O Diodo Emissor de Luz (LED) é essencialmente um diodo semicondutor de junção PN que emite uma luz monocromática (cor única) quando operado em uma direção polarizada direta. A estrutura básica de um LED consiste na matriz ou material semicondutor emissor de luz, uma moldura de chumbo onde a matriz é colocada de fato e o epóxi de encapsulamento que envolve e protege a matriz (Figura 1). Os primeiros LEDs utilizáveis comercialmente foram desenvolvidos na década de 1960 combinando três elementos primários: gálio, arsênio e fósforo (GaAsP) para obter uma fonte de luz vermelha de 655 nm. Embora a intensidade luminosa fosse muito baixa com níveis de brilho de aproximadamente 1-10mcd @ 20mA, eles ainda encontraram uso em uma variedade de aplicações, principalmente como indicadores. Seguindo GaAsP, GaP ou fosfeto de gálio, foram desenvolvidos LEDs vermelhos. Descobriu-se que esses dispositivos exibiam eficiências quânticas muito altas; no entanto, eles desempenharam apenas um papel menor no crescimento de novas aplicações para LEDs. Isso ocorreu por dois motivos: primeiro, a emissão de comprimento de onda de 700 nm está em uma região espectral onde o nível de sensibilidade do olho humano é muito baixo (Figura 2) e, portanto, não "parece" ser muito brilhante, embora a eficiência é alto (o olho humano é mais responsivo à luz verde-amarela). Em segundo lugar, essa alta eficiência só é alcançada com correntes baixas. Conforme a corrente aumenta, a eficiência diminui. Isso prova ser uma desvantagem para usuários, como fabricantes de letreiros de mensagens externas, que normalmente multiplexam seus LEDs em altas correntes para atingir níveis de brilho semelhantes aos da operação contínua em CC. Como resultado, os LEDs vermelhos GaP são usados atualmente apenas em um número limitado de aplicações. À medida que a tecnologia LED avançava na década de 1970, cores e comprimentos de onda adicionais tornaram-se disponíveis. Os materiais mais comuns eram GaP verde e vermelho, GaAsP laranja ou vermelho de alta eficiência e GaAsP amarelo, todos usados até hoje (Tabela 3). A tendência para aplicações mais práticas também estava começando a se desenvolver. LEDs foram encontrados em produtos como calculadoras, relógios digitais e equipamentos de teste. Embora a confiabilidade dos LEDs sempre tenha sido superior à das lâmpadas incandescentes, neon etc., a taxa de falha dos primeiros dispositivos era muito maior do que a atual tecnologia atinge agora. Isso se deveu em parte à montagem real do componente, que era principalmente manual. Operadores individuais realizavam tarefas como dispensar epóxi, colocar a matriz na posição e misturar epóxi, tudo à mão. Isso resultou em defeitos como “respingos de epóxi” que causaram vazamento de VF (tensão direta) e VR (tensão reversa) ou até mesmo curto-circuito da junção PN. Além disso, os métodos de crescimento e os materiais usados não eram tão refinados como são hoje. Um grande número de defeitos nas camadas de cristal, substrato e epitaxial resultou em eficiência reduzida e vida útil mais curta do dispositivo.
Arseneto de Gálio e Alumínio
Somente na década de 1980, quando um novo material, GaAlAs (arseneto de gálio e alumínio) foi desenvolvido, um rápido crescimento no uso de LEDs começou a ocorrer. A tecnologia GaAlAs forneceu desempenho superior em relação aos LEDs disponíveis anteriormente. O brilho foi mais de 10 vezes maior do que os LEDs padrão devido à maior eficiência e estruturas do tipo heterojunção em várias camadas. A tensão necessária para a operação era mais baixa, resultando em uma economia total de energia. Os LEDs também podem ser facilmente pulsados ou multiplexados. Isso permitiu seu uso em mensagens variáveis e sinais de exteriores. Os LEDs também foram projetados para aplicações como leitores de código de barras, sistemas de transmissão de dados por fibra óptica e equipamentos médicos. Embora este tenha sido um grande avanço na tecnologia LED, ainda havia desvantagens significativas para o material GaAlAs. Primeiro, ele estava disponível apenas em um comprimento de onda vermelho de 660 nm. Em segundo lugar, a degradação da saída de luz de GaAlAs é maior do que a da tecnologia padrão. Há muito tempo é um equívoco com os LEDs que a saída de luz diminuirá em 50% após 100.000 horas de operação. Na verdade, alguns LEDs GaAlAs podem diminuir em 50% após apenas 50.000 -70.000 horas de operação. Isso é especialmente verdadeiro em ambientes de alta temperatura e / ou alta umidade. Também durante este tempo, o amarelo, o verde e o laranja viram apenas uma pequena melhoria no brilho e na eficiência, principalmente devido a melhorias no crescimento do cristal e no design óptico. A estrutura básica do material permaneceu relativamente inalterada.
Para superar esses problemas difíceis, uma nova tecnologia era necessária. Os designers de LED se voltaram para a tecnologia de diodo laser para obter soluções. Paralelamente ao rápido desenvolvimento da tecnologia LED, a tecnologia de diodo laser também tem progredido. No final da década de 1980, diodos de laser com saída no espectro visível começaram a ser produzidos comercialmente para aplicações como leitores de código de barras, sistemas de medição e alinhamento e sistemas de armazenamento de última geração. Os designers de LED começaram a usar técnicas semelhantes para produzir LEDs de alto brilho e alta confiabilidade. Isso levou ao desenvolvimento de LEDs visíveis de InGaAlP (Fosfeto de Índio-Gálio-Alumínio). O uso de InGaAlP como material luminescente permitiu flexibilidade no design da cor de saída do LED simplesmente ajustando o tamanho do gap de energia. Assim, LEDs verdes, amarelos, laranja e vermelhos poderiam ser produzidos usando a mesma tecnologia básica. Além disso, a degradação da saída de luz do material InGaAlP é significativamente melhorada, mesmo em temperatura e umidade elevadas.
Desenvolvimentos atuais da tecnologia LED Os LEDs InGaAlP deram mais um salto em brilho com um novo desenvolvimento da Toshiba, um fabricante líder de LEDs. A Toshiba, usando o processo de crescimento MOCVD (Metal Oxide Chemical Vapor Deposition), foi capaz de produzir uma estrutura de dispositivo que refletia 90% ou mais da luz gerada viajando da camada ativa para o substrato de volta como saída de luz útil (Figura 4). Isso permitiu um aumento de quase duas vezes na luminância do LED em relação aos dispositivos convencionais. O desempenho do LED foi aprimorado ainda mais com a introdução de uma camada de bloqueio de corrente na estrutura do LED (Figura 5). Essa camada de bloqueio canaliza essencialmente a corrente através do dispositivo para obter uma melhor eficiência do dispositivo. Como resultado desses desenvolvimentos, muito do crescimento dos LEDs na década de 1990 se concentrará em três áreas principais: a primeira está nos dispositivos de controle de tráfego, como semáforos, sinais de pedestres, luzes de barricada e sinais de perigo na estrada. A segunda está em sinais de mensagem variável, como o localizado na Times Square de Nova York, que exibe commodities, notícias e outras informações. A terceira concentração seria em aplicações automotivas. O LED visível já percorreu um longo caminho desde sua introdução, quase 40 anos atrás, e ainda não mostrou quaisquer sinais de desaceleração. Um LED azul, que se tornou disponível em quantidades de produção na década de 1990, resultou em toda uma geração de novas aplicações. LEDs azuis por causa de suas altas energias de fótons (& gt; 2,5eV) e sensibilidade do olho relativamente baixa sempre foram difíceis de fabricar. Além disso, a tecnologia necessária para fabricar esses LEDs é muito diferente e muito menos avançada do que os materiais LED padrão. Os LEDs azuis disponíveis hoje consistem em construção de GaN (nitreto de gálio) e SiC (carboneto de silício) com níveis de brilho superiores a 10.000 mcd @ 20 mA para dispositivos de GaN. Como o azul é uma das cores primárias (os outros dois são vermelho e verde), sinais de LED de estado sólido em cores, TVs, etc. tornaram-se disponíveis comercialmente. Outras aplicações para LEDs azuis incluem equipamentos de diagnóstico médico e fotolitografia.
Cores do LED Também é possível produzir outras cores usando a mesma tecnologia básica de GaN e processos de crescimento. Por exemplo, foi desenvolvido um LED verde de alto brilho (aproximadamente 500 nm) que substituiu a lâmpada verde nos semáforos. Outras cores, incluindo roxo e branco, também são possíveis. Com a introdução dos LEDs azuis, é possível produzir o branco combinando seletivamente a combinação adequada de luz vermelha, verde e azul. Este processo, entretanto, requer software sofisticado e design de hardware para ser implementado. Além disso, o nível de brilho é baixo e a saída geral de luz de cada matriz RGB usada se degrada em uma taxa diferente, resultando em um eventual desequilíbrio de cor. Outra abordagem adotada para obter a saída de luz branca é usar uma camada de fósforo (Garnet de ítrio e alumínio) na superfície de um LED azul. Em resumo, os LEDs vão da infância à adolescência e estão experimentando um dos mais rápidos crescimentos de mercado de sua vida. Ao usar o material InGaAlP com MOCVD como processo de crescimento, combinado com o fornecimento eficiente da luz gerada e o uso eficiente da corrente injetada, alguns dos LEDs mais brilhantes, eficientes e confiáveis estão agora disponíveis. Esta tecnologia, juntamente com outras novas estruturas de LED, garantirá uma ampla aplicação de LEDs. Novos desenvolvimentos no espectro azul e na saída de luz branca também garantirão o aumento contínuo nas aplicações dessas fontes de luz econômicas.
