Как получается белый свет светодиода: синий диод и фосфор

Светодиода, который сам по себе светит белым, не бывает. Объясняем, как синий кристалл и жёлтый слой фосфора вместе дают белый свет.

Если аккуратно снять матовый колпак с LED-лампы, внутри на плате видны маленькие жёлтые квадратики. Лампа выключена, а точки жёлто-оранжевые. Включённая, она светит белым. В этом кажущемся противоречии и заключается главный принцип белых светодиодов: полупроводниковый кристалл не создаёт белый свет сам. Белый цвет появляется позже, благодаря второму материалу.

Почему диод светит только одним цветом

Светодиод — это полупроводниковый переход. Под током электрон «падает» с высокого энергетического состояния на низкое, а потерянная энергия уходит из кристалла фотоном. Энергия фотона, а значит и цвет света, определяется материалом кристалла, точнее шириной его запрещённой зоны. Поэтому отдельный кристалл излучает в узкой полосе спектра, то есть практически одним цветом: красным, зелёным или синим.

Белый свет — не один цвет. В солнечном свете и в свете лампы накаливания есть почти все длины волн видимого спектра. Кроме того, глаз воспринимает как белые определённые смеси цветов. Значит, чтобы получить белый, нужно либо смешать несколько цветов, либо преобразовать один цвет в другие.

Синий кристалл и слой фосфора

Подавляющее большинство бытовых LED-ламп идут вторым путём. В основе — синий диод на нитриде индия-галлия (InGaN). Сверху кристалл покрыт слоем силикона или смолы с особым порошком — фосфором (люминофором). Один из самых распространённых фосфоров — иттрий-алюминиевый гранат, активированный церием (YAG:Ce).

Процесс выглядит так:

• синий диод излучает синий свет в узкой полосе;
• часть этого света поглощается зёрнами фосфора;
• фосфор переизлучает поглощённую энергию на более длинных волнах, в основном в жёлто-зелёной и жёлто-оранжевой области;
• непоглощённый синий свет смешивается с жёлтым, и глаз видит эту смесь как белый.

Именно поэтому выключенный светодиод выглядит жёлтым: вы видите не сам кристалл, а слой фосфора на нём.

Такое преобразование не бесплатно. Коротковолновый синий фотон несёт больше энергии, чем длинноволновый жёлтый, и разница уходит в тепло. Поэтому охлаждение и радиатор в LED-лампе важны не только для кристалла, но и для слоя фосфора.

Как получают тёплый и холодный белый

Цветовая температура задаётся в основном составом и толщиной фосфора. При тонком слое большая часть синего света проходит насквозь, и свет выглядит холодным, голубовато-белым. Когда фосфора больше и в состав добавлены компоненты, излучающие в красной области, доля синего падает, и свет становится тёплым, желтоватым.

Из этого есть практическое следствие. В тёплом белом светодиоде преобразуется большая доля синего света, и потери на преобразование немного выше. Поэтому в пределах одной серии модель с тёплым светом часто даёт чуть меньший световой поток, чем холодная. Это не дефект, а обычная физика.

От смеси фосфоров зависит и индекс цветопередачи (CRI). Если фосфор слаб в красной части спектра, красные и розовые оттенки могут выглядеть блёклыми. Более богатая смесь расширяет спектр и показывает предметы ближе к их естественному цвету.

Другой путь: смешение трёх цветов

Белый свет можно получить, одновременно включив красный, зелёный и синий кристаллы. Так работают RGB-лампы с изменяемым цветом и экраны. В общем освещении этот способ применяют редко: кристаллы разных цветов по-разному реагируют на нагрев и старение, и для поддержания баланса нужно сложное управление. К тому же смесь трёх узких полос может искажать некоторые цвета. Решение с фосфором проще, стабильнее и дешевле, поэтому оно стало стандартом для бытовых ламп.

Что важно покупателю

Понимание технологии помогает правильно читать данные на упаковке:

• Цветовая температура в кельвинах — результат подбора фосфора: примерно 2700–3000 K для тёплого белого, около 4000 K для нейтрального, 5000 K и выше для холодного.
• Значение CRI (Ra) показывает, насколько естественно передаются цвета; для жилых помещений обычно ориентируются на 80 и выше.
• Хорошее охлаждение защищает фосфор от преждевременного старения, поэтому обращайте внимание, допускается ли лампа в закрытых светильниках без вентиляции.
• Не пользуйтесь лампой со снятым или треснувшим колпаком: он рассеивает свет и защищает внутренние детали.

С 2021 года «Зафероглу Электрик» выпускает бытовые LED-лампы Zəfər İşığı на своём заводе в Гяндже. В каталоге можно сравнить модели по цоколю и форме, а при выборе цветовой температуры опереться на логику, описанную выше.