Попробуем проследить за мыслью ученых, которая привела к совершенно новой идее источника света.
Известно, что существуют два вида полупроводников. Одни — материалы п-типа. В них значительное число атомов имеет лишние электроны. Атомы эти называются донорами. Они могут отдавать свои избыточные электроны кристаллу. А эти электроны, называемые электронами проводимости, обеспечивают прохождение тока через материал.
Другие материалы — р-типа. Атомы этих веществ испытывают нехватку электронов. Такие атомы называют акцепторами. Пустые, не заполненные электронами места в таких атомах называются дырками. Они ведут себя подобно электронам, но положительно заряженным. В самом деле, представьте, что какой-то атом-акцептор восполнил недостаток электрона за счет соседа справа. Электрон при этом переместился справа налево, а дырка — слева направо. Вот почему и говорят о дырочном типе проводимости.
Теперь представьте себе, что через контакт р и п материалов, так называемый р-п переход, в материал р-типа под действием электрического поля, направленного к р-области, впрыскиваются (или, как еще говорят, инжектируются) свободные электроны. Естественно, они будут искать в пространстве свободные места и занимать их. Этот процесс называется рекомбинацией. В результате рекомбинации будет выделяться энергия в виде некоторых порций-квантов. В зависимости от свойств полупроводникового кристалла эта энергия может выделяться либо в виде тепла, либо в виде света. Так появилась идея создания инжекционных источников света.
Было показано, что можно подобрать такие примеси (они-то и определяют свойства кристалла), при которых рекомбимация будет сопровождаться излучением преимущественно световой энергии. Иначе говоря, была показана возможность создать источник света. Количество энергии, выделяющейся при этом в виде света, достигает почти 100 процентов. В настоящее время, на этой основе конструируются устройства и электрические схемы светодиодных светильников и элементов подсветки. Здесь можно получить более подробную информацию об энергосберегающем освещении. А мы пока вернемся к основам получения света на уровне обычного полупроводника.
Итак, мы получили свет. Но вот беда: этот свет оказывается как бы запертым в кристалле. Ведь кристалл — вещество с большей оптической плотностью, нежели воздух. И если угол падения света на границу кристалла и воздуха окажется больше некоторого предела, определяемого коэффициентом преломления, свет испытает полное внутреннее отражение. Здесь-то и лежит одна из главных трудностей в разработке инжекционного источника.
Как выпускать свет на волю? Для этого нужно придать кристаллу такую форму, чтобы свет падал изнутри на его поверхность под определенными углами, не более некоторого предела. Эта форма представляется инженерам полусферической. Правда, из-за потерь энергии в электродах, частичного отражения света от поверхности кристалла, рассеяния света в кристалле и ряда других причин кпд будет составлять около 20 процентов. Чтобы сократить эти потери, электроды нужно делать блестящими, в полупроводник вводить такие примеси, при которых- почти вся рекомбинация будет проходить на центрах излучения и т. д. Итак, с точки зрения физики, путь улучшения инжекционных светильников виде.н уже сегодня.
Об использовании этих источников для освещения помещений говорить еще рано, нужно приложить еще много усилий и прежде всего в разработке технологии, чтобы инжекционный светильник стал конкурентом лампы накаливания. Ведь теоретически кпд этих устройств можно довести до 120 процентов!
Наверное, прочтя эти слова, искушенный читатель почувствует легкое раздражение и сильное желание отбросить статью и сесть писать негодующее письмо по поводу еще одной псевдонаучной сенсации о нарушении закона сохранения энергии.
Но подождите! Здесь нет никакого нарушения физических законов. Ведь речь идет не о кпд в принятом смысле слова, как об отношении энергии видимого света ко всей затраченной энергии, а лишь к электрической энергии, подводимой к источнику света с электростанции, и только. А откуда берется дополнительная энергия? Впрочем, теперь, уважаемый читатель, все по порядку.
Для того чтобы заставить электроны и дырки двигаться навстречу друг другу и рекомбинировать, необходимо увеличить их энергию настолько, чтобы они могли преодолеть потенциальный барьер, находящийся на стыке р- и п-материалов. Это можно сделать, приложив к р-п переходу напряжение. Предположим, что оно несколько меньше, чем запирающее напряжение р-п перехода. Казалось бы, электроны не в состоянии проникнуть в дырочный материал, а дырки в электронный.
Но, к счастью, не все электроны и дырки будут иметь одинаковую энергию. Всегда найдутся электроны, имеющие за счет тепла окружающего пространства большую энергию, нежели основная масса. Энергия этих электронов, сложенная с подведенной извне, позволит им преодолеть потенциальный барьер и рекомбинировать, излучая свет.
Таким образом, мы будем использовать не только электрическую энергию, подводимую по проводам, но и тепловую энергию окружающего пространства. При этом температура окружающего пространства будет, естественно, несколько понижаться. Так что никакого нарушения закона сохранения энергии тут нет.
Конечно, 120 процентов — цифра по техническим причинам недостижимая. Однако если — с учетом потерь—кпд наших светильников составит хотя бы 90 процентов, то это уже будет совсем неплохо. Тогда по кпд наша лампа сможет соперничать с одним из самых эффективных на сегодняшний день устройством — трансформатором.
etxt
