Diod Pemancar Cahaya (LED) pada dasarnya adalah diod semikonduktor persimpangan PN yang memancarkan lampu monokromatik (warna tunggal) apabila dikendalikan dalam arah yang berat sebelah ke hadapan. Struktur asas LED terdiri daripada bahan semikonduktor yang mati atau cahaya memancarkan, bingkai plumbum di mana mati diletakkan secara fakta, dan epoksi encapsulasi yang mengelilingi dan melindungi mati (Rajah 1). LED pertama yang boleh digunakan secara komersial telah dibangunkan pada tahun 1960-an dengan menggabungkan tiga elemen utama: gallium, arsenik dan fosforus (GaAsP) untuk mendapatkan sumber cahaya merah 655nm. Walaupun intensiti bercahaya sangat rendah dengan tahap kecerahan kira-kira 1-10mcd @ 20mA, mereka masih mendapati penggunaan dalam pelbagai aplikasi, terutamanya sebagai petunjuk. Setelah GaAsP, GaP, atau gallium fosfat, LED merah dikembangkan. Peranti ini didapati mempamerkan kecekapan kuantum yang sangat tinggi, bagaimanapun, mereka hanya memainkan peranan kecil dalam pertumbuhan aplikasi baru untuk LED. Ini disebabkan oleh dua sebab: Pertama, pelepasan panjang gelombang 700nm berada di rantau spektral di mana tahap kepekaan mata manusia sangat rendah (Rajah 2) dan oleh itu, ia tidak "muncul" menjadi sangat cerah walaupun kecekapannya tinggi (mata manusia paling responsif terhadap cahaya kuning-hijau). Kedua, kecekapan tinggi ini hanya dicapai pada arus rendah. Apabila arus meningkat, kecekapan berkurangan. Ini terbukti menjadi kelemahan kepada pengguna seperti pengeluar tanda mesej luar yang biasanya multiplex LED mereka pada arus tinggi untuk mencapai tahap kecerahan yang serupa dengan operasi berterusan DC. Akibatnya, LED merah GaP kini hanya digunakan dalam bilangan aplikasi yang terhad. Apabila teknologi LED berkembang melalui tahun 1970-an, warna tambahan dan panjang gelombang menjadi tersedia. Bahan yang paling biasa ialah GaP hijau dan merah, Oren GaAsP atau merah kecekapan tinggi dan GaAsP kuning, semuanya masih digunakan hari ini (Table3). Trend ke arah aplikasi yang lebih praktikal juga mula berkembang. LED ditemui dalam produk seperti kalkulator, jam tangan digital dan peralatan ujian. Walaupun kebolehpercayaan LED sentiasa lebih tinggi daripada incandescent, neon dan lain-lain, kadar kegagalan peranti awal jauh lebih tinggi daripada teknologi semasa yang kini dicapai. Ini disebabkan sebahagiannya oleh perhimpunan komponen sebenar yang terutamanya bersifat manual. Pengendali individu melakukan tugas-tugas seperti mengetepikan epoksi, meletakkan mati ke dalam kedudukan, dan mencampurkan epoksi semua dengan tangan. Ini mengakibatkan kecacatan seperti "epoxy slop" yang menyebabkan VF (voltan hadapan) dan kebocoran VR (voltan terbalik) atau bahkan kekurangan persimpangan PN. Di samping itu, kaedah pertumbuhan dan bahan yang digunakan tidak diperhalusi seperti sekarang. Bilangan kecacatan yang tinggi dalam lapisan kristal, substrat dan epitaxial menyebabkan kecekapan berkurangan dan hayat peranti yang lebih pendek.
Gallium Aluminium Arsenide
Tidak sampai tahun 1980-an ketika bahan baru, GaAlAs (gallium aluminium arsenida) dikembangkan, bahwa pertumbuhan pesat dalam penggunaan LED mulai terjadi. Teknologi GaAlAs memberikan prestasi unggul berbanding LED yang ada sebelum ini. Kecerahan adalah lebih daripada 10 kali lebih besar daripada LED standard kerana peningkatan kecekapan dan pelbagai lapisan, struktur jenis heterojunction. Voltan yang diperlukan untuk operasi adalah lebih rendah menyebabkan jumlah penjimatan kuasa. LED juga boleh dengan mudah berdenyut atau berganda. Ini membolehkan penggunaannya dalam mesej berubah-ubah dan tanda-tanda luar. LED juga dirancang ke dalam aplikasi seperti pemindai kode bar, sistem transmisi data serat optik, dan peralatan medis. Walaupun ini adalah satu kejayaan besar dalam teknologi LED, masih terdapat kelemahan yang ketara kepada bahan GaAlAs. Pertama, ia hanya boleh didapati dalam panjang gelombang merah 660nm. Kedua, penurunan output cahaya GaAlAs lebih besar daripada teknologi standard. Ia telah lama menjadi salah faham dengan LED bahawa output cahaya akan berkurangan sebanyak 50% selepas 100,000 jam operasi. Malah, sesetengah LED GaAlAs mungkin berkurangan sebanyak 50% selepas hanya 50,000 -70,000 jam operasi. Ini benar terutamanya dalam persekitaran suhu tinggi dan / atau kelembapan yang tinggi. Juga pada masa ini, kuning, hijau dan oren hanya menyaksikan peningkatan kecil dalam kecerahan dan kecekapan yang disebabkan terutamanya oleh peningkatan dalam pertumbuhan kristal dan reka bentuk optik. Struktur asas bahan kekal agak tidak berubah.
Untuk mengatasi isu-isu sukar ini teknologi baru diperlukan. Pereka LED beralih kepada teknologi diod laser untuk penyelesaian. Selari dengan perkembangan pesat teknologi LED, teknologi diod laser juga telah membuat kemajuan. Pada akhir tahun 1980-an diod laser dengan output dalam spektrum yang kelihatan mula dihasilkan secara komersial untuk aplikasi seperti pembaca kod bar, sistem pengukuran dan penjajaran dan sistem storan generasi akan datang. Pereka LED kelihatan menggunakan teknik yang sama untuk menghasilkan kecerahan yang tinggi dan LED kebolehpercayaan yang tinggi. Ini membawa kepada pembangunan InGaAlP (Indium Gallium Aluminium Fosfida) VISIBLELEDs. Penggunaan InGaAlP sebagai bahan bercahaya membolehkan fleksibiliti dalam reka bentuk warna output LED hanya dengan menyesuaikan saiz jurang jalur tenaga. Oleh itu, LED hijau, kuning, oren dan merah semuanya boleh dihasilkan menggunakan teknologi asas yang sama. Di samping itu, kemerosotan output cahaya bahan InGaAlP meningkat dengan ketara walaupun pada suhu dan kelembapan yang tinggi.
Perkembangan semasa LED Technology InGaAlP LED mengambil lonjakan lagi kecerahan dengan perkembangan baru oleh Toshiba, pengeluar LED terkemuka. Toshiba, menggunakan proses pertumbuhan MOCVD (Metal Oksida Chemical Vapor Deposition), dapat menghasilkan struktur peranti yang mencerminkan 90% atau lebih cahaya yang dihasilkan dari lapisan aktif ke substrat kembali sebagai output cahaya berguna (Rajah 4). Ini membolehkan peningkatan hampir dua kali ganda dalam luminance LED ke atas peranti konvensional. Prestasi LED telah dipertingkatkan lagi dengan memperkenalkan lapisan sekatan semasa ke dalam struktur LED (Rajah 5). Lapisan penyekat ini pada dasarnya menyalurkan arus melalui peranti untuk mencapai kecekapan peranti yang lebih baik. Hasil daripada perkembangan ini, banyak pertumbuhan UNTUK LED pada tahun 1990-an akan tertumpu di tiga bidang utama: Yang pertama adalah dalam peranti kawalan lalu lintas seperti lampu berhenti, isyarat pejalan kaki, lampu sekatan dan tanda bahaya jalan raya. Yang kedua adalah dalam tanda-tanda mesej berubah-ubah seperti yang terletak di Times Square New York yang memaparkan komoditi, berita dan maklumat lain. Konsentrasi ketiga adalah dalam aplikasi automotif. LED yang kelihatan telah datang jauh sejak pengenalannya hampir 40 tahun yang lalu dan masih belum menunjukkan tanda-tanda melambatkan. LED Biru, yang boleh didapati dalam kuantiti pengeluaran pada tahun 1990-an, menghasilkan keseluruhan generasi aplikasi baru. LED biru kerana tenaga foton mereka yang tinggi (>2.5eV) dan sensitiviti mata yang agak rendah selalu sukar untuk dihasilkan. Di samping itu teknologi yang diperlukan untuk membuat LED ini sangat berbeza dan jauh lebih maju daripada bahan LED standard. LED biru yang terdapat hari ini terdiri daripada pembinaan GaN (gallium nitride) dan SiC (silikon carbide) dengan tahap kecerahan melebihi 10,000mcd @ 20mA untuk peranti GaN. Oleh kerana biru adalah salah satu warna utama, (dua yang lain menjadi merah dan hijau), tanda LED keadaan pepejal warna penuh, TV dan lain-lain telah tersedia secara komersial. Aplikasi lain untuk LED biru termasuk peralatan diagnostik perubatan dan fotolithografi.
Warna LED Ia juga mungkin untuk menghasilkan warna lain menggunakan teknologi GaN asas yang sama dan proses pertumbuhan. Sebagai contoh, LED hijau kecerahan tinggi (kira-kira 500nm) telah dibangunkan yang telah menggantikan mentol hijau di lampu isyarat. Warna lain termasuk ungu dan putih juga mungkin. Dengan pengenalan LED biru, adalah mungkin untuk menghasilkan putih dengan terpilih menggabungkan gabungan cahaya merah, hijau dan biru yang betul. Walau bagaimanapun, proses ini memerlukan reka bentuk perisian dan perkakasan yang canggih untuk dilaksanakan. Di samping itu, tahap kecerahan adalah rendah dan output cahaya keseluruhan setiap RGB mati digunakan degrades pada kadar yang berbeza menyebabkan warna akhirnya tidak seimbang. Pendekatan lain yang diambil untuk mencapai output cahaya putih, adalah menggunakan lapisan fosfor (Yttrium Aluminium Garnet) di permukaan LED biru. Ringkasnya, LED telah berubah dari awal hingga remaja dan mengalami beberapa pertumbuhan pasaran yang paling pesat sepanjang hayat mereka. Dengan menggunakan bahan InGaAlP dengan MOCVD sebagai proses pertumbuhan, digabungkan dengan penyampaian cekap cahaya yang dihasilkan dan cekap penggunaan arus yang disuntik, beberapa LED yang paling terang, paling cekap dan paling boleh dipercayai kini boleh didapati. Teknologi ini bersama-sama dengan struktur LED novel lain akan memastikan penggunaan LED yang luas. Perkembangan baru dalam spektrum biru dan output cahaya putih juga akan menjamin peningkatan berterusan dalam aplikasi sumber cahaya ekonomi ini.
