Диода која емитује светлост (ЛЕД) је у суштини полупроводничка диода са ПН спојем која емитује монохроматско (једнобојно) светло када ради у смеру напред. Основна структура ЛЕД диоде састоји се од матрице или полупроводничког материјала који емитује светлост, оловног оквира где је матрица фактички постављена и епоксидне смоле која окружује и штити матрицу (Слика 1). Прве комерцијално употребљиве ЛЕД диоде развијене су 1960-их комбиновањем три примарна елемента: галијума, арсена и фосфора (ГаАсП) да би се добио извор црвене светлости од 655 нм. Иако је интензитет светлости био веома низак са нивоима осветљености од приближно 1-10мцд @ 20мА, они су и даље нашли примену у разним апликацијама, првенствено као индикатори. Након ГаАсП, ГаП или галијум фосфида, развијене су црвене ЛЕД диоде. Утврђено је да ови уређаји показују веома високу квантну ефикасност, међутим, они су играли само мању улогу у расту нових апликација за ЛЕД диоде. Ово је било због два разлога: Прво, емисија таласне дужине од 700 нм је у спектралном подручју где је ниво осетљивости људског ока веома низак (Слика 2) и стога не „изгледа“ да је веома светла иако је ефикасност је висока (људско око највише реагује на жуто-зелену светлост). Друго, ова висока ефикасност се постиже само при малим струјама. Како се струја повећава, ефикасност се смањује. Ово се показало као недостатак за кориснике као што су произвођачи знакова за поруке на отвореном који обично мултиплексирају своје ЛЕД диоде при високим струјама да би постигли нивое осветљености сличне онима код ДЦ континуираног рада. Као резултат тога, ГаП црвене ЛЕД диоде се тренутно користе у само ограниченом броју апликација. Како је ЛЕД технологија напредовала током 1970-их, постале су доступне додатне боје и таласне дужине. Најчешћи материјали су били ГаП зелена и црвена, ГаАсП наранџаста или високоефикасна црвена и ГаАсП жута, а сви се и данас користе (Табела 3). Тренд ка практичнијим применама је такође почео да се развија. ЛЕД диоде су пронађене у производима као што су калкулатори, дигитални сатови и опрема за тестирање. Иако је поузданост ЛЕД диода одувек била супериорнија од оне са жарном нити, неоном итд., стопа кварова раних уређаја била је много већа него што садашња технологија постиже. Ово је делом последица стварног склапања компоненти које је првенствено било ручно по природи. Појединачни оператери су обављали такве задатке као што су наношење епоксида, постављање матрице на место и мешање епоксида све ручно. Ово је резултирало дефектима као што је „епоксидни нагиб“ који је узроковао цурење ВФ (напон напред) и ВР (обрнути напон) или чак кратки спој ПН споја. Поред тога, методе раста и коришћени материјали нису били тако рафинирани као данас. Велики број дефеката у кристалу, супстрату и епитаксијалним слојевима резултирао је смањеном ефикасношћу и краћим животним веком уређаја.
галијум алуминијум арсенид
Тек 1980-их, када је развијен нови материјал, ГаАлАс (галијум алуминијум арсенид), почео је нагли раст употребе ЛЕД диода. ГаАлАс технологија је обезбедила супериорне перформансе у односу на раније доступне ЛЕД диоде. Осветљеност је била преко 10 пута већа од стандардних ЛЕД диода због повећане ефикасности и вишеслојних структура типа хетероспојница. Напон потребан за рад је био мањи што је резултирало укупном уштедом енергије. ЛЕД диоде се такође могу лако пулсирати или мултиплексирати. Ово је омогућило њихову употребу у променљивим порукама и спољним знаковима. ЛЕД диоде су такође дизајниране за апликације као што су бар код скенери, оптички системи за пренос података и медицинска опрема. Иако је ово био велики напредак у ЛЕД технологији, и даље су постојали значајни недостаци ГаАлАс материјала. Прво, био је доступан само у црвеној таласној дужини од 660 нм. Друго, деградација светлосног излаза ГаАлАс је већа него код стандардне технологије. Дуго је била заблуда са ЛЕД диодама да ће се светлосна снага смањити за 50% након 100.000 сати рада. У ствари, неке ГаАлАс ЛЕД диоде могу се смањити за 50% након само 50.000 -70.000 сати рада. Ово је посебно тачно у окружењима са високом температуром и/или високом влажношћу. Такође током овог времена, жута, зелена и наранџаста су забележиле само незнатно побољшање осветљености и ефикасности, што је првенствено последица побољшања раста кристала и дизајна оптике. Основна структура материјала остала је релативно непромењена.
За превазилажење ових тешких проблема била је потребна нова технологија. ЛЕД дизајнери су се за решења окренули технологији ласерских диода. Паралелно са брзим развојем ЛЕД технологије, напредовала је и технологија ласерских диода. Касних 1980-их ласерске диоде са излазом у видљивом спектру почеле су да се комерцијално производе за апликације као што су читачи бар кодова, системи за мерење и поравнање и системи за складиштење следеће генерације. ЛЕД дизајнери су тражили да користе сличне технике за производњу ЛЕД диода високе осветљености и високе поузданости. Ово је довело до развоја ИнГаАлП (Индијум галијум алуминијум фосфид) видљивих ЛЕД диода. Употреба ИнГаАлП као луминисцентног материјала омогућила је флексибилност у дизајну ЛЕД излазне боје једноставним подешавањем величине енергетског појаса. Дакле, зелене, жуте, наранџасте и црвене ЛЕД диоде могу се производити користећи исту основну технологију. Поред тога, деградација ИнГаАлП материјала значајно је побољшана чак и при повишеној температури и влажности.
Тренутни развој ЛЕД технологије ИнГаАлП ЛЕДс је направио даљи скок у светлини са новим развојем компаније Тосхиба, водећег произвођача ЛЕД диода. Тосхиба је, користећи МОЦВД (метал Окиде Цхемицал Вапор Депоситион) процес раста, успела да произведе структуру уређаја која рефлектује 90% или више генерисане светлости која путује од активног слоја до супстрата назад као корисна излазна светлост (слика 4). Ово је омогућило скоро двоструко повећање ЛЕД осветљења у односу на конвенционалне уређаје. ЛЕД перформансе су додатно побољшане увођењем слоја за блокирање струје у ЛЕД структуру (слика 5). Овај слој за блокирање у суштини каналише струју кроз уређај да би се постигла боља ефикасност уређаја. Као резултат овог развоја, већи део раста ЛЕД диода током 1990-их биће концентрисан у три главне области: Прва је у уређајима за контролу саобраћаја као што су стоп светла, сигнали за пешаке, светла за барикаде и знакови опасности на путу. Други је у променљивим порукама као што је онај који се налази на Тајмс скверу у Њујорку који приказује робу, вести и друге информације. Трећа концентрација би била у аутомобилским апликацијама. Видљива ЛЕД диода је прешла дуг пут од свог увођења пре скоро 40 година и тек треба да покаже знаке успоравања. Плава ЛЕД диода, која је постала доступна у производним количинама 1990-их, резултирала је читавом генерацијом нових апликација. Плаве ЛЕД диоде због њихове високе енергије фотона ([ГГ] гт; 2,5еВ) и релативно ниске осетљивости ока увек су биле тешке за производњу. Поред тога, технологија неопходна за производњу ових ЛЕД диода је веома различита и далеко мање напредна од стандардних ЛЕД материјала. Плаве ЛЕД диоде које су данас доступне састоје се од конструкције ГаН (галијум нитрида) и СиЦ (силицијум карбида) са нивоима осветљености већим од 10.000 мцд @ 20 мА за ГаН уређаје. Пошто је плава једна од примарних боја (друге две су црвена и зелена), пунобојни ЛЕД знакови, телевизори итд. постали су комерцијално доступни. Остале примене за плаве ЛЕД диоде укључују медицинску дијагностичку опрему и фотолитографију.
ЛЕД боје Такође је могуће произвести друге боје користећи исту основну ГаН технологију и процесе раста. На пример, развијена је зелена ЛЕД (приближно 500 нм) ЛЕД која је заменила зелену сијалицу на семафорима. Могуће су и друге боје укључујући љубичасту и белу. Са увођењем плавих ЛЕД диода, могуће је произвести бело селективним комбиновањем одговарајуће комбинације црвене, зелене и плаве светлости. Овај процес, међутим, захтева софистицирани софтвер и хардверски дизајн за имплементацију. Поред тога, ниво осветљености је низак и укупна излазна светлост сваке РГБ матрице која се користи опада различитом брзином, што доводи до евентуалне неуравнотежености боја. Други приступ за постизање излаза беле светлости је употреба фосфорног слоја (итријум алуминијум гранат) на површини плаве ЛЕД диоде. Укратко, ЛЕД диоде су прошле од детињства до адолесценције и доживљавају неки од најбржих тржишних раста у свом животу. Коришћењем ИнГаАлП материјала са МОЦВД као процесом раста, у комбинацији са ефикасном испоруком генерисане светлости и ефикасном употребом убризгане струје, сада су доступне неке од најсветлијих, најефикаснијих и најпоузданијих ЛЕД диода. Ова технологија заједно са другим новим ЛЕД структурама обезбедиће широку примену ЛЕД диода. Нови развоји у плавом спектру и излазу беле светлости ће такође гарантовати континуирано повећање примене ових економичних извора светлости.
