Блог Чадюка Вячеслава

 ІСТОРІЯ СВІТЛОДІОДА

Електролюмінесценцію твердого тіла першим спостерігав у 1858 р. німецький фізик Юліус Плюккер, який у 1859 р. відкрив катодні промені.  У 1897 р. німецьким фізиком Карлом Брауном був створений перший осцилограф на електронно-променевій (катодній) трубці. До речі, саме Браун у 1874 р. виявив випрямну дію контакту метал-напівпровідник і отримав у 1899 р. патент на кристалічний детекторний випрямляч. Браун суттєво удосконалив радіопередавач італійського винахідника Гульєльмо Марконі, що дозволило останньому у 1901 р. передати через Атлантичний океан кодом Морзе першу радіограму. „За видатний внесок у створення безпровідної телеграфії” Браун та Марконі отримали у 1909 р. Нобелівську премію.

У 1907 р., російським фізиком та винахідником Борисом Розінгом був запатентований „Спосіб електричної передачі зображень на відстань”, яким закладався фундамент електронної системи телебачення. Використані ним фотоелемент для передачі зображення та електронно-променева трубка з люмінесцентним екраном в якості приймача зображення дозволила уже в 1911 р. передати телевізійне зображення в запропонованій Розінгом електронній системі телебачення. Розінг першим використав електронний промінь для розгортки зображення.

До електронної розгортки існувала електромеханічна розгортка зображення диском Ніпкова, запропонована у 1884 р. німецьким інженером Паулем Ніпковим.

Електроніка фактично почалася зі створення у 1901 р. англійським фізиком Оуеном Ричардсоном першої електронної лампи (Нобелівська премія 1928 р. „за дослідження явищ термоемісії і у першу чергу за відкриття закону, який носить його ім’я”). Бурхливий розвиток низьковольтної напівпровідникової електроніки почався після винаходу у 1948 р. транзистора (американські фізики Уїльям Шоклі, Джон Бардін та Уолтер Браттейн; Нобелівська премія 1956 р. „за дослідження напівпровідників та відкриття транзисторного ефекту”). Постало питання про створення низьковольтних твердотільних джерел світла, які можна було б використовувати для візуального відображення інформації, наприклад, індикації стану транзисторних пристроїв, генерації знаків та телевізійних зображень. Однією з причин швидкого переходу від вакуумної електроніки до твердотiльної електроніки було запровадження у США податку на об’єм вакууму в електронних приладах, що спонукало виробників електронної апаратури спочатку до мініатюризації електронних приладів, а потім і до розробки твердотільних аналогів підсилювальних, генераторних та індикаторних ламп.

У 1907 р. англійський дослідник Генрі Раунд повідомляє про світіння карборунду (кристала карбіду кремнію SiC) при прикладанні напруги між двома точками його поверхні. Дослідження радянським вченим Олегом Лосєвим (1923 р.) світіння, яке виникало у карборундному кристалі контактного детектора започаткувало вивчення можливості створення напівпровідникових джерел світла. У 1936 р. французьким фізиком Жоржем Дестріо було відкрите явище передпробійної  електролюмінесценції в порошку сульфіду цинку ZnS, легованому різними домішками.

Спостереження електролюмінесценції карборунду, про яке у 1907 р. Генрі Раунд повідомляв у своєму короткому листі  редакцію журналу «Electrical World», розглядалося ним самим як курйозний факт. Для одного з піонерів радіозв’язку, це був лише побічний ефект у пошуках матеріалів для детекторів, призначених для виділення з модульованих коливань сигналу, який на той час передавався кодом Морзе. Ніяких подальших досліджень цього ефекту Раунд  не проводив.

17-річний Олег Лосєв у 1920 р. починає працювати у Нижегородській радіолабораторії. Не маючи спеціальної освіти, але захоплений зі школи безпровідним зв’язком, Лосєв досліджує матеріали для контактних детекторів (один з двох контактів був металічним або вугільним вістрям). У 1922 р. ним був створений перший гетеродинний радіоприймач (кристадин), в якому кристал окису цинку ZnO слугував і підсилювачем, і генератором коливань (за рахунок негативного диференціального опору; подібну ж властивість мав тунельний діод,  створений у 1958 р. японським фізиком Лео Есакі, за що у 1973 р. ним була отримана Нобелівська премія). Хоча кристадин (кристалічний гетеродин) і не був запатентований, пристрій та його юний винахідник стали широко відомі широкому колу вітчизняних та зарубіжних фахівців. У 1923 р. Лосєв, як свого часу і Г. Раунд, спостерігав світіння карборунду в контактному детекторі. Він першим зрозумів важливість та перспективи спостережуваного явища, яке після його досліджень стали називати на Заході „світінням Лосєва”. Дослідження першого напівпровідникового джерела світла були викладені Лосєвим у 1927–1930 рр. у серії статей. У 1929 р. Лосєв отримав патент на винахід під назвою «Світлове реле». Лосєв запропонував використовувати „світний карборундний детектор” для бінарного запису інформації на рухому фотопластинку при телеграфному або телефонному прийомі. Таким чином, Олег Лосєв є деякою мірою винахідником і світлодіода, і оптичної дискової пам’яті.

У 1951 р. американський дослідник К. Леховец з колегами продовжив вивчення світіння Лосєва і дійшов висновку, що воно викликане інжекцією носіїв заряду p-n-переходом.  У 1955 р. американський фізик Р. Браунштейн дослідив інфрачервоне рекомбінаційне випромінювання, яке виникало в кристалі арсеніду галію GaAs внаслідок інжекції. Згадані дослідження привели до створення у 1962 р. у США червоних лазерних діодів та світлодіодів. Спочатку Н. Холоняком  був створений лазерний діод на сплаві GaAs_1–xP_x, а трохи пізніше Д. Старкієвичем та Д. Алленом був розроблений світлодіод на фосфіді галію, легованому цинком, GaP:Zn.

Американський вчений Нік Холоняк зробив значний внесок у технологію напівпровідникової електроніки. Він першим створив прилади на основі сплавів напівпровідників ІІІ та V груп елементів періодичної таблиці, використавши для цього метод газової епітаксії, запропонований ним у 1960 р.  

У 1963 р. американським дослідником Х. Нельсоном була розроблена технологія рідинної епітаксії напівпровідникових плівок на підкладках. У 1964 р. з’явилася технологія молекулярно-променевої епітаксії: Р. Скулар та Дж. Земел за допомогою молекулярного пучка нанесли на кристал хлористого натрію NaCl плівку сульфіду свинцю PbS. Нові матеріали з керованою структурою фосфід-арсенід галію GaAs_1–xP_x та  арсенід галію-алюмінію Al_xGa_1–xAs, отримувані шляхом епітаксії, дозволили у широких межах змінювати ширину забороненої зони напівпровідників, підбираючи відносний вміст x одного з компонентів у сплаві. При цьому змінювалася і довжина хвилі випромінювання.

Проведені у 60–70-х роках минулого століття дослідження подвійних сполук третьої та п’ятої груп періодичної таблиці елементів (типу A^IIIB^V, таких як GaP, GaAs, GaSb, GaN, AlN, InP), а також другої та шостої груп (типу A^IIB^V, таких як SiC, ZnS, ZnSe, ZnO) створили передумови для масового випуску світлодіодів з ультрафіолетовим, видимим та інфрачервоним випромінюванням.

У 1968 р. з’являються перші гетероструктурні лазери, а у 1969 р. – гетероструктурні світлодіоди. У 2000 р. американський фізик Герберт Кремер та російський фізик Жорес Алфьоров за роботи у галузі створення гетероструктур, започатковані ними у 1963 р., отримують Нобелівську премію.

Тривалий час у серійних світлодіодів найбільш короткохвильовим було зелене випромінювання. У 1990 р. японський дослідник Судзі Накамура створив високоефективний синій світлодіод на основі InGaN, з появою якого значно розширилася сфера застосування світлодіодів (підсвічування рідкокристалічних дисплеїв, триколірні світлодіодні дисплеї тощо). Створені останнім часом  яскраві сині світлодіоди, поєднані з жовтим люмінофором, випромінюють біле світло і з часом замінять звичайні лампи.

Перші дослідження можливості створення органічного світлодіода були проведені ще  у 60-х роках минулого століття, але високі напруги і мала яскравість перших органічних світлодіодів здавалося робили їх неперспективними. Ситуація різко змінилася у 1987 р. після створення С. Тангом та С. Ван-Слайком  низьковольтних органічних світлодіодів з яскравістю понад 1000 кд/м². Дисплеї на органічних світлодіодах, переважаючи рідкокристалічні дисплеї практично за всіма технічними параметрами, поступово почали витісняти останні з ринку побутової електроніки.