Досліди Рубена Браунштайна
Браунштайн досліджував кілька напівпровідникових сполук: арсенід галлію (GaAs), фосфід галлію (GaP), антимонід індію (InSb) та германій з домішками. Він встановив, що при прямому зміщенні p-n переходу (місце контакту двох типів напівпровідника: p-типу з надлишком «дірок» – умовних позитивних зарядів, і n-типу з надлишком вільних електронів) відбувається рекомбінація електронів і дірок (процес, при якому вільний електрон «падає» на вакантне місце – дірку, віддаючи при цьому енергію), яка супроводжується випромінюванням фотонів – явище, що отримало назву інжекційної електролюмінесценції. Найінтенсивніше випромінювання він зафіксував саме в арсеніді галлію, довжина хвилі якого відповідала ближньому інфрачервоному діапазону (~900 нм) – невидимому для людського ока.
Процес p-n переходу з випромінюванням фотонів
Принципова наукова заслуга Браунштайна полягала у тому, що він вперше чітко встановив зв'язок між шириною забороненої зони (енергетичний бар'єр між валентною зоною і зоною провідності в кристалі; чим він вужчий — тим менше енергії виділяє електрон при рекомбінації, і тим довша хвиля випромінювання) конкретного напівпровідника і довжиною хвилі випромінювання. Це стало теоретичним фундаментом для подальшого цілеспрямованого підбору матеріалів під потрібну довжину хвилі – принцип, що й досі лежить в основі розробки будь-якого LED.
Поява перших світлодіодів
Якщо Браунштайн заклав теоретичний фундамент, то практичний прорив у бік видимого світла здійснив американський фізик Нік Голоняк, що працював у дослідницькому підрозділі General Electric. У 1962 році він створив перший світлодіод, що випромінював у видимому червоному діапазоні спектру.
Ключовим матеріалом у його роботі став фосфід арсеніду галлію – GaAsP (арсенід галлію з частковим заміщенням миш'яку фосфором). Голоняк розумів просту закономірність, що випливала з відкриття Браунштайна: додавання фосфору до GaAs збільшує ширину забороненої зони матеріалу, а отже – підвищує енергію фотонів, що виділяються при рекомбінації, і зміщує довжину хвилі випромінювання з інфрачервоного діапазону (~900 нм) у видимий червоний (~650 нм). Варіюючи співвідношення миш'яку і фосфору у кристалічній решітці, він міг цілеспрямовано «налаштовувати» колір випромінювання.
Спектральна характеристика GaAsP
Перший дослід виглядав вкрай скромно: крихітний кристал GaAsP, припаяний до металевої підкладки, при підключенні струму давав слабке червоне світіння, що ледь вловлювалося оком у затемненій кімнаті. Яскравість була мізерною – порядку 0,001 кд/м², що робило пристрій практично непридатним для освітлення. Однак вперше в історії напівпровідниковий прилад випромінював світло, яке людське око могло безпосередньо бачити.
Подальший розвиток
У 1972 році Джордж Крафорд, який навчався у Н. Холоньяка, у 10 разів удосконалив червоний і червоно-помаранчевий світлодіод, тим самим відкривши їхній жовтий аналог.
Трохи пізніше, у 1993 році Суджі Накамура, працівник корпорації «Нічіа», домігся високого значення яскравості у світлодіода синього кольору, що дозволило комбінувати його з іншими пристроями та отримувати відтінки будь-якого світла.
У 2000-х роках «білі» світлодіоди мали вже досить хороший рівень яскравості для того, щоб випускати їх у масових кількостях для всього сегмента ринку.
