Η δίοδος εκπομπής φωτός (LED) είναι ουσιαστικά μια δίοδος ημιαγωγών διασταύρωσης PN που εκπέμπει ένα μονόχρωμο (μονόχρωμο) φως όταν λειτουργεί με κατεύθυνση προς τα εμπρός. Η βασική δομή ενός LED αποτελείται από τη μήτρα ή το υλικό ημιαγωγού που εκπέμπει φως, ένα πλαίσιο μολύβδου όπου τοποθετείται πραγματικά η μήτρα και την εποξειδική ενθυλάκωση που περιβάλλει και προστατεύει τη μήτρα (Εικόνα 1). Τα πρώτα εμπορικά χρησιμοποιήσιμα LED αναπτύχθηκαν τη δεκαετία του 1960 συνδυάζοντας τρία κύρια στοιχεία: γάλλιο, αρσενικό και φώσφορο (GaAsP) για να ληφθεί μια πηγή κόκκινου φωτός 655 nm. Αν και η φωτεινή ένταση ήταν πολύ χαμηλή με επίπεδα φωτεινότητας περίπου 1-10 mcd @ 20 mA, εξακολουθούσαν να χρησιμοποιούνται σε μια ποικιλία εφαρμογών, κυρίως ως δείκτες. Μετά το GaAsP, το GaP ή το φωσφίδιο του γαλλίου, αναπτύχθηκαν κόκκινα LED. Αυτές οι συσκευές βρέθηκαν να παρουσιάζουν πολύ υψηλές κβαντικές αποδόσεις, ωστόσο, έπαιξαν μόνο μικρό ρόλο στην ανάπτυξη νέων εφαρμογών για LED. Αυτό οφειλόταν σε δύο λόγους: Πρώτον, η εκπομπή μήκους κύματος 700 nm βρίσκεται σε μια φασματική περιοχή όπου το επίπεδο ευαισθησίας του ανθρώπινου ματιού είναι πολύ χαμηλό (Εικόνα 2) και επομένως, δεν «φαίνεται» πολύ φωτεινό, παρόλο που η απόδοση είναι υψηλό (το ανθρώπινο μάτι ανταποκρίνεται περισσότερο στο κιτρινοπράσινο φως). Δεύτερον, αυτή η υψηλή απόδοση επιτυγχάνεται μόνο σε χαμηλά ρεύματα. Καθώς το ρεύμα αυξάνεται, η απόδοση μειώνεται. Αυτό αποδεικνύεται μειονέκτημα για χρήστες όπως οι κατασκευαστές πινακίδων μηνυμάτων εξωτερικού χώρου που συνήθως πολυπλέκουν τα LED τους σε υψηλά ρεύματα για να επιτύχουν επίπεδα φωτεινότητας παρόμοια με αυτά της συνεχούς λειτουργίας συνεχούς ρεύματος. Ως αποτέλεσμα, τα κόκκινα LED GaP χρησιμοποιούνται επί του παρόντος μόνο σε περιορισμένο αριθμό εφαρμογών. Καθώς η τεχνολογία LED προχωρούσε στη δεκαετία του 1970, έγιναν διαθέσιμα επιπλέον χρώματα και μήκη κύματος. Τα πιο κοινά υλικά ήταν το πράσινο και κόκκινο GaP, το πορτοκαλί GaAsP ή το κόκκινο υψηλής απόδοσης και το κίτρινο GaAsP, τα οποία χρησιμοποιούνται ακόμη και σήμερα (Πίνακας 3). Η τάση προς πιο πρακτικές εφαρμογές άρχισε επίσης να αναπτύσσεται. Τα LED βρέθηκαν σε προϊόντα όπως αριθμομηχανές, ψηφιακά ρολόγια και εξοπλισμός δοκιμών. Αν και η αξιοπιστία των LED ήταν πάντα ανώτερη από αυτή των λαμπτήρων πυρακτώσεως, νέον κ.λπ., το ποσοστό αστοχίας των πρώιμων συσκευών ήταν πολύ υψηλότερο από αυτό που επιτυγχάνει τώρα η τρέχουσα τεχνολογία. Αυτό οφειλόταν εν μέρει στην πραγματική συναρμολόγηση εξαρτημάτων που ήταν κυρίως χειροκίνητη. Οι μεμονωμένοι χειριστές εκτελούσαν εργασίες όπως η διανομή εποξειδικού, η τοποθέτηση της μήτρας στη θέση της και η ανάμειξη εποξειδικού με το χέρι. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα ελαττώματα όπως «εποξειδική κλίση» που προκάλεσε διαρροή VF (τάση προς τα εμπρός) και VR (αντίστροφη τάση) ή ακόμα και βραχυκύκλωμα της διασταύρωσης PN. Επιπλέον, οι μέθοδοι ανάπτυξης και τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν δεν ήταν τόσο εκλεπτυσμένα όσο σήμερα. Υψηλός αριθμός ελαττωμάτων στα στρώματα κρυστάλλου, υποστρώματος και επιταξίας είχε ως αποτέλεσμα μειωμένη απόδοση και μικρότερη διάρκεια ζωής της συσκευής.
Αρσενίδιο γαλλίου αργιλίου
Μόλις τη δεκαετία του 1980 αναπτύχθηκε ένα νέο υλικό, το GaAlAs (αρσενίδιο του αλουμινίου γαλλίου), που άρχισε να εμφανίζεται μια ταχεία ανάπτυξη στη χρήση των LED. Η τεχνολογία GaAlAs παρείχε ανώτερη απόδοση σε σχέση με τα προηγούμενα διαθέσιμα LED. Η φωτεινότητα ήταν πάνω από 10 φορές μεγαλύτερη από τα τυπικά LED λόγω της αυξημένης απόδοσης και των πολυεπίπεδων δομών τύπου ετεροσύνδεσης. Η τάση που απαιτείται για τη λειτουργία ήταν χαμηλότερη με αποτέλεσμα μια συνολική εξοικονόμηση ενέργειας. Τα LED θα μπορούσαν επίσης να είναι εύκολα παλμικά ή πολυπλεξικά. Αυτό επέτρεψε τη χρήση τους σε μεταβλητά μηνύματα και πινακίδες εξωτερικού χώρου. Τα LED σχεδιάστηκαν επίσης σε εφαρμογές όπως σαρωτές γραμμωτού κώδικα, συστήματα μετάδοσης δεδομένων οπτικών ινών και ιατρικός εξοπλισμός. Αν και αυτή ήταν μια σημαντική ανακάλυψη στην τεχνολογία LED, εξακολουθούσαν να υπάρχουν σημαντικά μειονεκτήματα στο υλικό GaAlAs. Πρώτον, ήταν διαθέσιμο μόνο σε κόκκινο μήκος κύματος 660 nm. Δεύτερον, η υποβάθμιση της απόδοσης φωτός του GaAlAs είναι μεγαλύτερη από αυτή της τυπικής τεχνολογίας. Είναι εδώ και καιρό μια εσφαλμένη αντίληψη με τα LED ότι η απόδοση φωτός θα μειωθεί κατά 50% μετά από 100.000 ώρες λειτουργίας. Στην πραγματικότητα, ορισμένα LED GaAlAs ενδέχεται να μειωθούν κατά 50% μετά από μόνο 50.000 -70.000 ώρες λειτουργίας. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας και/ή υψηλής υγρασίας. Επίσης, κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, το κίτρινο, το πράσινο και το πορτοκαλί είδαν μόνο μια μικρή βελτίωση στη φωτεινότητα και την απόδοση, η οποία οφειλόταν κυρίως στις βελτιώσεις στην ανάπτυξη των κρυστάλλων και στον οπτικό σχεδιασμό. Η βασική δομή του υλικού παρέμεινε σχετικά αμετάβλητη.
Για να ξεπεραστούν αυτά τα δύσκολα ζητήματα χρειαζόταν νέα τεχνολογία. Οι σχεδιαστές LED στράφηκαν στην τεχνολογία διόδων λέιζερ για λύσεις. Παράλληλα με τις ραγδαίες εξελίξεις στην τεχνολογία LED, η τεχνολογία διόδων λέιζερ είχε επίσης σημειώσει πρόοδο. Στα τέλη της δεκαετίας του 1980, οι δίοδοι λέιζερ με έξοδο στο ορατό φάσμα άρχισαν να παράγονται εμπορικά για εφαρμογές όπως συσκευές ανάγνωσης γραμμωτού κώδικα, συστήματα μέτρησης και ευθυγράμμισης και συστήματα αποθήκευσης επόμενης γενιάς. Οι σχεδιαστές LED προσπάθησαν να χρησιμοποιήσουν παρόμοιες τεχνικές για την παραγωγή LED υψηλής φωτεινότητας και υψηλής αξιοπιστίας. Αυτό οδήγησε στην ανάπτυξη των ορατών LED InGaAlP (Indium Gallium Aluminium Phosphide). Η χρήση του InGaAlP ως φωταυγούς υλικού επέτρεψε την ευελιξία στο σχεδιασμό του χρώματος εξόδου LED απλώς προσαρμόζοντας το μέγεθος του κενού ενεργειακής ζώνης. Έτσι, τα πράσινα, κίτρινα, πορτοκαλί και κόκκινα LED θα μπορούσαν να παραχθούν χρησιμοποιώντας την ίδια βασική τεχνολογία. Επιπλέον, η υποβάθμιση του φωτός του υλικού InGaAlP βελτιώνεται σημαντικά ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες και υγρασία.
Τρέχουσες εξελίξεις της τεχνολογίας LED Τα LED InGaAlP έκαναν ένα περαιτέρω άλμα στη φωτεινότητα με μια νέα εξέλιξη από την Toshiba, έναν κορυφαίο κατασκευαστή LED. Η Toshiba, χρησιμοποιώντας τη διαδικασία ανάπτυξης MOCVD (Metal Oxide Chemical Vapor Deposition), μπόρεσε να παράγει μια δομή συσκευής που αντανακλούσε το 90% ή περισσότερο του παραγόμενου φωτός που ταξιδεύει από το ενεργό στρώμα προς το υπόστρωμα πίσω ως χρήσιμη έξοδος φωτός (Εικόνα 4). Αυτό επέτρεψε σχεδόν διπλάσια αύξηση της φωτεινότητας των LED σε σχέση με τις συμβατικές συσκευές. Η απόδοση των LED βελτιώθηκε περαιτέρω με την εισαγωγή ενός στρώματος αποκλεισμού ρεύματος στη δομή LED (Εικόνα 5). Αυτό το στρώμα αποκλεισμού διοχετεύει ουσιαστικά το ρεύμα μέσω της συσκευής για να επιτύχει καλύτερη απόδοση της συσκευής. Ως αποτέλεσμα αυτών των εξελίξεων, μεγάλο μέρος της ανάπτυξης των LED στη δεκαετία του 1990 θα συγκεντρωθεί σε τρεις κύριους τομείς: Ο πρώτος αφορά τις συσκευές ελέγχου της κυκλοφορίας, όπως φώτα στάσης, σήματα πεζών, φώτα οδοφράγματος και πινακίδες κινδύνου. Το δεύτερο είναι σε πινακίδες μεταβλητών μηνυμάτων όπως αυτό που βρίσκεται στην Times Square της Νέας Υόρκης και εμφανίζει εμπορεύματα, ειδήσεις και άλλες πληροφορίες. Η τρίτη συγκέντρωση θα ήταν σε εφαρμογές αυτοκινήτων. Το ορατό LED έχει διανύσει πολύ δρόμο από την εισαγωγή του πριν από σχεδόν 40 χρόνια και δεν έχει δείξει ακόμη σημάδια επιβράδυνσης. Ένα μπλε LED, το οποίο έγινε διαθέσιμο σε ποσότητες παραγωγής τη δεκαετία του 1990, είχε ως αποτέλεσμα μια ολόκληρη γενιά νέων εφαρμογών. Τα μπλε LED λόγω των υψηλών ενεργειών φωτονίων τους (& gt;2,5eV) και της σχετικά χαμηλής ευαισθησίας των ματιών ήταν πάντα δύσκολο να κατασκευαστούν. Επιπλέον, η τεχνολογία που απαιτείται για την κατασκευή αυτών των LED είναι πολύ διαφορετική και πολύ λιγότερο προηγμένη από τα τυπικά υλικά LED. Τα μπλε LED που διατίθενται σήμερα αποτελούνται από κατασκευή GaN (νιτρίδιο γαλλίου) και SiC (καρβίδιο του πυριτίου) με επίπεδα φωτεινότητας άνω των 10.000 mcd @ 20 mA για συσκευές GaN. Δεδομένου ότι το μπλε είναι ένα από τα βασικά χρώματα, (τα άλλα δύο είναι το κόκκινο και το πράσινο), έχουν γίνει εμπορικά διαθέσιμα πλήρως έγχρωμα σήματα LED στερεάς κατάστασης, τηλεοράσεις κ.λπ. Άλλες εφαρμογές για μπλε LED περιλαμβάνουν ιατρικό διαγνωστικό εξοπλισμό και φωτολιθογραφία.
Χρώματα LED Είναι επίσης δυνατή η παραγωγή άλλων χρωμάτων χρησιμοποιώντας την ίδια βασική τεχνολογία GaN και διαδικασίες ανάπτυξης. Για παράδειγμα, έχει αναπτυχθεί μια πράσινη λυχνία LED υψηλής φωτεινότητας (περίπου 500 nm) που έχει αντικαταστήσει την πράσινη λάμπα στα φανάρια. Είναι επίσης δυνατά και άλλα χρώματα, όπως το μωβ και το λευκό. Με την εισαγωγή των μπλε LED, είναι δυνατό να παραχθεί λευκό συνδυάζοντας επιλεκτικά τον κατάλληλο συνδυασμό κόκκινου, πράσινου και μπλε φωτός. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία απαιτεί εξελιγμένο λογισμικό και σχεδιασμό υλικού για να εφαρμοστεί. Επιπλέον, το επίπεδο φωτεινότητας είναι χαμηλό και η συνολική απόδοση φωτός κάθε μήτρας RGB που χρησιμοποιείται υποβαθμίζεται με διαφορετικό ρυθμό με αποτέλεσμα μια ενδεχόμενη ανισορροπία χρώματος. Μια άλλη προσέγγιση που λαμβάνεται για την επίτευξη απόδοσης λευκού φωτός, είναι η χρήση ενός στρώματος φωσφόρου (Γρανάτης αλουμινίου υττρίου) στην επιφάνεια ενός μπλε LED. Συνοπτικά, τα LED έχουν περάσει από τη βρεφική ηλικία στην εφηβεία και βιώνουν μερικές από τις πιο ταχεία ανάπτυξη της αγοράς στη διάρκεια της ζωής τους. Χρησιμοποιώντας υλικό InGaAlP με MOCVD ως διαδικασία ανάπτυξης, σε συνδυασμό με αποτελεσματική παροχή παραγόμενου φωτός και αποτελεσματική χρήση του εγχυόμενου ρεύματος, μερικά από τα φωτεινότερα, πιο αποτελεσματικά και πιο αξιόπιστα LED είναι τώρα διαθέσιμα. Αυτή η τεχνολογία μαζί με άλλες νέες δομές LED θα εξασφαλίσουν ευρεία εφαρμογή των LED. Οι νέες εξελίξεις στο μπλε φάσμα και στην απόδοση λευκού φωτός θα εγγυηθούν επίσης τη συνεχή αύξηση των εφαρμογών αυτών των οικονομικών πηγών φωτός.
