз меньше энергии и светит в 10 раз ярче, чем его предшественник (лампа накаливания). Такие результаты удалось получить, используя современные технологии изготовления светодиодов, а именно – изготовление при помощи полупроводников.

Полупроводники - это вещества, которые при одних условиях электрический ток проводят, а при других - нет. В настоящее время для изготовления светодиодов применяют разные полупроводники. Одним из вариантов является сапфир в виде технического кристалла – это синтетический кристалл сапфира, выращенный в лаборатории. Выглядит он как круглая полупрозрачная пластина. Сапфир помещают в кварцевую трубу и в течение 6 часов при температуре 1000 градусов обрабатывают газами содержащими атомы калия, индия и алюминия. Атомы металлов находятся в контейнерах под водой, вода нужна для поддержания определенной температуры в каждом из контейнеров, дальше, через небольшие форсунки атомы металлов слоем в один нанометр высаживают на сапфировую пластину. После данной процедуры сапфировую пластину проверяют на токопроводимость. При подаче электричества, если на пластину не попала никакая пылинка, способная испортить ее структуру, она начинает светиться синим цветом. Такой спектр излучения обоснован самим кристаллом сапфира.

После того, как мы получили проводящий ток сапфировую пластину, нам необходимо разрезать ее на отдельные чипы. Из каждой такой пластины можно сделать от 1000 до 6000 отдельных кристаллов. Светосила лампочки напрямую зависит от размера используемого кристалла. Теперь чипы необходимо отправить на проверку и убедиться, все ли кристаллы излучают свет. Через крохотные иглы чипам подают напряжение и контролируют квантовый выход – свечение. Этот процесс занимает разное количество времени на разных производствах. Когда все кристаллы прошли проверку, их вставляют в корпус и формируют контакты, весь процесс полностью автоматизирован. Изначально, такая лампа будет излучать синий цвет. Чтобы получить цвет, приближенный к белому, нам надо нанести на кристалл люминофор. Это светящаяся краска желтого цвета при нанесении на чип с синим излучением, способна в совокупности изменить спектр на выходе и дать белое свечение. Последним действием является закрепление на светодиоде пластмассового колпачка. Эта крышка не только защищает кристалл от механического воздействия, но и работает как линза, направляя свет в заданном направлении.

Посмотрев на окружающий нас с вами мир, нельзя недооценить технологию производства компактных осветительных приборов, которые не только находят всё больше областей применения, но и совершенствуются с каждым годом. С их помощью появились дисплеи, на данный момент имеющие такие технологии производства как: LED, microLED, miniLED, COB, AMOLED и др. Появляются светодиоды, обладающие гибкой структурой, благодаря чему, несложно догадаться, в будущем появятся гибкие складные экраны, сворачиваемые телевизоры, а также светящаяся одежда. Создаются сверхъяркие светодиоды, которые будут помогать исследовать Мировой океан, освещать дороги и т.д.

Вывод.В этой статье был описан метод создания светодиода на основе сапфирового технического кристалла, а также рассмотрены области применения светодиодных осветительных приборов в мире. Как мы можем заметить, изобретение светодиодов оказало сильное влияние на современный прогресс в области электроники и развитие человека в целом.

Список источников

Информация о технологиях производства экранов: https://habr.com/ru/post/496184/

Информация о создании гибких микросветодиодов: https://techxplore.com/news/2020-08-team-flexible-micro-leds-reshape-future.html

https://zoom.cnews.ru/rnd/article/item/gibkie_svetodiody_nachalo_novoj_epohi_skladnyh_gadzhetov

Сюжет программы «Галилео» о создании светодиодов на основе полупроводников: https://www.youtube.com/watch?v=-rohaI6a48o