Işık Yayan Diyot (LED), esasen ileriye dönük bir yönde çalıştırıldığında tek renkli (tek renkli) bir ışık yayan bir PN bağlantı yarı iletken diyotudur. Bir LED'in temel yapısı, kalıp veya ışık yayan yarı iletken malzeme, kalıbın olgusal olarak yerleştiği bir kurşun çerçeve ve kalıbı çevreleyen ve koruyan kapsülleme epoksiden oluşur (Şekil 1). Ticari olarak kullanılabilir ilk LED'ler 1960'larda üç ana elementi birleştirerek geliştirilmiştir: galyum, arsenik ve fosfor (GaAsP) 655nm kırmızı ışık kaynağı elde etmek için. Işık yoğunluğu yaklaşık 1-10mcd @ 20mA parlaklık seviyeleri ile çok düşük olmasına rağmen, yine de çeşitli uygulamalarda, öncelikle gösterge olarak kullanım buldular. GaAsP, GaP veya galyum fosfit sonrasında kırmızı LED'ler geliştirilmiştir. Bu cihazların çok yüksek kuantum verimliliği sergilediği tespit edildi, ancak LED'ler için yeni uygulamaların büyümesinde sadece küçük bir rol oynadılar. Bunun iki nedeni vardı: birincisi, 700nm dalga boyu emisyonu, insan gözünün hassasiyet seviyesinin çok düşük olduğu spektral bir bölgededir (Şekil 2) ve bu nedenle, verimlilik yüksek olmasına rağmen çok parlak "görünmüyor"( insan gözü sarı-yeşil ışığa en duyarlıdır). İkincisi, bu yüksek verimlilik sadece düşük akımlarda elde edilir. Akım arttıkça verimlilik de düşer. Bu, DC sürekli çalışmasına benzer parlaklık seviyeleri elde etmek için LED'lerini genellikle yüksek akımlarda katlayan dış mekan mesaj işareti üreticileri gibi kullanıcılar için bir dezavantaj olduğunu kanıtlamaktadır. Sonuç olarak, GaP kırmızı LED'leri şu anda yalnızca sınırlı sayıda uygulamada kullanılmaktadır. LED teknolojisi 1970'lerde ilerledikçe, ek renkler ve dalga boyları kullanılabilir hale geldi. En yaygın malzemeler GaP yeşil ve kırmızı, GaAsP turuncu veya yüksek verimli kırmızı ve GaAsP sarısıydı, bunların hepsi bugün hala kullanılmaktadır (Tablo3). Daha pratik uygulamalara yönelik eğilim de gelişmeye başlamıştı. LED'ler hesap makineleri, dijital saatler ve test ekipmanları gibi ürünlerde bulundu. LED'lerin güvenilirliği her zaman akkor, neon vb. Bunun nedeni kısmen doğada öncelikle manuel olan gerçek bileşen montajıydı. Bireysel operatörler epoksi dağıtma, kalıp yerine yerleştirme ve epoksiyi elle karıştırma gibi görevleri yerine getirmişler. Bu, VF (ileri gerilim) ve VR (ters voltaj) sızıntısına ve hatta PN bağlantı kavşağının kısalmasına neden olan "epoksi slop" gibi kusurlara neden oldu. Ayrıca, kullanılan büyüme yöntemleri ve malzemeler bugünkü kadar rafine değildi. Kristal, substrat ve epiteksiyel katmanlardaki yüksek sayıda kusur, verimliliğin azalmasına ve cihaz ömrünün kısalmasına neden oldu.
Galyum Alüminyum Arsenit
1980'lere kadar yeni bir malzeme olan GaAlAs (galyum alüminyum arsenit) geliştirildiğinde LED kullanımında hızlı bir büyüme meydana geldi. GaAlAs teknolojisi, daha önce mevcut LED'lere göre üstün performans sağladı. Parlaklık, artan verimlilik ve çok katmanlı, heterojunksiyon tipi yapılar nedeniyle standart LED'lerden 10 kat daha fazlaydı. Çalışma için gereken voltaj daha düşüktü ve bu da toplam güç tasarrufu sağladı. LED'ler kolayca darbe alabilir veya çoklayıcı olabilir. Bu, değişken mesaj ve dış mekan işaretlerinde kullanımlarına izin verildi. LED'ler ayrıca barkod tarayıcılar, fiber optik veri iletim sistemleri ve tıbbi ekipmanlar gibi uygulamalara da tasarlanmıştır. Bu LED teknolojisinde büyük bir atılım olmasına rağmen, GaAlAs malzemesinin hala önemli dezavantajları vardı. İlk olarak, sadece kırmızı bir 660nm dalga boyunda mevcuttu. İkincisi, GaAlAs'ın ışık çıkışı bozulması standart teknolojiden daha büyüktür. 100.000 saatlik çalışmadan sonra ışık çıkışının %50 azalacağı LED'ler ile uzun zamandır yanlış bir algı olmuştur. Aslında, bazı GaAlAs LED'leri sadece 50.000 -70.000 saatlik çalışmadan sonra% 50 azalabilir. Bu özellikle yüksek sıcaklık ve/veya yüksek nem ortamlarında geçerlidir. Ayrıca bu süre zarfında, sarı, yeşil ve turuncu, öncelikle kristal büyümesi ve optik tasarımındaki gelişmelerden kaynaklanan parlaklık ve verimlilikte sadece küçük bir iyileşme gördü. Malzemenin temel yapısı nispeten değişmeden kaldı.
Bu zor sorunların üstesinden gelmek için yeni teknolojiye ihtiyaç vardı. LED tasarımcıları çözümler için lazer diyot teknolojisine yöneldi. LED teknolojisindeki hızlı gelişmelere paralel olarak lazer diyot teknolojisi de ilerleme kaydetmişti. 1980'lerin sonlarında görünür spektrumda çıkışa sahip lazer diyotlar, barkod okuyucular, ölçüm ve hizalama sistemleri ve yeni nesil depolama sistemleri gibi uygulamalar için ticari olarak üretilmeye başlandı. LED tasarımcıları, yüksek parlaklık ve yüksek güvenilirlik LED'leri üretmek için benzer teknikler kullanmaya baktılar. Bu, InGaAlP (Indium Galyum Alüminyum Fosfit) visibleLED'lerin gelişmesine yol açtı. InGaAlP'in lüminesan malzeme olarak kullanılması, sadece enerji bandı boşluğunun boyutunu ayarlayarak LED çıkış renginin tasarımında esneklik sağladı. Böylece yeşil, sarı, turuncu ve kırmızı LED'lerin hepsi aynı temel teknoloji kullanılarak üretilebiliyor. Ek olarak, InGaAlP malzemesinin ışık çıkış bozulması, yüksek sıcaklık ve nemde bile önemli ölçüde iyileştirilir.
LED Teknolojisinin Güncel Gelişmeleri InGaAlP LED'leri, önde gelen LED üreticisi Toshiba'nın yeni bir geliştirmesiyle parlaklıkta daha da bir sıçrama yaptı. Toshiba, MOCVD (Metal Oksit Kimyasal Buhar Biriktirme) büyüme sürecini kullanarak, aktif katmandan substrata geri hareket eden üretilen ışığın% 90'ını veya daha fazlasını yararlı ışık çıkışı olarak yansıtan bir cihaz yapısı üretebildi (Şekil 4). Bu, LED parlaklığında geleneksel cihazlara göre neredeyse iki kat artışa izin verdi. LED yapısına akım engelleme katmanı getirilerek LED performansı daha da geliştirilmiştir (Şekil 5). Bu engelleme katmanı, daha iyi cihaz verimliliği elde etmek için akımı cihaz üzerinden kanalize eder. Bu gelişmeler sonucunda, 1990'lardaki LED'ler için büyümenin büyük kısmı üç ana alanda yoğunlaşmayacaktır: Birincisi dur lambaları, yaya sinyalleri, barikat ışıkları ve yol tehlike işaretleri gibi trafik kontrol cihazlarındadır. İkincisi, Times Square New York'ta bulunan ve emtiaları, haberleri ve diğer bilgileri görüntüleyen gibi değişken mesaj işaretlerindedir. Üçüncü konsantrasyon otomotiv uygulamalarında olacaktır. Görünür LED, neredeyse 40 yıl önce tanıtılmasından bu yana çok yol kat etti ve henüz yavaşlama belirtisi göstermedi. 1990'larda üretim miktarlarında satışa sunulan Mavi LED, tüm nesil yeni uygulamalarla sonuçlandı. Yüksek foton enerjileri (>2.5eV) ve nispeten düşük göz hassasiyeti nedeniyle mavi LED'lerin üretimi her zaman zor olmuştur. Ek olarak, bu LED'leri imal etmek için gerekli teknoloji standart LED malzemelerden çok farklı ve çok daha az gelişmiştir. Bugün mevcut olan mavi LED'ler GaN (galyum nitrür) ve GaN cihazları için 20mA'da 10.000mcd @ 20mA'yı aşan parlaklık seviyelerine sahip SiC (silikon karbür) konstrüksiyondan oluşmaktadır. Mavi birincil renklerden biri olduğundan ,(diğer ikisi kırmızı ve yeşil), tam renkli katı hal LED işaretleri, TV'ler vb. Mavi LED'ler için diğer uygulamalar arasında tıbbi tanı ekipmanları ve fotolithografi yer almaktadır.
LED Renkler Aynı temel GaN teknolojisini ve büyüme süreçlerini kullanarak başka renkler üretmek de mümkündür. Örneğin, trafik ışıklarındaki yeşil ampulü değiştiren yüksek parlaklıkta yeşil (yaklaşık 500nm) bir LED geliştirilmiştir. Mor ve beyaz dahil olmak üzere diğer renkler de mümkündür. Mavi LED'lerin piyasaya sürülmesiyle, kırmızı, yeşil ve mavi ışığın uygun kombinasyonunu seçici olarak birleştirerek beyaz üretmek mümkündür. Ancak bu işlemin uygulanması için gelişmiş yazılım ve donanım tasarımı gerekir. Buna ek olarak, parlaklık seviyesi düşüktür ve kullanılan her RGB kalıplarının genel ışık çıkışı farklı bir hızda bozulur ve bu da nihai bir renk dengesizliğine neden olur. Beyaz ışık çıkışı elde etmek için alınan bir diğer yaklaşım, mavi bir LED'in yüzeyinde bir fosfor tabakası (Yttrium Alüminyum Garnet) kullanmaktır. Özetle, LED'ler bebeklikten ergenliğe geçti ve yaşamlarının en hızlı pazar büyümelerinden bazılarını yaşıyorlar. Büyüme süreci olarak MOCVD'li InGaAlP malzemesini kullanarak, üretilen ışığın verimli bir şekilde teslimi ve enjekte edilen akımın verimli kullanımı ile birlikte, en parlak, en verimli ve en güvenilir LED'lerden bazıları artık mevcuttur. Bu teknoloji, diğer yeni LED yapılarla birlikte LED'lerin geniş bir şekilde uygulanmasını sağlayacaktır. Mavi spektrumdaki ve beyaz ışık çıkışındaki yeni gelişmeler, bu ekonomik ışık kaynaklarının uygulamalarındaki sürekli artışı da garanti edecektir.
