लाइट एमिटिंग डायोड (एलईडी) अनिवार्य रूप से एक पीएन जंक्शन सेमीकंडक्टर डायोड है जो आगे की दिशा में संचालित होने पर एक मोनोक्रोमैटिक (एकल रंग) प्रकाश का उत्सर्जन करता है। एक एलईडी की मूल संरचना में डाई या लाइट एमिटिंग सेमीकंडक्टर सामग्री होती है, एक लीड फ्रेम जहां डाई को तथ्यात्मक रूप से रखा जाता है, और एनकैप्सुलेशन एपॉक्सी जो डाई को घेरता है और उसकी रक्षा करता है (चित्र 1)। पहली व्यावसायिक रूप से प्रयोग करने योग्य एल ई डी 1960 के दशक में तीन प्राथमिक तत्वों: गैलियम, आर्सेनिक और फास्फोरस (GaAsP) को मिलाकर 655nm लाल प्रकाश स्रोत प्राप्त करने के लिए विकसित किए गए थे। हालांकि चमकदार तीव्रता लगभग 1-10mcd @ 20mA के चमक स्तर के साथ बहुत कम थी, फिर भी उन्होंने विभिन्न अनुप्रयोगों में मुख्य रूप से संकेतक के रूप में उपयोग पाया। GaAsP, GaP, या गैलियम फॉस्फाइड के बाद, लाल एलईडी विकसित किए गए। इन उपकरणों को बहुत अधिक मात्रा में दक्षता प्रदर्शित करने के लिए पाया गया, हालांकि, उन्होंने एल ई डी के लिए नए अनुप्रयोगों के विकास में केवल एक छोटी भूमिका निभाई। यह दो कारणों से था: पहला, 700nm तरंग दैर्ध्य उत्सर्जन एक वर्णक्रमीय क्षेत्र में होता है जहाँ मानव आँख की संवेदनशीलता का स्तर बहुत कम होता है (चित्र 2) और इसलिए, यह दक्षता के बावजूद बहुत उज्ज्वल "प्रकट" नहीं होता है उच्च है (मानव आंख पीली-हरी रोशनी के प्रति सबसे अधिक प्रतिक्रियाशील है)। दूसरा, यह उच्च दक्षता केवल कम धाराओं पर प्राप्त की जाती है। जैसे-जैसे करंट बढ़ता है, दक्षता कम होती जाती है। यह बाहरी संदेश साइन निर्माताओं जैसे उपयोगकर्ताओं के लिए एक नुकसान साबित होता है जो आमतौर पर डीसी निरंतर संचालन के समान चमक स्तर प्राप्त करने के लिए उच्च धाराओं पर अपने एल ई डी को मल्टीप्लेक्स करते हैं। नतीजतन, GaP लाल एल ई डी वर्तमान में केवल सीमित संख्या में अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है। जैसे-जैसे 1970 के दशक में एलईडी तकनीक की प्रगति हुई, अतिरिक्त रंग और तरंग दैर्ध्य उपलब्ध हो गए। सबसे आम सामग्री GaP हरे और लाल, GaAsP नारंगी या उच्च दक्षता लाल और GaAsP पीले थे, जो सभी आज भी उपयोग किए जाते हैं (तालिका 3)। अधिक व्यावहारिक अनुप्रयोगों की ओर रुझान भी विकसित होने लगा था। कैलकुलेटर, डिजिटल घड़ियों और परीक्षण उपकरण जैसे उत्पादों में एलईडी पाए गए। हालांकि एलईडी की विश्वसनीयता हमेशा गरमागरम, नियॉन आदि की तुलना में बेहतर रही है, शुरुआती उपकरणों की विफलता दर वर्तमान तकनीक की तुलना में बहुत अधिक थी। यह वास्तविक घटक संयोजन के कारण था जो मुख्य रूप से प्रकृति में मैनुअल था। अलग-अलग ऑपरेटरों ने एपॉक्सी को वितरित करने, डाई को स्थिति में रखने और एपॉक्सी को हाथ से मिलाने जैसे कार्य किए। इसके परिणामस्वरूप "एपॉक्सी स्लोप" जैसे दोष उत्पन्न हुए जिसके कारण वीएफ (फॉरवर्ड वोल्टेज) और वीआर (रिवर्स वोल्टेज) रिसाव या पीएन जंक्शन की कमी भी हुई। इसके अलावा, उपयोग की जाने वाली विकास विधियों और सामग्रियों को आज की तरह परिष्कृत नहीं किया गया था। क्रिस्टल, सब्सट्रेट और एपिटैक्सियल परतों में दोषों की उच्च संख्या के परिणामस्वरूप दक्षता कम हो गई और डिवाइस का जीवनकाल कम हो गया।
गैलियम एल्युमिनियम आर्सेनाइड
यह 1980 के दशक तक नहीं था जब एक नई सामग्री, GaAlAs (गैलियम एल्यूमीनियम आर्सेनाइड) विकसित की गई थी, कि एलईडी के उपयोग में तेजी से वृद्धि होने लगी। GaAlAs तकनीक ने पहले से उपलब्ध एलईडी की तुलना में बेहतर प्रदर्शन प्रदान किया। बढ़ी हुई दक्षता और बहु-परत, हेटेरोजंक्शन प्रकार की संरचनाओं के कारण चमक मानक एल ई डी से 10 गुना अधिक थी। ऑपरेशन के लिए आवश्यक वोल्टेज कम था जिसके परिणामस्वरूप कुल बिजली की बचत हुई। एलईडी को आसानी से स्पंदित या मल्टीप्लेक्स भी किया जा सकता है। इसने चर संदेश और बाहरी संकेतों में उनके उपयोग की अनुमति दी। एलईडी को बार कोड स्कैनर, फाइबर ऑप्टिक डेटा ट्रांसमिशन सिस्टम और चिकित्सा उपकरण जैसे अनुप्रयोगों में भी डिजाइन किया गया था। यद्यपि यह एलईडी तकनीक में एक बड़ी सफलता थी, फिर भी GaAlAs सामग्री में महत्वपूर्ण कमियां थीं। सबसे पहले, यह केवल लाल 660nm तरंग दैर्ध्य में उपलब्ध था। दूसरा, GaAlAs के प्रकाश उत्पादन में गिरावट मानक प्रौद्योगिकी की तुलना में अधिक है। एल ई डी के साथ यह लंबे समय से एक गलत धारणा रही है कि 100,000 घंटे के संचालन के बाद प्रकाश उत्पादन में 50% की कमी आएगी। वास्तव में, कुछ GaAlAs एल ई डी केवल 50,000-70,000 घंटों के संचालन के बाद 50% तक कम हो सकते हैं। यह उच्च तापमान और/या उच्च आर्द्रता वाले वातावरण में विशेष रूप से सच है। साथ ही इस समय के दौरान, पीले, हरे और नारंगी रंग में केवल चमक और दक्षता में मामूली सुधार देखा गया, जो मुख्य रूप से क्रिस्टल विकास और प्रकाशिकी डिजाइन में सुधार के कारण था। सामग्री की मूल संरचना अपेक्षाकृत अपरिवर्तित रही।
इन कठिन मुद्दों को दूर करने के लिए नई तकनीक की जरूरत थी। एलईडी डिजाइनरों ने समाधान के लिए लेजर डायोड तकनीक की ओर रुख किया। एलईडी तकनीक में तेजी से विकास के समानांतर, लेजर डायोड तकनीक भी प्रगति कर रही थी। 1980 के उत्तरार्ध में दृश्यमान स्पेक्ट्रम में आउटपुट के साथ लेजर डायोड को बार कोड रीडर, माप और संरेखण प्रणाली और अगली पीढ़ी के भंडारण प्रणालियों जैसे अनुप्रयोगों के लिए व्यावसायिक रूप से उत्पादित किया जाने लगा। एलईडी डिजाइनरों ने उच्च चमक और उच्च विश्वसनीयता वाले एल ई डी का उत्पादन करने के लिए समान तकनीकों का उपयोग करने के लिए देखा। इससे InGaAlP (इंडियम गैलियम एल्युमिनियम फॉस्फाइड) दृश्यमान एलईडी का विकास हुआ। ल्यूमिनसेंट सामग्री के रूप में InGaAlP के उपयोग ने केवल ऊर्जा बैंड अंतराल के आकार को समायोजित करके एलईडी आउटपुट रंग के डिजाइन में लचीलेपन की अनुमति दी। इस प्रकार, हरे, पीले, नारंगी और लाल एलईडी सभी को एक ही मूल तकनीक का उपयोग करके उत्पादित किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, ऊंचे तापमान और आर्द्रता पर भी InGaAlP सामग्री के प्रकाश उत्पादन में गिरावट में काफी सुधार हुआ है।
एलईडी प्रौद्योगिकी के वर्तमान विकास InGaAlP एलईडी ने एलईडी के एक अग्रणी निर्माता, तोशिबा द्वारा एक नए विकास के साथ चमक में एक और छलांग लगाई। तोशिबा, एमओसीवीडी (मेटल ऑक्साइड केमिकल वेपर डिपोजिशन) ग्रोथ प्रोसेस का इस्तेमाल करते हुए, एक ऐसी डिवाइस स्ट्रक्चर तैयार करने में सक्षम थी, जो उपयोगी लाइट आउटपुट (चित्रा 4) के रूप में सक्रिय परत से वापस सब्सट्रेट तक जाने वाले उत्पन्न प्रकाश के 90% या उससे अधिक को प्रतिबिंबित करती है। इसने पारंपरिक उपकरणों पर एलईडी ल्यूमिनेन्स में लगभग दो गुना वृद्धि की अनुमति दी। एलईडी संरचना (चित्रा 5) में वर्तमान अवरोधक परत को पेश करके एलईडी प्रदर्शन में और सुधार किया गया था। यह अवरुद्ध परत अनिवार्य रूप से बेहतर डिवाइस दक्षता प्राप्त करने के लिए डिवाइस के माध्यम से करंट को चैनल करती है। इन विकासों के परिणामस्वरूप, 1990 के दशक में एलईडी के लिए अधिकांश विकास तीन मुख्य क्षेत्रों में केंद्रित होगा: पहला ट्रैफिक नियंत्रण उपकरणों में है जैसे स्टॉप लाइट, पैदल यात्री सिग्नल, बैरिकेड लाइट और सड़क के खतरे के संकेत। दूसरा परिवर्तनशील संदेश संकेतों में है जैसे कि टाइम्स स्क्वायर न्यूयॉर्क में स्थित है जो वस्तुओं, समाचारों और अन्य सूचनाओं को प्रदर्शित करता है। तीसरी एकाग्रता ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों में होगी। लगभग 40 साल पहले इसकी शुरुआत के बाद से दृश्यमान एलईडी ने एक लंबा सफर तय किया है और अभी तक धीमा होने के कोई संकेत नहीं दिखाए हैं। एक ब्लू एलईडी, जो 1990 के दशक में उत्पादन मात्रा में उपलब्ध हो गई, जिसके परिणामस्वरूप नई अनुप्रयोगों की एक पूरी पीढ़ी हुई। उनकी उच्च फोटॉन ऊर्जा ( [जीजी] जीटी; 2.5 ईवी) और अपेक्षाकृत कम आंखों की संवेदनशीलता के कारण ब्लू एल ई डी का निर्माण करना हमेशा मुश्किल रहा है। इसके अलावा इन एल ई डी को बनाने के लिए आवश्यक तकनीक मानक एलईडी सामग्री की तुलना में बहुत अलग और बहुत कम उन्नत है। आज उपलब्ध नीली एलईडी में GaN (गैलियम नाइट्राइड) और SiC (सिलिकॉन कार्बाइड) निर्माण शामिल हैं, जिसमें GaN उपकरणों के लिए 10,000mcd @ 20mA से अधिक चमक स्तर हैं। चूंकि नीला प्राथमिक रंगों में से एक है, (अन्य दो लाल और हरे हैं), पूर्ण रंग ठोस राज्य एलईडी संकेत, टीवी आदि व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हो गए हैं। नीले एल ई डी के लिए अन्य अनुप्रयोगों में चिकित्सा निदान उपकरण और फोटोलिथोग्राफी शामिल हैं।
एलईडी रंग समान मूल GaN तकनीक और विकास प्रक्रियाओं का उपयोग करके अन्य रंगों का उत्पादन करना भी संभव है। उदाहरण के लिए, एक उच्च चमक वाली हरी (लगभग 500nm) एलईडी विकसित की गई है जिसने ट्रैफिक लाइट में हरे बल्ब की जगह ले ली है। बैंगनी और सफेद सहित अन्य रंग भी संभव हैं। नीली एल ई डी की शुरूआत के साथ, लाल, हरे और नीले प्रकाश के उचित संयोजन को चुनकर सफेद रंग का उत्पादन करना संभव है। हालाँकि, इस प्रक्रिया को लागू करने के लिए परिष्कृत सॉफ़्टवेयर और हार्डवेयर डिज़ाइन की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, चमक का स्तर कम है और प्रत्येक आरजीबी डाई का समग्र प्रकाश उत्पादन एक अलग दर पर नीचा होता है जिसके परिणामस्वरूप अंततः रंग असंतुलन होता है। सफेद प्रकाश उत्पादन प्राप्त करने के लिए एक अन्य दृष्टिकोण, नीली एलईडी की सतह पर फॉस्फोर परत (यट्रियम एल्यूमिनियम गार्नेट) का उपयोग करना है। संक्षेप में, एल ई डी शैशवावस्था से किशोरावस्था तक चले गए हैं और अपने जीवनकाल के कुछ सबसे तेजी से बाजार विकास का अनुभव कर रहे हैं। विकास प्रक्रिया के रूप में MOCVD के साथ InGaAlP सामग्री का उपयोग करके, उत्पन्न प्रकाश के कुशल वितरण और इंजेक्टेड करंट के कुशल उपयोग के साथ, कुछ सबसे चमकीले, सबसे कुशल और सबसे विश्वसनीय एलईडी अब उपलब्ध हैं। अन्य नई एलईडी संरचनाओं के साथ यह तकनीक एलईडी के व्यापक अनुप्रयोग को सुनिश्चित करेगी। ब्लू स्पेक्ट्रम और व्हाइट लाइट आउटपुट में नए विकास भी इन किफायती प्रकाश स्रोतों के अनुप्रयोगों में निरंतर वृद्धि की गारंटी देंगे।
