دیود ساطع نور (LED) اساساً یک دیود نیمه هادی اتصال PN است که وقتی در جهت بایاس رو به جلو کار می کند یک نور تک رنگ (تک رنگ) ساطع می کند. ساختار اصلی یک LED شامل قالب یا مواد نیمه هادی ساطع کننده نور، یک قاب سربی که قالب در آن قرار گرفته است و اپوکسی کپسوله که دای را احاطه کرده و از آن محافظت می کند (شکل 1) است. اولین LED های تجاری قابل استفاده در دهه 1960 با ترکیب سه عنصر اصلی: گالیم، آرسنیک و فسفر (GaAsP) برای به دست آوردن منبع نور قرمز 655 نانومتری ساخته شدند. اگرچه شدت نور با سطوح روشنایی تقریباً 1-10 mcd @ 20mA بسیار کم بود، اما همچنان در کاربردهای مختلف، عمدتاً به عنوان نشانگر، استفاده میشوند. به دنبال GaAsP، GaP، یا فسفید گالیم، LED های قرمز تولید شدند. مشخص شد که این دستگاهها بازده کوانتومی بسیار بالایی را نشان میدهند، با این حال، آنها تنها نقش کوچکی در رشد کاربردهای جدید برای LED ها ایفا کردند. این به دو دلیل بود: اول اینکه، گسیل طول موج 700 نانومتر در یک منطقه طیفی است که سطح حساسیت چشم انسان بسیار پایین است (شکل 2) و بنابراین، "به نظر نمی رسد" بسیار روشن باشد، حتی اگر کارایی داشته باشد. بالا است (چشم انسان بیشتر به نور زرد-سبز پاسخ می دهد). دوم، این راندمان بالا تنها در جریان های کم به دست می آید. با افزایش جریان، راندمان کاهش می یابد. این یک نقطه ضعف برای کاربرانی مانند سازندگان علائم پیام در فضای باز است که معمولاً LED های خود را در جریان های بالا مضاعف می کنند تا به سطوح روشنایی مشابه با عملکرد مداوم DC دست یابند. در نتیجه، ال ای دی های قرمز GaP در حال حاضر تنها در تعداد محدودی از برنامه ها استفاده می شوند. با پیشرفت فناوری LED در دهه 1970، رنگ ها و طول موج های بیشتری در دسترس قرار گرفتند. متداول ترین مواد GaP سبز و قرمز، GaAsP نارنجی یا قرمز با راندمان بالا و GaAsP زرد بودند که همه آنها هنوز هم امروزه استفاده می شوند (جدول 3). گرایش به سمت برنامه های کاربردی تر نیز شروع به توسعه کرد. ال ای دی در محصولاتی مانند ماشین حساب، ساعت های دیجیتال و تجهیزات تست یافت شد. اگرچه قابلیت اطمینان LED ها همیشه برتر از لامپ های رشته ای، نئون و غیره بوده است، اما میزان خرابی دستگاه های اولیه بسیار بیشتر از آن چیزی است که فناوری فعلی به آن دست می یابد. این تا حدی به دلیل مونتاژ واقعی اجزا بود که در درجه اول ماهیت دستی داشت. اپراتورهای منفرد وظایفی مانند توزیع اپوکسی، قرار دادن قالب در موقعیت و مخلوط کردن اپوکسی را با دست انجام می دادند. این منجر به نقص هایی مانند "شیب اپوکسی" شد که باعث نشتی VF (ولتاژ رو به جلو) و VR (ولتاژ معکوس) یا حتی کوتاه شدن اتصال PN شد. علاوه بر این، روش های رشد و مواد مورد استفاده به اندازه امروز تصفیه نشده بودند. تعداد بالای عیوب در لایههای کریستال، بستر و همپایه منجر به کاهش کارایی و طول عمر دستگاه کوتاهتر میشود.
آرسنید گالیم آلومینیوم
در دهه 1980 بود که ماده جدیدی به نام GaAlAs (آرسنید آلومینیوم گالیم) توسعه یافت که رشد سریع استفاده از LED ها شروع شد. فناوری GaAlAs عملکرد برتری نسبت به ال ای دی های موجود قبلی ارائه می دهد. روشنایی بیش از 10 برابر بیشتر از LEDهای استاندارد به دلیل افزایش کارایی و ساختارهای چندلایه از نوع ناهمگونی بود. ولتاژ مورد نیاز برای کار کمتر بود که منجر به صرفه جویی در مصرف برق شد. LED ها همچنین می توانند به راحتی پالس یا مالتی پلکس شوند. این اجازه استفاده از آنها را در پیام های متغیر و علائم در فضای باز داد. LED ها همچنین برای کاربردهایی مانند اسکنر بارکد، سیستم های انتقال داده فیبر نوری و تجهیزات پزشکی طراحی شدند. اگرچه این یک پیشرفت بزرگ در فناوری LED بود، اما هنوز هم معایب قابل توجهی برای مواد GaAlAs وجود داشت. اول اینکه فقط در طول موج 660 نانومتری قرمز موجود بود. دوم، تخریب خروجی نور GaAlAs بیشتر از فناوری استاندارد است. مدتهاست که تصور اشتباهی در مورد LED ها وجود دارد که خروجی نور پس از ۱۰۰۰۰۰ ساعت کارکرد تا ۵۰ درصد کاهش می یابد. در واقع، برخی از ال ای دی های GaAlAs ممکن است تنها پس از 50000 تا 70000 ساعت کار 50 درصد کاهش یابد. این امر به ویژه در محیط های با دمای بالا و/یا رطوبت بالا صادق است. همچنین در طول این مدت، زرد، سبز و نارنجی تنها یک بهبود جزئی در روشنایی و کارایی مشاهده کردند که در درجه اول به دلیل پیشرفت در رشد کریستال و طراحی اپتیک بود. ساختار اصلی مواد نسبتاً بدون تغییر باقی ماند.
برای غلبه بر این مسائل دشوار، فناوری جدیدی مورد نیاز بود. طراحان LED برای راه حل به فناوری لیزر دیود روی آوردند. به موازات پیشرفت سریع فناوری LED، فناوری دیود لیزر نیز پیشرفت کرده است. در اواخر دهه 1980 دیودهای لیزری با خروجی در طیف مرئی شروع به تولید تجاری برای کاربردهایی مانند بارکدخوان ها، سیستم های اندازه گیری و تراز و سیستم های ذخیره سازی نسل بعدی کردند. طراحان LED به دنبال استفاده از تکنیک های مشابه برای تولید LED های با روشنایی بالا و قابلیت اطمینان بالا بودند. این منجر به توسعه InGaAlP (ایندیوم گالیوم آلومینیوم فسفید) LEDهای قابل مشاهده شد. استفاده از InGaAlP به عنوان ماده درخشان باعث انعطاف پذیری در طراحی رنگ خروجی LED به سادگی با تنظیم اندازه شکاف باند انرژی می شود. بنابراین، LED های سبز، زرد، نارنجی و قرمز همگی می توانند با استفاده از فناوری اولیه یکسان تولید شوند. علاوه بر این، تخریب خروجی نور مواد InGaAlP حتی در دما و رطوبت بالا به طور قابل توجهی بهبود می یابد.
پیشرفتهای کنونی فناوری الایدی LEDهای InGaAlP با توسعه جدید توشیبا، تولیدکننده پیشرو LED، جهش بیشتری در روشنایی داشتند. توشیبا با استفاده از فرآیند رشد MOCVD (رسوب بخار شیمیایی اکسید فلز) توانست ساختار دستگاهی تولید کند که 90 درصد یا بیشتر از نور تولید شده را که از لایه فعال به زیرلایه برگشت به عنوان خروجی نور مفید منعکس می کند، منعکس می کند (شکل 4). این امر باعث افزایش تقریباً دو برابری درخشندگی LED نسبت به دستگاه های معمولی شد. عملکرد LED با وارد کردن یک لایه مسدود کننده جریان در ساختار LED بیشتر بهبود یافت (شکل 5). این لایه مسدود کننده اساسا جریان را از طریق دستگاه برای دستیابی به کارایی بهتر دستگاه هدایت می کند. در نتیجه این پیشرفتها، بیشتر رشد LED در دهه 1990 در سه حوزه اصلی متمرکز خواهد شد: اولین مورد در دستگاههای کنترل ترافیک مانند چراغهای توقف، علائم عابر پیاده، چراغهای راهبند و علائم خطر جاده است. مورد دوم در علائم پیام متغیر است، مانند علامتی که در میدان تایمز نیویورک قرار دارد و کالاها، اخبار و اطلاعات دیگر را نمایش می دهد. تمرکز سوم در کاربردهای خودرویی است. ال ای دی مرئی از زمان معرفی تقریباً 40 سال پیش تا کنون راه زیادی را پیموده است و هنوز هیچ نشانه ای از کاهش سرعت خود را نشان نداده است. یک LED آبی که در سال 1990 در مقادیر تولید در دسترس قرار گرفت، منجر به نسل کاملی از برنامه های کاربردی جدید شد. LED های آبی به دلیل انرژی فوتون بالا (& gt; 2.5eV) و حساسیت نسبتاً کم چشم همیشه تولید مشکل بوده است. علاوه بر این، فناوری لازم برای ساخت این LED ها بسیار متفاوت و بسیار کمتر از مواد LED استاندارد است. الایدیهای آبی موجود امروزی از ساختار GaN (نیترید گالیوم) و SiC (کاربید سیلیکون) با سطوح روشنایی بیش از 10000 mcd @ 20mA برای دستگاههای GaN تشکیل شدهاند. از آنجایی که آبی یکی از رنگ های اصلی است (دو رنگ دیگر قرمز و سبز هستند)، علائم LED حالت جامد تمام رنگی، تلویزیون و غیره به صورت تجاری در دسترس هستند. از دیگر کاربردهای LED های آبی می توان به تجهیزات تشخیصی پزشکی و فوتولیتوگرافی اشاره کرد.
رنگهای LED همچنین میتوان رنگهای دیگر را با استفاده از همان فناوری اولیه GaN و فرآیندهای رشد تولید کرد. به عنوان مثال، یک LED سبز با روشنایی بالا (تقریباً 500 نانومتر) ساخته شده است که جایگزین لامپ سبز در چراغ های راهنمایی شده است. رنگ های دیگر از جمله بنفش و سفید نیز امکان پذیر است. با معرفی ال ای دی های آبی می توان با ترکیب انتخابی ترکیب مناسب نور قرمز، سبز و آبی رنگ سفید تولید کرد. با این حال، این فرآیند به نرم افزار و طراحی سخت افزاری پیچیده برای پیاده سازی نیاز دارد. علاوه بر این، سطح روشنایی پایین است و خروجی نور کلی هر قالب RGB مورد استفاده با سرعت متفاوتی کاهش مییابد و در نهایت منجر به عدم تعادل رنگ میشود. روش دیگری که برای دستیابی به خروجی نور سفید اتخاذ شده است، استفاده از یک لایه فسفر (گارنت آلومینیوم ایتریوم) بر روی سطح یک LED آبی است. به طور خلاصه، الایدیها از دوران نوزادی تا نوجوانی را طی کردهاند و برخی از سریعترین رشد بازار را در طول عمر خود تجربه میکنند. با استفاده از مواد InGaAlP با MOCVD به عنوان فرآیند رشد، همراه با تحویل کارآمد نور تولید شده و استفاده کارآمد از جریان تزریقی، برخی از درخشان ترین، کارآمدترین و قابل اطمینان ترین LED ها اکنون در دسترس هستند. این فناوری همراه با سایر ساختارهای LED جدید کاربرد گسترده LED ها را تضمین می کند. پیشرفتهای جدید در طیف آبی و خروجی نور سفید، افزایش مداوم کاربرد این منابع نور اقتصادی را تضمین میکند.
