Техника, однако, не стоит на месте, и почти все недостатки люминесцентных ламп сегодня устранены. Электронные пускорегулирующие устройства избавили от неприятного мигания. Новые люминофоры дают свет более близкий к натуральному дневному, причем есть лампы с разной цветовой температурой — от холодных белых (6500 К) до теплых желтоватых (2700 К). Размеры ламп резко сократились за счет сворачивания газоразрядной трубки в спираль. Решена проблема частых включений и медленного разогрева. Наконец, благодаря унификации цоколя люминесцентные лампы стали взаимозаменяемы со старыми лампами накаливания и поэтому смогли прийти в жилые дома. Цена их первое время кусалась, но с налаживанием массового выпуска стала постепенно снижаться. Настал звездный час люминесцентного освещения.

Лампа накаливания

1. Двойная вольфрамовая спираль, излучающая при нагреве свет, и ее держатели

2. Стеклянная колба с винтовым цоколем

3. Инертный газ, заполняющий колбу и увеличивающий срок службы

Опоздавшие к поезду

К сожалению, промышленность России не успела подготовиться к тотальному переходу на компактные люминесцентные лампы. Их массовое производство не было развернуто, и страна все больше зависит от китайского импорта, который продается под российскими брендами. Правительство, подстегивая промышленность наверстать упущенное, запрещает продажу обычных лампочек накаливания. Заводы срочно переориентируются на опасное ртутное производство, но меры эти запоздалые и, вообще говоря, бессмысленные. Зарубежные производители люминесцентных ламп торопятся «отбить» ранее сделанные инвестиции, а весь мир уже активно осваивает новые светодиодные технологии освещения.

Светодиодные панели еще долговечнее и экономичнее, чем люминесцентные лампы. При этом они не содержат опасной ртути, не боятся частых включений, гибко регулируются по яркости и совершенно не мерцают. На освещение в развитых странах тратится 15–20% производимой электроэнергии. Переход на светодиоды позволит в несколько раз сократить затраты энергии в этом секторе. Поэтому по всему миру государства объявляют о планах тотального внедрения этой энергосберегающей технологии, а ведущие производители — о приоритетности полупроводникового направления в освещении.

Когда люминесцентная лампа, которой вы заменили вчера лампу накаливания, отслужит свой срок, на ее место вы уже сможете поставить светодиодный излучатель. Будет он отечественный или импортный, решается прямо сейчас. Опоздав к «люминесцентному поезду», Россия тем не менее имеет пока шанс успеть на светодиодный и не только обойтись без массового импорта твердотельных лампочек, но и стать одним из значимых  игроков на рынке освещения XXI века. В Санкт-Петербурге на предприятиях «Светлана-Оптоэлектроника» и «Оптоган» уже разворачивается производство экологически чистых и высокоэффективных полупроводниковых светильников.

От Маркони до Алферова

Впервые свечение точечного кристаллического детектора наблюдал в 1907 году инженер Генри Раунд из лаборатории Гульельмо Маркони. Внимательно явление электролюминесценции изучил Олег Лосев из Нижегородской радиолаборатории, показавший в 1923 году, что вблизи p-n-перехода в карбиде кремния происходит выпрямление электрического тока, сопровождающееся свечением. Первый патент на «световое реле» был выдан Лосеву в 1927 году, но реальное освоение данной технологии началось не в России, а в США в 1960-е годы, когда полупроводники заявили о себе в полную силу. В 1961 году Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments изобрели и запатентовали технологию изготовления полупроводниковых источников невидимого света — инфракрасных светодиодов. В 1962 году благодаря усилиям Ника Холоньяка из компании General Electric на свет появился первый красный светодиод. Довольно скоро, всего через 10 лет, красненькие циферки загорелись на табло электронных калькуляторов и часов. За прошедшие с тех пор полвека яркость светодиодов выросла в миллион раз, а цена за штуку упала в тысячу раз.

Люминесцентная лампа

1. Стеклянная спиральная трубка, покрытая изнутри люминофором и заполненная инертным газом в смеси с парами ртути

2. Вольфрамовые спирали, между которыми происходит электрический разряд

3. Электронная начинка лампы, выпрямляющая переменное напряжение и обеспечивающая стабильное горение лампы

Главной проблемой первых светодиодов и особенно полупроводниковых лазеров (построенных на базе диодов) была их живучесть. Поначалу, чтобы заставить полупроводник светиться, приходилось пропускать через него электрический ток чудовищной плотности — 1000 А/мм2. Сегодня лазерным светодиодам достаточно всего десятой доли ампера на квадратный миллиметр. Они стали удивительно долгоживущими приборами и могут непрерывно работать 10, а то и 20 лет, практически не снижая яркости, им не страшны частые включения, и они мгновенно выходят на штатный уровень освещения.

Прорыв в области твердотельной генерации света был связан с пионерскими работами Жореса Алферова и Герберта Кремера — нобелевских лауреатов 2000 года. Премию дали не за создание собственно светодиодной технологии, а за «работы по получению полупроводниковых структур, которые могут быть использованы для сверхбыстрых компьютеров». Но именно на этих гетероструктурах в 1970 году в ленинградском Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе создали первый полупроводниковый лазер, непрерывно работающий при комнатной температуре. Эти научные результаты легли в основу докторской диссертации 35-летнего Алферова. Дальнейшие работы по созданию высокоэффективных светодиодов и лазеров увенчались новым успехом Физтеха — созданием в 1995 году гетеролазера на квантовых точках. По прогнозам, к 2020 году в каждом персональном компьютере будет с десяток лазеров на квантовых точках, используемых для скоростной цифровой связи процессоров, памяти и периферийных устройств. А в патронах ламп появятся «холодные» светодиоды, испускающие поток излучения благодаря тончайшему слою квантовых точек. Это позволит получить действительно приятный для глаза спектр, не теряя в эффективности.

Световая отдача

Центральный элемент полупроводникового диода — p-n-переход. C одной стороны от него, в области n, ток переносят электроны, а с другой стороны, в области p, — дырки, то есть свободные места в кристаллической структуре полупроводника, где электрона не хватает. При пропускании тока электроны и дырки движутся навстречу друг другу. В области p-n-перехода электроны попадают в дырки, заполняют и нейтрализуют их. В этом процессе рекомбинации выделяется энергия.

Далеко не всегда эта энергия испускается в виде света, то есть фотонов. Например, кремний, основной материал электроники, устроен так, что свободные электроны и дырки рекомбинируют, порождая слабенькую акустическую волну — фонон, — которая быстро рассеивается, переходя в тепло. Поэтому микросхемы греются, а не светятся.

Но в некоторых полупроводниках рекомбинация сопровождается испусканием кванта света, энергия которого зависит от разности энергий электрона и дырки — она примерно постоянна для каждого полупроводника. Например, арсенид галлия служит для создания инфракрасных и красных светодиодов. Тройное соединение галлия, мышьяка и фосфора дает более яркие красные светодиоды, а также желто-зеленые. Различные соединения, содержащие алюминий, индий, галлий и фосфор, стали основой для ярких светодиодов красного, оранжевого и желтого свечения. Фосфид галлия со специальными оптически активными примесями дает зеленое свечение. Нитрид галлия — основной современный материал для ультрафиолетовых, синих и зеленых светодиодов.