Yn y bôn, deuod lled-ddargludyddion cyffordd PN yw Deuod Allyrru Golau (LED) sy'n allyrru golau monocromatig (lliw sengl) pan gaiff ei weithredu i gyfeiriad rhagfarnllyd ymlaen. Mae strwythur sylfaenol LED yn cynnwys y deunydd lled-ddargludyddion sy'n allyrru marw neu olau, ffrâm plwm lle mae'r marw wedi'i osod yn ffeithiol, a'r epocsi crynhoi sy'n amgylchynu ac yn amddiffyn y marw (Ffigur 1). Datblygwyd y LEDau masnachol cyntaf y gellir eu defnyddio yn fasnachol yn y 1960au trwy gyfuno tair elfen sylfaenol: gallium, arsenig a ffosfforws (GaAsP) i gael ffynhonnell golau coch 655nm. Er bod y dwyster goleuol yn isel iawn gyda lefelau disgleirdeb oddeutu 1-10mcd @ 20mA, roeddent yn dal i gael eu defnyddio mewn amrywiaeth o gymwysiadau, yn bennaf fel dangosyddion. Yn dilyn GaAsP, GaP, neu gallium phosphide, datblygwyd LEDau coch. Canfuwyd bod y dyfeisiau hyn yn dangos effeithlonrwydd cwantwm uchel iawn, fodd bynnag, dim ond rôl fach yr oeddent yn ei chwarae yn nhwf cymwysiadau newydd ar gyfer LEDau. Roedd hyn oherwydd dau reswm: Yn gyntaf, mae'r allyriad tonfedd 700nm mewn rhanbarth sbectrol lle mae lefel sensitifrwydd y llygad dynol yn isel iawn (Ffigur 2) ac felly, nid yw'n “ymddangos” ei fod yn llachar iawn er bod yr effeithlonrwydd yn uchel (mae'r llygad dynol yn fwyaf ymatebol i olau melyn-wyrdd). Yn ail, dim ond ar geryntau isel y cyflawnir yr effeithlonrwydd uchel hwn. Wrth i'r cerrynt gynyddu, mae'r effeithlonrwydd yn lleihau. Mae hyn yn anfantais i ddefnyddwyr fel gweithgynhyrchwyr arwyddion neges awyr agored sydd fel rheol yn amlblecsio eu LEDs ar geryntau uchel i gyflawni lefelau disgleirdeb tebyg i weithrediad parhaus DC. O ganlyniad, dim ond mewn nifer gyfyngedig o gymwysiadau y defnyddir LEDau coch GaP ar hyn o bryd. Wrth i dechnoleg LED symud ymlaen trwy'r 1970au, daeth lliwiau a thonfeddi ychwanegol ar gael. Y deunyddiau mwyaf cyffredin oedd GaP gwyrdd a choch, GaAsP oren neu goch effeithlonrwydd uchel a melyn GaAsP, y mae pob un ohonynt yn dal i gael eu defnyddio heddiw (Tabl 3). Roedd y duedd tuag at gymwysiadau mwy ymarferol hefyd yn dechrau datblygu. Cafwyd hyd i LEDau mewn cynhyrchion fel cyfrifianellau, oriorau digidol ac offer prawf. Er bod dibynadwyedd LEDs bob amser wedi bod yn well na chyfradd gwynias, neon ac ati, roedd cyfradd fethiant dyfeisiau cynnar yn llawer uwch na'r hyn y mae'r dechnoleg gyfredol yn ei gyflawni bellach. Roedd hyn yn rhannol oherwydd y cynulliad cydran gwirioneddol a oedd yn bennaf â llaw o ran ei natur. Cyflawnodd gweithredwyr unigol dasgau fel dosbarthu epocsi, gosod y marw yn ei le, a chymysgu epocsi i gyd â llaw. Arweiniodd hyn at ddiffygion fel “slop epocsi” a achosodd ollyngiad VF (blaen-foltedd) a VR (foltedd gwrthdroi) neu hyd yn oed fyrhau'r gyffordd PN. Yn ogystal, nid oedd y dulliau twf a'r deunyddiau a ddefnyddiwyd mor goeth ag y maent heddiw. Arweiniodd niferoedd uchel o ddiffygion yn yr haenau grisial, swbstrad ac epitaxial at lai o effeithlonrwydd a bywydau dyfeisiau byrrach.
Arsenide Alwminiwm Gallium
Dim ond tan yr 1980au y datblygwyd deunydd newydd, GaAlAs (gallium aluminium arsenide), y dechreuodd twf cyflym yn y defnydd o LEDau ddigwydd. Roedd technoleg GaAlAs yn darparu perfformiad uwch na'r LEDau a oedd ar gael o'r blaen. Roedd y disgleirdeb dros 10 gwaith yn fwy na LEDau safonol oherwydd effeithlonrwydd cynyddol a strwythurau aml-haen, math heterojunction. Roedd y foltedd sy'n ofynnol ar gyfer gweithredu yn is gan arwain at gyfanswm arbedion pŵer. Gallai'r LEDs hefyd gael eu pylsio neu eu amlblecsio'n hawdd. Roedd hyn yn caniatáu eu defnyddio mewn neges amrywiol ac arwyddion awyr agored. Dyluniwyd LEDau hefyd mewn cymwysiadau fel sganwyr cod bar, systemau trosglwyddo data ffibr optig, ac offer meddygol. Er bod hwn yn ddatblygiad mawr mewn technoleg LED, roedd anfanteision sylweddol o hyd i ddeunydd GaAlAs. Yn gyntaf, dim ond mewn tonfedd goch 660nm yr oedd ar gael. Yn ail, mae diraddiad allbwn ysgafn GaAlAs yn fwy na thechnoleg safonol. Mae wedi bod yn gamsyniad ers amser maith gyda LEDs y bydd allbwn ysgafn yn gostwng 50% ar ôl 100,000 awr o weithredu. Mewn gwirionedd, gall rhai LEDau GaAlAs ostwng 50% ar ôl dim ond 50,000 -70,000 awr o weithredu. Mae hyn yn arbennig o wir mewn amgylcheddau tymheredd uchel a / neu leithder uchel. Hefyd yn ystod yr amser hwn, dim ond mân welliant mewn disgleirdeb ac effeithlonrwydd a welodd melyn, gwyrdd ac oren a oedd yn bennaf oherwydd gwelliannau mewn twf crisial a dyluniad opteg. Arhosodd strwythur sylfaenol y deunydd yn gymharol ddigyfnewid.
Er mwyn goresgyn y materion anodd hyn, roedd angen technoleg newydd. Trodd dylunwyr LED at dechnoleg deuodau laser ar gyfer datrysiadau. Ochr yn ochr â'r datblygiadau cyflym mewn technoleg LED, roedd technoleg deuodau laser hefyd wedi bod yn gwneud cynnydd. Ar ddiwedd y 1980au dechreuwyd cynhyrchu deuodau laser ag allbwn yn y sbectrwm gweladwy yn fasnachol ar gyfer cymwysiadau fel darllenwyr cod bar, systemau mesur ac alinio a systemau storio cenhedlaeth nesaf. Roedd dylunwyr LED yn edrych i ddefnyddio technegau tebyg i gynhyrchu LEDau disgleirdeb uchel a dibynadwyedd uchel. Arweiniodd hyn at ddatblygu InLaAlP (Indium Gallium Aluminium Phosphide) gweladwyLEDs. Roedd defnyddio InGaAlP fel y deunydd goleuol yn caniatáu hyblygrwydd wrth ddylunio lliw allbwn LED yn syml trwy addasu maint y bwlch band ynni. Felly, gellid cynhyrchu LEDau gwyrdd, melyn, oren a choch i gyd gan ddefnyddio'r un dechnoleg sylfaenol. Yn ogystal, mae diraddiad allbwn ysgafn deunydd InGaAlP wedi'i wella'n sylweddol hyd yn oed ar dymheredd uchel a lleithder.
Datblygiadau Cyfredol Technoleg LED Cymerodd LEDs InGaAlP naid pellach mewn disgleirdeb gyda datblygiad newydd gan Toshiba, gwneuthurwr blaenllaw o LEDau. Llwyddodd Toshiba, gan ddefnyddio proses dwf MOCVD (Dyddodiad Anwedd Cemegol Metel Ocsid), i gynhyrchu strwythur dyfais a oedd yn adlewyrchu 90% neu fwy o'r golau a gynhyrchir yn teithio o'r haen weithredol i'r swbstrad yn ôl fel allbwn golau defnyddiol (Ffigur 4). Roedd hyn yn caniatáu cynnydd bron yn ddeublyg yn y goleuadau LED dros ddyfeisiau confensiynol. Cafodd perfformiad LED ei wella ymhellach trwy gyflwyno haen flocio gyfredol i'r strwythur LED (Ffigur 5). Yn y bôn, mae'r haen flocio hon yn sianelu'r cerrynt trwy'r ddyfais i sicrhau gwell effeithlonrwydd dyfais. O ganlyniad i'r datblygiadau hyn, bydd llawer o'r twf ar gyfer LEDau yn y 1990au wedi'i ganoli mewn tri phrif faes: Mae'r cyntaf mewn dyfeisiau rheoli traffig fel goleuadau stop, signalau cerddwyr, goleuadau barricâd ac arwyddion perygl ffyrdd. Mae'r ail mewn arwyddion neges amrywiol fel yr un sydd wedi'i leoli yn Times Square Efrog Newydd sy'n arddangos nwyddau, newyddion a gwybodaeth arall. Byddai'r trydydd crynodiad mewn cymwysiadau modurol. Mae'r LED gweladwy wedi dod yn bell ers ei gyflwyno bron i 40 mlynedd yn ôl ac nid yw eto wedi dangos unrhyw arwyddion o arafu. Arweiniodd LED Glas, a ddaeth ar gael mewn meintiau cynhyrchu yn y 1990au, at genhedlaeth gyfan o gymwysiadau newydd. Mae LEDau glas oherwydd eu hegni ffoton uchel (& gt; 2.5eV) a sensitifrwydd llygaid cymharol isel bob amser wedi bod yn anodd eu cynhyrchu. Yn ogystal, mae'r dechnoleg sy'n angenrheidiol i ffugio'r LEDau hyn yn wahanol iawn ac yn llawer llai datblygedig na deunyddiau LED safonol. Mae'r LEDs glas sydd ar gael heddiw yn cynnwys adeiladu GaN (gallium nitride) a SiC (carbide silicon) gyda lefelau disgleirdeb dros 10,000mcd @ 20mA ar gyfer dyfeisiau GaN. Gan fod glas yn un o'r lliwiau sylfaenol, (y ddau arall yn goch a gwyrdd), mae arwyddion LED cyflwr solet lliw llawn, setiau teledu ac ati wedi dod ar gael yn fasnachol. Mae cymwysiadau eraill ar gyfer LEDau glas yn cynnwys offer diagnostig meddygol a ffotolithograffeg.
Lliwiau LED Mae hefyd yn bosibl cynhyrchu lliwiau eraill gan ddefnyddio'r un dechnoleg GaN sylfaenol a phrosesau twf. Er enghraifft, datblygwyd LED gwyrdd disgleirdeb uchel (tua 500nm) sydd wedi disodli'r bwlb gwyrdd mewn goleuadau traffig. Mae lliwiau eraill gan gynnwys porffor a gwyn hefyd yn bosibl. Gyda chyflwyniad LEDau glas, mae'n bosibl cynhyrchu gwyn trwy gyfuno'r cyfuniad cywir o olau coch, gwyrdd a glas yn ddetholus. Fodd bynnag, mae'r broses hon yn gofyn am ddylunio meddalwedd a chaledwedd soffistigedig. Yn ogystal, mae'r lefel disgleirdeb yn isel ac mae allbwn golau cyffredinol pob marw RGB sy'n cael ei ddefnyddio yn diraddio ar gyfradd wahanol gan arwain at anghydbwysedd lliw yn y pen draw. Dull arall a gymerir i gyflawni allbwn golau gwyn, yw defnyddio haen ffosffor (Yttrium Aluminium Garnet) ar wyneb LED glas. I grynhoi, mae LEDs wedi mynd o fabandod i lencyndod ac maent yn profi peth o'r twf cyflymaf yn y farchnad yn ystod eu hoes. Trwy ddefnyddio deunydd InGaAlP gyda MOCVD fel y broses dyfu, ynghyd â darparu golau a gynhyrchir yn effeithlon a defnydd effeithlon o gerrynt wedi'i chwistrellu, mae rhai o'r LEDau disgleiriaf, mwyaf effeithlon a mwyaf dibynadwy bellach ar gael. Bydd y dechnoleg hon ynghyd â strwythurau LED newydd eraill yn sicrhau cymhwysiad eang o LEDau. Bydd datblygiadau newydd yn y sbectrwm glas ac ar allbwn golau gwyn hefyd yn gwarantu cynnydd parhaus yng nghymwysiadau'r ffynonellau golau economaidd hyn.
