دیود ساطع نور

دیود ساطع کننده نور ( LED ) یک قطعه نیمه هادی است که وقتی جریان از آن عبور می کند، نور ساطع می کند . الکترون های نیمه هادی با حفره های الکترونی ترکیب می شوند و انرژی را به شکل فوتون آزاد می کنند . رنگ نور (مطابق با انرژی فوتون ها) با انرژی لازم برای عبور الکترون ها از شکاف نواری نیمه هادی تعیین می شود. نور سفید با استفاده از چندین نیمه رسانا یا لایه ای از فسفر ساطع کننده نور بر روی دستگاه نیمه هادی به دست می آید.

نمای نزدیک یک LED با افزایش و کاهش ولتاژ برای نشان دادن نمای دقیق عملکرد آن

اولین ال ای دی ها که در سال 1962 به عنوان اجزای الکترونیکی عملی ظاهر شدند، نور مادون قرمز با شدت کم (IR) ساطع می کردند. LED های مادون قرمز در مدارهای کنترل از راه دور استفاده می شوند ، مانند مدارهایی که با طیف گسترده ای از لوازم الکترونیکی مصرفی استفاده می شوند. اولین LED های نور مرئی با شدت کم و محدود به رنگ قرمز بودند.

ال ای دی های اولیه اغلب به عنوان لامپ های نشانگر، جایگزین لامپ های رشته ای کوچک و در نمایشگرهای هفت بخش استفاده می شدند . پیشرفت‌های بعدی ال‌ای‌دی‌های موجود در طول موج‌های مرئی ، فرابنفش (UV) و مادون قرمز با خروجی نور زیاد، کم یا متوسط ​​را تولید کردند، به‌عنوان مثال، LED‌های سفید مناسب برای روشنایی اتاق و فضای باز. LED ها همچنین انواع جدیدی از نمایشگرها و حسگرها را به وجود آورده اند، در حالی که نرخ سوئیچینگ بالای آنها در فناوری ارتباطات پیشرفته با کاربردهای متنوعی استفاده می شوند.

ال ای دی ها مزایای زیادی نسبت به منابع نور رشته ای دارند، از جمله مصرف انرژی کمتر، طول عمر بیشتر، استحکام فیزیکی بهبود یافته، اندازه های کوچکتر و سوئیچینگ سریعتر. در ازای این ویژگی‌های عموماً مطلوب، معایب ال‌ای‌دی‌ها شامل محدودیت‌های الکتریکی برای ولتاژ پایین و به طور کلی برای برق DC (نه AC)، ناتوانی در ارائه روشنایی ثابت از منبع تغذیه الکتریکی DC یا AC و حداکثر دمای عملیاتی کمتر است. و دمای نگهداری

ال ای دی ها مبدل های الکتریسیته به نور هستند . آنها برعکس فتودیودها عمل می کنند که نور را به الکتریسیته تبدیل می کنند.

تاریخ

اکتشافات و دستگاه های اولیه

الکترولومینسانس به عنوان یک پدیده در سال 1907 توسط آزمایشگر انگلیسی HJ Round از آزمایشگاه مارکونی با استفاده از کریستالی از کاربید سیلیکون و آشکارساز سبیل گربه کشف شد. مخترع روسی ، اولگ لوسف، ایجاد اولین LED را در سال 1927 گزارش کرد. به دلیل خواص بسیار ناکارآمد تولید نور کاربید سیلیکون، از نیمه هادی Losev استفاده شد.

در سال 1936، ژرژ دسترائو مشاهده کرد که وقتی پودر سولفید روی (ZnS) در یک عایق معلق می شود و یک میدان الکتریکی متناوب روی آن اعمال می شود، می توان الکترولومینسانس تولید کرد . Destriau در انتشارات خود اغلب از لومینسانس به عنوان Losev-Light یاد می کرد. دسترائو در آزمایشگاه های مادام ماری کوری کار می کرد که همچنین از پیشگامان اولیه در زمینه لومینسانس با تحقیق بر روی رادیوم بود .

Zoltán Bay مجارستانی همراه با György Szigeti در سال 1939 با ثبت اختراع یک دستگاه نورپردازی مبتنی بر کاربید سیلیکون، با گزینه ای بر روی کاربید بور، که بسته به ناخالصی های موجود، سفید، سفید مایل به زرد یا سفید متمایل به سبز منتشر می کرد، از روشنایی LED در مجارستان استفاده کردند. [16] کورت لهووک ، کارل آکاردو و ادوارد جامگوچیان این اولین LED ها را در سال 1951 با استفاده از دستگاهی با استفاده از کریستال های SiC با منبع جریان باتری یا یک ژنراتور پالس و با مقایسه با یک نوع کریستال خالص در سال 1953 توضیح دادند.

Rubin Braunstein از شرکت رادیویی آمریکا در مورد انتشار مادون قرمز از آرسنید گالیم ( GaAs ) و سایر آلیاژهای نیمه هادی در سال 1955 گزارش داد . آلیاژهای فسفید (InP) و سیلیکون ژرمانیوم (SiGe) در دمای اتاق و در 77  کلوین . در سال 1957، براونشتاین بیشتر نشان داد که دستگاه های ابتدایی را می توان برای ارتباطات غیر رادیویی در فاصله کوتاه مورد استفاده قرار داد. همانطور که کرومر براونشتاین اشاره کرد “… یک پیوند ارتباطی نوری ساده ایجاد کرده بود: موسیقی که از یک پخش کننده به جریان تبدیل می شد و به یک دیود ساطع نور GaAs متصل می شد. نور ساطع شده توسط یک دیود PbS تشخیص داده شد. این سیگنال به یک تقویت کننده صوتی وارد شد و توسط یک بلندگو پخش شد. این تنظیمات استفاده از LED ها را برای برنامه های ارتباطی نوری پیش بینی می کرد .

در سپتامبر 1961، جیمز آر بیارد و گری پیتمن هنگام کار در تگزاس اینسترومنتز در دالاس ، تگزاس ، تابش نور مادون قرمز نزدیک (900 نانومتر) را از یک دیود تونلی که بر روی یک بستر GaAs ساخته بودند، کشف کردند. تا اکتبر 1961، آنها تابش نور کارآمد و جفت سیگنال را بین یک ساطع کننده نور پیوند GaAs pn و یک آشکارساز نوری نیمه هادی ایزوله الکتریکی نشان دادند. در 8 آگوست 1962، بیارد و پیتمن حق اختراعی را با عنوان “دیود تابشی نیمه هادی” بر اساس یافته های خود به ثبت رساندند که یک LED اتصال p-n منتشر شده با روی را با یک تماس کاتدی با فاصله برای انتشار موثر نور مادون قرمز توصیف می کرد.

اداره ثبت اختراع ایالات متحده پس از تعیین اولویت کار خود بر اساس نوت‌بوک‌های مهندسی قبل از ارسال‌های آزمایشگاه‌های جنرال الکتریک ، آزمایشگاه‌های تحقیقاتی RCA ، آزمایشگاه‌های تحقیقاتی آی‌بی‌ام ، آزمایشگاه‌های بل ، و آزمایشگاه لینکلن در MIT ، برای این دو مخترع حق ثبت اختراع برای نور مادون قرمز GaAs صادر کرد. دیود ساطع کننده (پتنت ایالات متحده US3293513 )، اولین LED عملی بود. بلافاصله پس از ثبت اختراع، Texas Instruments (TI) پروژه ای را برای تولید دیودهای مادون قرمز آغاز کرد. در اکتبر 1962، TI اولین محصول تجاری LED (SNX-100) را معرفی کرد که از یک کریستال خالص GaAs برای ساطع خروجی نور 890 نانومتر استفاده می کرد. در اکتبر 1963، TI اولین LED تجاری نیمکره ای، SNX-110 را ساخت.

در دهه 1960، چندین آزمایشگاه روی LEDهایی که نور مرئی ساطع می کردند، تمرکز کردند. یک دستگاه بسیار مهم توسط نیک هولونیاک در 9 اکتبر 1962، زمانی که او برای جنرال الکتریک در سیراکوز، نیویورک کار می کرد ، معرفی کرد. این دستگاه از آلیاژ نیمه هادی گالیم فسفید آرسنید (GaAsP) استفاده می کرد. این اولین لیزر نیمه هادی بود که نور مرئی را، البته در دمای پایین، منتشر کرد. در دمای اتاق همچنان به عنوان یک دیود ساطع کننده نور قرمز عمل می کرد. GaAsP اساس اولین موج LED های تجاری بود که نور مرئی ساطع می کردند. این اختراع توسط شرکت های مونسانتو و هیولت پاکارد به صورت انبوه تولید شد و به طور گسترده برای نمایش در ماشین حساب ها و ساعت های مچی استفاده شد.

جورج کرافورد ، دانشجوی فارغ التحصیل سابق هولونیاک، اولین LED زرد را اختراع کرد و در سال 1972 روشنایی LEDهای قرمز و قرمز نارنجی را تا 10 برابر افزایش داد. در سال 1976، TP Pearsall اولین LED را طراحی کرد. ال ای دی های با روشنایی بالا و کارایی بالا برای مخابرات فیبر نوری با اختراع مواد نیمه هادی جدید که به طور خاص با طول موج های انتقال فیبر نوری سازگار شده اند.

توسعه تجاری اولیه

تا سال 1968، ال ای دی های مرئی و مادون قرمز بسیار پرهزینه بودند، حدود 200 دلار آمریکا در هر واحد، و بنابراین کاربرد عملی کمی داشتند. اولین LED های تجاری با طول موج مرئی از نیمه هادی های GaAsP استفاده می کردند و معمولاً به عنوان جایگزینی برای لامپ های نشانگر رشته ای و نئون و در نمایشگرهای هفت بخش ، ابتدا در تجهیزات گران قیمت مانند تجهیزات آزمایشگاهی و تست الکترونیک و سپس در چنین وسایلی استفاده می شدند. به عنوان ماشین حساب، تلویزیون، رادیو، تلفن و همچنین ساعت.

شرکت هیولت پاکارد (HP) بین سال‌های 1962 و 1968، توسط یک تیم تحقیقاتی زیر نظر Howard C. Borden، Gerald P. Pighini در HP Associates و HP Labs ، مشغول تحقیق و توسعه (R&D) بر روی LEDهای کاربردی بود . در این مدت HP با شرکت مونسانتو در توسعه اولین محصولات LED قابل استفاده همکاری کرد. اولین محصولات LED قابل استفاده نمایشگر LED HP و چراغ نشانگر LED مونسانتو بودند که هر دو در سال 1968 راه اندازی شدند.

مونسانتو اولین سازمانی بود که LED های مرئی را به صورت انبوه تولید کرد و از فسفید آرسنید گالیم (GaAsP) در سال 1968 برای تولید LED های قرمز مناسب برای نشانگرها استفاده کرد. مونسانتو قبلاً پیشنهاد داده بود که HP را با GaAsP عرضه کند، اما HP تصمیم گرفت GaAsP خود را توسعه دهد. در فوریه 1969، هیولت پاکارد نشانگر عددی HP مدل 5082-7000 را معرفی کرد، اولین دستگاه LED برای استفاده از فناوری مدار مجتمع ( مدار یکپارچه LED ). این اولین نمایشگر LED هوشمند بود و انقلابی در فناوری نمایشگر دیجیتال بود که جایگزین لوله Nixie شد و پایه ای برای نمایشگرهای LED بعدی شد.

در دهه 1970، دستگاه های LED موفق تجاری با قیمت کمتر از 5 سنت توسط Fairchild Optoelectronics تولید شدند. این دستگاه ها از تراشه های نیمه هادی مرکب ساخته شده با فرآیند مسطح استفاده می کردند (توسعه یافته توسط Jean Hoerni ). ترکیبی از پردازش مسطح برای ساخت تراشه و روش‌های بسته‌بندی نوآورانه ، تیم Fairchild را به رهبری توماس برانت، پیشگام اپتوالکترونیک، قادر ساخت تا به کاهش هزینه‌های مورد نیاز دست یابند. تولیدکنندگان LED همچنان از این روش ها استفاده می کنند.

LEDهای قرمز اولیه برای استفاده به عنوان نشانگر به اندازه کافی روشن بودند، زیرا خروجی نور برای روشن کردن یک منطقه کافی نبود. بازخوانی‌ها در ماشین‌حساب‌ها آنقدر کوچک بودند که لنزهای پلاستیکی روی هر رقم تعبیه می‌شد تا خوانا باشد. بعدها رنگ های دیگر به طور گسترده ای در دسترس قرار گرفت و در لوازم و تجهیزات ظاهر شد.

ال‌ای‌دی‌های اولیه در جعبه‌های فلزی مشابه ترانزیستورها بسته‌بندی می‌شدند، با یک پنجره یا عدسی شیشه‌ای برای خروج نور. LED های نشانگر مدرن در جعبه های پلاستیکی قالب ریزی شده شفاف، لوله ای یا مستطیلی شکل بسته بندی می شوند و اغلب برای مطابقت با رنگ دستگاه رنگی می شوند. دستگاه های مادون قرمز ممکن است رنگ شوند تا نور مرئی را مسدود کنند. بسته های پیچیده تری برای اتلاف گرمای کارآمد در LED های پرقدرت اقتباس شده اند . LED های نصب شده روی سطح، اندازه بسته را بیشتر کاهش می دهند. LED های در نظر گرفته شده برای استفاده با کابل های فیبر نوری ممکن است با یک اتصال نوری ارائه شوند.

LED آبی

اولین LED آبی بنفش با استفاده از نیترید گالیوم دوپ شده با منیزیم در دانشگاه استنفورد در سال 1972 توسط هرب ماروسکا و والی راینز ، دانشجویان دکترا در رشته علوم و مهندسی مواد ساخته شد . در آن زمان ماروسکا در مرخصی از آزمایشگاه RCA بود ، جایی که او با ژاک پانکوو در کارهای مرتبط همکاری کرد. در سال 1971، سال بعد از رفتن ماروسکا به استنفورد، همکارانش در RCA، پانکوو و اد میلر، اولین الکترولومینسانس آبی را از نیترید گالیوم دوپ شده با روی نشان دادند، اگرچه دستگاه بعدی پانکوو و میلر که اولین دیود ساطع نور واقعی نیترید گالیوم بود، منتشر کردند. چراغ سبز.

در سال 1974 اداره ثبت اختراع ایالات متحده به ماروسکا، راینز و پروفسور استنفورد، دیوید استیونسون، در سال 1972 حق امتیازی برای کار آنها اعطا کرد (اختراع US3819974 A ). امروزه، دوپینگ منیزیم نیترید گالیوم، پایه و اساس تمام LEDهای تجاری آبی و دیودهای لیزری است . در اوایل دهه 1970، این دستگاه ها برای استفاده عملی بسیار کم نور بودند و تحقیقات در مورد دستگاه های نیترید گالیم کند شد.

در آگوست 1989، کری اولین LED آبی تجاری موجود بر اساس نیمه هادی باند غیر مستقیم ، کاربید سیلیکون (SiC) را معرفی کرد. ال ای دی های SiC کارایی بسیار پایینی داشتند، نه بیشتر از 0.03٪، اما در قسمت آبی طیف نور مرئی ساطع می کردند.

در اواخر دهه 1980، پیشرفت های کلیدی در رشد اپیتاکسیال GaN و دوپینگ نوع p عصر مدرن دستگاه های الکترونیک نوری مبتنی بر GaN را آغاز کرد . بر اساس این پایه، تئودور موستاکاس در دانشگاه بوستون روشی را برای تولید LED های آبی با روشنایی بالا با استفاده از یک فرآیند دو مرحله ای جدید در سال 1991 به ثبت رساند .

دو سال بعد، در سال 1993، LED های آبی با روشنایی بالا توسط Shuji Nakamura از شرکت Nichia با استفاده از فرآیند رشد نیترید گالیم (GaN) نشان داده شد . این LED ها بازدهی 10% داشتند. به موازات، ایسامو آکاساکی و هیروشی آمانو از دانشگاه ناگویا در حال توسعه رسوب مهم GaN بر روی بسترهای یاقوت کبود و نشان دادن دوپینگ نوع p از GaN بودند. این پیشرفت جدید انقلابی در روشنایی LED ایجاد کرد و منابع نور آبی پرقدرت را کاربردی کرد و منجر به توسعه فناوری هایی مانند Blu-ray شد .

ناکامورا به خاطر اختراع خود جایزه فناوری هزاره را در سال 2006 دریافت کرد . ناکامورا، هیروشی آمانو ، و ایسامو آکاساکی جایزه نوبل فیزیک در سال 2014 را برای “اختراع دیودهای نور آبی کارآمد، که منابع نور سفید روشن و صرفه جویی در انرژی را فعال کرده است” دریافت کردند .

در سال 1995، آلبرتو باربیری در آزمایشگاه دانشگاه کاردیف (GB) کارایی و قابلیت اطمینان LED های با روشنایی بالا را بررسی کرد و یک LED “تماس شفاف” را با استفاده از اکسید قلع ایندیم (ITO) روی (AlGaInP/GaAs) نشان داد.

در سال 2001 و 2002، فرآیندهای رشد LED های نیترید گالیوم (GaN) روی سیلیکون با موفقیت نشان داده شد. در ژانویه 2012، Osram LED های InGaN پرقدرت را نشان داد که روی بسترهای سیلیکونی به صورت تجاری رشد کرده بودند، و ال ای دی های GaN-on-Silicon در Plessey Semiconductors در حال تولید هستند . از سال 2017، برخی از تولیدکنندگان از SiC به عنوان بستر تولید LED استفاده می‌کنند، اما یاقوت کبود رایج‌تر است، زیرا شبیه‌ترین خواص را به نیترید گالیوم دارد و نیاز به الگوسازی ویفر یاقوت کبود را کاهش می‌دهد (ویفرهای طرح‌دار به عنوان epi شناخته می‌شوند. ویفر). سامسونگ ، دانشگاه کمبریج و توشیبا در حال انجام تحقیقات در مورد GaN بر روی LED های Si هستند.

توشیبا تحقیقات خود را احتمالاً به دلیل بازده پایین متوقف کرده است. برخی اپیتاکسی را انتخاب می‌کنند ، که در سیلیکون دشوار است ، در حالی که برخی دیگر، مانند دانشگاه کمبریج، ساختار چند لایه را به ترتیب انتخاب می‌کنند. برای کاهش عدم تطابق شبکه (کریستالی) و نسبت های مختلف انبساط حرارتی، برای جلوگیری از ترک خوردن تراشه LED در دماهای بالا (به عنوان مثال در حین ساخت)، کاهش تولید گرما و افزایش بازده نور. الگوسازی زیرلایه یاقوت کبود را می توان با لیتوگرافی نانوایمپرنت انجام داد .

GaN-on-Si دشوار اما مطلوب است زیرا از زیرساخت های موجود در ساخت نیمه هادی بهره می برد. این امکان را می دهد تا قالب های LED در سطح ویفر بسته بندی شود که منجر به بسته بندی های LED بسیار کوچک می شود.

GaN اغلب با استفاده از اپیتاکسی فاز بخار متالارگانیک (MOCVD) رسوب می‌کند، و همچنین از لیفت آف استفاده می‌کند .

LED های سفید و پیشرفت روشنایی

حتی اگر نور سفید را می توان با استفاده از LED های قرمز، سبز و آبی ایجاد کرد، این منجر به ارائه رنگ ضعیف می شود ، زیرا تنها سه نوار باریک از طول موج نور منتشر می شود. دستیابی به LED های آبی با کارایی بالا به سرعت با توسعه اولین LED سفید دنبال شد . در این قطعه یک Y₃Al₅O₁₂:Ce (معروف به ” YAG ” یا Ce:YAG فسفر) پوشش فسفر آغشته به سریم نور زرد را از طریق فلورسانس تولید می کند . ترکیب آن زرد با نور آبی باقیمانده در چشم سفید به نظر می رسد. استفاده از فسفرهای مختلف از طریق فلورسانس نور سبز و قرمز تولید می کند. مخلوط حاصل از قرمز، سبز و آبی به‌عنوان نور سفید درک می‌شود که در مقایسه با طول موج‌های ترکیب فسفر LED/YAG آبی رنگ بهبود یافته است.

اولین LED های سفید گران و ناکارآمد بودند. سپس خروجی نور به صورت تصاعدی افزایش یافت . آخرین تحقیق و توسعه توسط سازندگان ژاپنی مانند پاناسونیک و نیچیا و تولیدکنندگان کره ای و چینی مانند سامسونگ ، Solstice، Kingsun، Hoyol و دیگران منتشر شده است. این روند در افزایش تولید را قانون هایتز پس از رولاند هایتس نامیده اند .

خروجی نور و کارایی LED های آبی و نزدیک به فرابنفش افزایش یافت و هزینه دستگاه های قابل اعتماد کاهش یافت. این منجر به LEDهای نسبتاً پرقدرت با نور سفید برای روشنایی شد که جایگزین نورهای رشته ای و فلورسنت می شوند.

LEDهای سفید آزمایشی در سال 2014 نشان داده شدند که 303 لومن در هر وات برق (Lm/W) تولید می کنند. برخی از آنها می توانند تا 100000 ساعت دوام بیاورند. [ 82 ] LED های تجاری موجود تا سال 2018 دارای راندمان تا 223 lm/W هستند . در مقایسه با لامپ‌های رشته‌ای، این افزایش زیادی در راندمان الکتریکی است، و حتی اگر خرید لامپ‌های ال‌ای‌دی گران‌تر است، هزینه کل طول عمر آن به‌طور قابل‌توجهی ارزان‌تر از لامپ‌های رشته‌ای است.

تراشه LED درون یک قالب کوچک، پلاستیکی و سفید محصور شده است اگرچه گاهی اوقات یک بسته LED می تواند یک بازتابنده را در خود جای دهد. می توان آن را با استفاده از رزین ( بر پایه پلی اورتان )، سیلیکون، یا اپوکسی حاوی ذرات فسفر YAG دوپ شده با سریم، کپسوله کرد. ویسکوزیته مخلوط فسفر-سیلیکون باید به دقت کنترل شود. پس از استفاده از مخلوط فسفر-سیلیکون بر روی LED با استفاده از تکنیک هایی مانند پخش جت، و اجازه دادن به حلال ها برای تبخیر، LED ها اغلب آزمایش می شوند و بر روی نوارهای تجهیزات قرار دادن SMT برای استفاده در نور LED قرار می گیرند. تولید لامپ برخی از لامپ های ال ای دی “فسفر راه دور” از یک پوشش پلاستیکی با فسفر YAG برای یک یا چندین LED آبی استفاده می کنند، به جای استفاده از پوشش های فسفر روی LED های سفید تک تراشه. فسفرهای Ce:YAG و اپوکسی در LEDها می‌توانند با استفاده تجزیه شوند، و با غلظت‌های بالاتر Ce:YAG در مخلوط‌های فسفر-سیلیکون آشکارتر است، زیرا Ce:YAG با استفاده تجزیه می‌شود.

خروجی LED ها می تواند به مرور زمان به دلیل تخریب سیلیکون به رنگ زرد تغییر کند. انواع مختلفی از Ce:YAG وجود دارد، و تولیدکنندگان در بسیاری از موارد ترکیب دقیق Ce:YAG را فاش نمی‌کنند. چندین فسفر دیگر برای LED های تبدیل شده به فسفر برای تولید چندین رنگ مانند قرمز، که از فسفرهای نیتروسیلیکات استفاده می کند، و بسیاری از انواع دیگر مواد فسفر برای LED ها مانند فسفرهای مبتنی بر اکسیدها، اکسی نیتریدها وجود دارد. اکسی هالیدها، هالیدها، نیتریدها، سولفیدها، نقاط کوانتومی و نیمه هادی های ترکیبی معدنی-آلی. یک LED می تواند همزمان چندین فسفر داشته باشد. برخی از LED ها از فسفر ساخته شده از شیشه-سرامیک یا مواد کامپوزیت فسفر/شیشه استفاده می کنند. همچنین، خود تراشه‌های LED را می‌توان با یک پوشش نازک از مواد حاوی فسفر، که پوشش هم‌نظم نامیده می‌شود، پوشاند.

دمای فسفر در حین کار و نحوه اعمال آن اندازه یک قالب LED را محدود می کند. ال ای دی های سفید بسته بندی شده در سطح ویفر امکان LED های بسیار کوچک را فراهم می کند.

فیزیک تولید و انتشار نور

در یک دیود ساطع کننده نور، ترکیب مجدد الکترون ها و حفره های الکترونی در یک نیمه رسانا، نور (چه مادون قرمز، چه مرئی یا UV) تولید می کند، فرآیندی که ” الکترولومینسانس ” نامیده می شود. طول موج نور به شکاف باند انرژی نیمه هادی های مورد استفاده بستگی دارد. از آنجایی که این مواد دارای ضریب شکست بالایی هستند، ویژگی‌های طراحی دستگاه‌ها مانند پوشش‌های نوری خاص و شکل قالب برای انتشار کارآمد نور مورد نیاز است.

برخلاف لیزر ، نور ساطع شده از LED نه از نظر طیفی منسجم است و نه حتی بسیار تک رنگ . طیف آن به اندازه ای باریک است که در چشم انسان به صورت رنگ خالص ( اشباع شده ) به نظر می رسد. همچنین برخلاف اکثر لیزرها، تابش آن از نظر فضایی منسجم نیست ، بنابراین نمی تواند به مشخصه شدت بسیار بالای لیزرها نزدیک شود .

ال ای دی تک رنگ

با انتخاب مواد نیمه هادی مختلف ، می توان LED های تک رنگ ساخت که نور را در یک نوار باریک از طول موج از مادون قرمز نزدیک از طریق طیف مرئی و به محدوده فرابنفش ساطع می کنند. با کوتاه شدن طول موج ها، به دلیل شکاف باند بزرگتر این نیمه هادی ها، ولتاژ کاری LED افزایش می یابد.

LED های آبی دارای یک منطقه فعال متشکل از یک یا چند چاه کوانتومی InGaN هستند که بین لایه های ضخیم تر GaN قرار گرفته اند که به آن لایه های روکشی می گویند. با تغییر کسر نسبی In/Ga در چاه‌های کوانتومی InGaN، در تئوری می‌توان تابش نور را از بنفش به کهربا تغییر داد.

آلومینیوم گالیم نیترید (AlGaN) با کسر Al/Ga متغیر می تواند برای ساخت روکش و لایه های چاه کوانتومی برای LED های فرابنفش استفاده شود ، اما این قطعه ها هنوز به سطح کارایی و بلوغ تکنولوژیکی دستگاه های InGaN/GaN آبی/سبز نرسیده اند. اگر در این مورد از GaN بدون آلیاژ برای تشکیل لایه‌های چاه کوانتومی فعال استفاده شود، دستگاه نور ماوراء بنفش نزدیک با حداکثر طول موج در مرکز ۳۶۵ نانومتر منتشر می‌کند. LED های سبز تولید شده از سیستم InGaN/GaN بسیار کارآمدتر و روشن تر از LED های سبز تولید شده با سیستم های مواد غیر نیترید هستند، اما دستگاه های عملی هنوز برای کاربردهای با روشنایی بالا کارایی بسیار پایینی دارند.

با AlGaN و AlGaInN ، حتی طول موج های کوتاه تر نیز قابل دستیابی هستند. ساطع کننده های نزدیک به اشعه ماوراء بنفش در طول موج های حدود 360 تا 395 نانومتر در حال حاضر ارزان هستند و اغلب به عنوان جایگزین لامپ های نور سیاه برای بازرسی واترمارک ضد جعلی UV در اسناد و اسکناس ها و برای پخت UV مورد استفاده قرار می گیرند . دیودهای گران‌تر و با طول موج کوتاه‌تر به صورت تجاری برای طول موج‌های کمتر از 240 نانومتر در دسترس هستند. از آنجایی که حساسیت به نور میکروارگانیسم‌ها تقریباً با طیف جذب DNA مطابقت دارد ، با پیک در حدود 260 نانومتر، در دستگاه‌های ضدعفونی و استریل‌سازی آینده‌نگر، LED UV در طول موج 250 تا 270 نانومتر منتشر می‌شود. تحقیقات اخیر نشان داده است که UVA LED های تجاری موجود (365 نانومتر) در حال حاضر دستگاه های ضد عفونی و استریلیزاسیون موثری هستند. طول موج UV-C در آزمایشگاه ها با استفاده از نیترید آلومینیوم (210 نانومتر)، نیترید بور (215 نانومتر) و الماس (235 نانومتر) به دست آمده است.

ال ای دی های سفید

دو راه اصلی برای تولید دیودهای تابش نور سفید وجود دارد. یکی این است که از LED های جداگانه استفاده کنید که سه رنگ اصلی – قرمز، سبز و آبی را منتشر می کنند و سپس همه رنگ ها را برای تشکیل نور سفید مخلوط می کنند. مورد دیگر استفاده از یک ماده فسفر برای تبدیل نور تک رنگ از یک LED آبی یا UV به نور سفید با طیف وسیع، شبیه به یک لامپ فلورسنت است . فسفر زرد از کریستال های YAG دوپ شده با سریم است که در بسته بندی معلق شده یا روی LED پوشانده شده است. این فسفر YAG باعث می شود که LED های سفید در هنگام خاموش شدن زرد به نظر برسند و فضای بین کریستال ها اجازه می دهد تا مقداری نور آبی در LED ها با تبدیل جزئی فسفر عبور کند. از طرف دیگر، LED های سفید ممکن است از فسفرهای دیگری مانند فلوئوروسیلیکات پتاسیم (PFS) دوپ شده با منگنز (IV) یا سایر فسفرهای مهندسی شده استفاده کنند. PFS به تولید نور قرمز کمک می کند و در ارتباط با فسفر Ce:YAG معمولی استفاده می شود.

در LED های دارای فسفر PFS، مقداری نور آبی از فسفرها عبور می کند، فسفر Ce:YAG نور آبی را به نور سبز و قرمز (زرد) تبدیل می کند و فسفر PFS نور آبی را به نور قرمز تبدیل می کند. رنگ، طیف انتشار یا دمای رنگ فسفر سفید تبدیل شده و سایر ال ای دی های تبدیل شده به فسفر را می توان با تغییر غلظت چندین فسفر که یک ترکیب فسفر مورد استفاده در یک بسته ال ای دی را تشکیل می دهند، کنترل کرد.

“سفیدی” نور تولید شده برای چشم انسان طراحی شده است. به دلیل متامریسم ، ممکن است طیف های کاملاً متفاوتی داشته باشیم که سفید به نظر می رسند. ظاهر اجسام روشن شده توسط آن نور ممکن است با تغییر طیف متفاوت باشد. این موضوع نمایش رنگ است که کاملاً جدا از دمای رنگ است. یک شی نارنجی یا فیروزه ای ممکن است با رنگ اشتباه و بسیار تیره تر ظاهر شود زیرا LED یا فسفر طول موجی را که منعکس می کند منتشر نمی کند. بهترین ال‌ای‌دی‌های نمایش رنگ از ترکیبی از فسفر استفاده می‌کنند که در نتیجه کارایی کمتر و ارائه رنگ بهتری به همراه دارد.

اولین دیودهای ساطع کننده نور سفید (LED) برای فروش در پاییز 1996 ارائه شد. نیچیا برخی از اولین LED های سفید را که بر اساس LED های آبی با فسفر Ce:YAG ساخته شده بودند، ساخت. Ce:YAG اغلب با استفاده از روش Czochralski رشد می کند .

سیستم های RGB

مخلوط کردن منابع قرمز، سبز و آبی برای تولید نور سفید به مدارهای الکترونیکی برای کنترل ترکیب رنگ ها نیاز دارد. از آنجایی که ال ای دی ها دارای الگوهای انتشار کمی متفاوت هستند، تعادل رنگ ممکن است بسته به زاویه دید تغییر کند، حتی اگر منابع RGB در یک بسته واحد باشند، بنابراین دیودهای RGB به ندرت برای تولید نور سفید استفاده می شوند. با این وجود، این روش به دلیل انعطاف پذیری در اختلاط رنگ های مختلف، کاربردهای زیادی دارد و اصولاً این مکانیسم بازده کوانتومی بالاتری در تولید نور سفید نیز دارد.

انواع مختلفی از ال ای دی های سفید رنگارنگ وجود دارد: ال ای دی های سفید دو رنگ ، سه رنگ و چهار رنگ . چندین عامل کلیدی که در بین این روش‌های مختلف بازی می‌کنند عبارتند از ثبات رنگ، قابلیت رندر رنگ و کارایی نورانی. اغلب، راندمان بالاتر به معنای رندر رنگ کمتر است، که بین اثربخشی نور و رندر رنگی تعادل ایجاد می کند. به عنوان مثال، LED های سفید دو رنگ دارای بهترین کارایی نوری (120 lm/W) هستند، اما کمترین قابلیت رندر رنگ را دارند. اگرچه LED های سفید چهار رنگ دارای قابلیت نمایش رنگ عالی هستند، اما اغلب کارایی نوری ضعیفی دارند. ال‌ای‌دی‌های سه‌رنگ سفید در این بین قرار دارند، که هم کارایی نوری خوب (بیش از 70 lm/W) و هم قابلیت نمایش رنگ منصفانه دارند.

یکی از چالش ها توسعه LED های سبز کارآمدتر است. حداکثر تئوری برای LED های سبز 683 لومن بر وات است، اما تا سال 2010 تعداد کمی از LED های سبز حتی از 100 لومن در هر وات فراتر رفته است. LED های آبی و قرمز به محدودیت های نظری خود نزدیک می شوند.

ال ای دی های چند رنگ وسیله ای برای تشکیل نور با رنگ های مختلف ارائه می دهند. بیشتر رنگ های قابل درک را می توان با مخلوط کردن مقادیر مختلف سه رنگ اصلی تشکیل داد. این امکان کنترل دقیق رنگ پویا را فراهم می کند. قدرت انتشار آنها با افزایش دما به طور تصاعدی کاهش می یابد ، که منجر به تغییر قابل توجهی در ثبات رنگ می شود. چنین مشکلاتی مانع استفاده صنعتی می شود. ال ای دی های چند رنگ بدون فسفر نمی توانند رندر رنگ خوبی ارائه دهند زیرا هر LED یک منبع باند باریک است. LED های بدون فسفر، در حالی که راه حل ضعیف تری برای روشنایی عمومی هستند، بهترین راه حل برای نمایشگرها، چه نور پس زمینه LCD یا پیکسل های مبتنی بر LED مستقیم هستند.

کم نور کردن یک منبع LED چند رنگ برای مطابقت با ویژگی های لامپ های رشته ای دشوار است زیرا تغییرات تولید، سن و دما باعث تغییر مقدار واقعی رنگ خروجی می شود. برای شبیه سازی ظاهر لامپ های رشته ای کم نور ممکن است به یک سیستم بازخورد با سنسور رنگ برای نظارت و کنترل فعال رنگ نیاز باشد.

ال ای دی های مبتنی بر فسفر

این روش شامل پوشش دادن LEDهای یک رنگ (بیشتر LEDهای آبی ساخته شده از InGaN ) با فسفرهای رنگهای مختلف برای تشکیل نور سفید است. ال ای دی های حاصل را LED های سفید مبتنی بر فسفر یا تبدیل شده به فسفر (pcLED) می نامند. کسری از نور آبی تحت تغییر استوکس قرار می گیرد که آن را از طول موج های کوتاه تر به طولانی تر تبدیل می کند. بسته به رنگ LED اصلی، از فسفرهای رنگی مختلف استفاده می شود. استفاده از چندین لایه فسفری از رنگ های متمایز، طیف منتشر شده را گسترش می دهد و به طور موثر شاخص رندر رنگ (CRI) را افزایش می دهد.

LED های مبتنی بر فسفر به دلیل اتلاف حرارت از شیفت استوکس و همچنین سایر مسائل مربوط به فسفر، کاهش کارایی دارند. کارایی نورانی آنها در مقایسه با LEDهای معمولی به توزیع طیفی خروجی نور حاصل و طول موج اصلی خود LED بستگی دارد. به عنوان مثال، اثر نوری یک LED سفید معمولی مبتنی بر فسفر زرد YAG بین 3 تا 5 برابر کارایی نورانی LED آبی اصلی است، زیرا چشم انسان به رنگ زرد حساسیت بیشتری دارد تا آبی (همانطور که در تابع درخشندگی نشان داده شده است).

به دلیل سادگی ساخت، روش فسفر همچنان محبوب ترین روش برای ساخت LED های سفید با شدت بالا است. طراحی و تولید منبع نور یا فیکسچر نور با استفاده از امیتر تک رنگ با تبدیل فسفر ساده‌تر و ارزان‌تر از یک سیستم پیچیده RGB است و اکثر LED‌های سفید با شدت بالا در حال حاضر در بازار با استفاده از تبدیل نور فسفر تولید می‌شوند.

از جمله چالش هایی که برای بهبود کارایی منابع نور سفید مبتنی بر LED با آن مواجه است، توسعه فسفرهای کارآمدتر است. از سال 2010، کارآمدترین فسفر زرد همچنان فسفر YAG است، با کمتر از 10 درصد کاهش شیفت استوکس. تلفات مربوط به تلفات نوری داخلی ناشی از جذب مجدد در تراشه LED و خود بسته بندی LED معمولاً 10 تا 30 درصد دیگر از افت بازده را شامل می شود. در حال حاضر، در زمینه توسعه LED فسفر، تلاش زیادی برای بهینه سازی این دستگاه ها برای خروجی نور بالاتر و دمای عملیات بالاتر انجام می شود. به عنوان مثال، کارایی را می توان با تطبیق طراحی بسته بندی بهتر یا با استفاده از نوع مناسب تر فسفر افزایش داد. فرآیند پوشش منسجم اغلب برای رسیدگی به موضوع ضخامت های مختلف فسفر استفاده می شود.

برخی از LED های سفید مبتنی بر فسفر، LED های آبی InGaN را در داخل اپوکسی پوشش داده شده با فسفر محصور می کنند. از طرف دیگر، LED ممکن است با یک فسفر از راه دور، یک قطعه پلی کربنات از پیش ساخته شده که با مواد فسفر پوشانده شده است، جفت شود. فسفرهای راه دور نور پراکنده بیشتری را فراهم می کنند که برای بسیاری از کاربردها مطلوب است. طرح های فسفر از راه دور نیز نسبت به تغییرات در طیف انتشار LED تحمل بیشتری دارند. یک ماده فسفر زرد متداول ، گارنت آلومینیوم ایتریوم دوپ شده با سریم است (Ce 3+ :YAG).

ال ای دی های سفید را می توان با پوشاندن ال ای دی های نزدیک به اشعه ماوراء بنفش (NUV) با مخلوطی از فسفرهای مبتنی بر یوروپیوم با کارایی بالا که قرمز و آبی ساطع می کنند، به علاوه سولفید روی دوپ شده با مس و آلومینیوم (ZnS:Cu، Al) که سبز منتشر می کند، ساخت. . این روشی مشابه نحوه کار لامپ های فلورسنت است . این روش نسبت به LED های آبی با فسفر YAG:Ce کارایی کمتری دارد، زیرا شیفت استوکس بزرگتر است، بنابراین انرژی بیشتری به گرما تبدیل می شود، اما نوری با ویژگی های طیفی بهتر تولید می کند که رنگ را بهتر نشان می دهد. با توجه به خروجی تابش بالاتر LED های فرابنفش نسبت به LED های آبی، هر دو روش روشنایی قابل مقایسه ای را ارائه می دهند. یک نگرانی این است که نور ماوراء بنفش ممکن است از یک منبع نوری نادرست نشت کند و به چشم یا پوست انسان آسیب برساند.

سبک جدیدی از ویفرهای متشکل از گالیوم-نیترید-روی-سیلیکون (GaN-on-Si) برای تولید ال ای دی های سفید با استفاده از ویفرهای سیلیکونی 200 میلی متری استفاده می شود. این امر از بستر گران قیمت یاقوت کبود در اندازه های نسبتاً کوچک ویفر 100 یا 150 میلی متری جلوگیری می کند. دستگاه یاقوت کبود باید با یک جمع کننده آینه مانند همراه شود تا نوری را که در غیر این صورت تلف می شود منعکس کند. پیش‌بینی شده بود که از سال 2020، 40 درصد از تمام LED‌های GaN با GaN-on-Si ساخته می‌شوند. ساخت مواد بزرگ یاقوت کبود دشوار است، در حالی که مواد سیلیکونی بزرگ ارزان تر و فراوان تر است. تغییر شرکت های LED از استفاده از یاقوت کبود به سیلیکون در حال سرمایه گذاری هستند.

ال ای دی های سفید مخلوط

LED های RGBW که واحدهای RGB را با یک LED سفید فسفری ترکیب می کنند در بازار وجود دارد. با انجام این کار، رنگ بسیار قابل تنظیم RGB LED حفظ می شود، اما اجازه می دهد تا زمانی که رنگی نزدیک به سفید انتخاب می شود، رندر رنگ و کارایی بهینه شود.

برخی از واحدهای ال ای دی سفید فسفری “سفید قابل تنظیم” هستند که دو درجه حرارت رنگ (معمولاً 2700K و 6500K) را برای تولید مقادیر میانی ترکیب می کنند. این ویژگی به کاربران این امکان را می دهد که نور را متناسب با استفاده فعلی یک اتاق چند منظوره تغییر دهند. همانطور که توسط یک خط مستقیم در نمودار رنگی نشان داده شده است، ترکیبات ساده دو سفید دارای یک سوگیری صورتی هستند که در وسط شدیدتر می شود. مقدار کمی نور سبز که توسط LED دیگری ارائه می شود، می تواند مشکل را برطرف کند. برخی از محصولات RGBWW، یعنی RGBW با رنگ سفید قابل تنظیم هستند.

آخرین کلاس از LED سفید با نور مخلوط، کم به گرم است. اینها لامپ های LED سفید معمولی 2700K با یک LED قرمز کوچک هستند که وقتی لامپ کم نور می شود روشن می شود. انجام این کار باعث می شود که رنگ گرم تر شود و شبیه لامپ رشته ای باشد.

سایر ال ای دی های سفید

روش دیگری که برای تولید LEDهای آزمایشی نور سفید استفاده می‌شود، اصلاً از فسفر استفاده نمی‌کرد و مبتنی بر سلنید روی هماپیتاکسیال (ZnSe) روی یک بستر ZnSe بود که به طور همزمان نور آبی را از ناحیه فعال خود و نور زرد را از بستر ساطع می‌کرد.

دیودهای ساطع نور ارگانیک (OLED)

در یک دیود ساطع کننده نور آلی ( OLED )، ماده الکترولومینسانس تشکیل دهنده لایه تابشی دیود یک ترکیب آلی است . مواد آلی به دلیل جابجایی الکترون‌های پی که در اثر مزدوج شدن روی تمام یا بخشی از مولکول ایجاد می‌شود، رسانای الکتریکی هستند و بنابراین این ماده به‌عنوان یک نیمه‌رسانای آلی عمل می‌کند . مواد آلی می توانند مولکول های آلی کوچک در فاز کریستالی یا پلیمرها باشند .

از مزایای بالقوه OLED ها می توان به نمایشگرهای نازک و کم هزینه با ولتاژ رانندگی پایین، زاویه دید وسیع، کنتراست و طیف رنگی بالا اشاره کرد . ال ای دی های پلیمری مزایای اضافی نمایشگرهای قابل چاپ و انعطاف پذیر را دارند. OLED برای ساخت نمایشگرهای بصری برای دستگاه های الکترونیکی قابل حمل مانند تلفن های همراه، دوربین های دیجیتال، روشنایی و تلویزیون استفاده شده است.

دیودهای ساطع نور پروسکایت (PeLED)

دیودهای ساطع کننده نور پروسکایت (PeLED) به عنوان نامزدهای امیدوارکننده ای برای فناوری های نمایشگر و نورپردازی نسل بعدی ظاهر شده اند. در سال‌های اخیر، محققان علاقه فزاینده‌ای به دیودهای ساطع نور پروسکایت (PeLED) نشان داده‌اند که به دلیل ظرفیت آنها برای انتشار نور با پهنای باند باریک ، طیف قابل تنظیم ، توانایی ارائه خلوص رنگ بالا و ساخت محلول مقرون‌به‌صرفه است.

PeLED های سبز

وقتی صحبت از کارایی می شود، PeLED ها از دیودهای ساطع نور آلی تجاری ( OLED ) پیشی نگرفته اند، زیرا پارامترهای حیاتی خاص، مانند حمل و نقل حامل بار و راندمان کوپلینگ خروجی نوری، به طور کامل بهینه نشده اند.

در پاسخ به این چالش، توسعه PeLED های سبز فوق العاده کارآمد با راندمان کوانتومی خارجی (EQE) بیش از نقطه عطف قابل توجه 30 درصد توسط بای و همکارانش در 29 می 2023 گزارش شد. این دستاورد توسط استراتژیک انجام شد. تنظیمات در حمل و نقل حامل بار و توزیع نور میدان نزدیک. این بهینه‌سازی‌ها به طور موثر نشت الکترون را کاهش داده و منجر به راندمان اتصال نور خروجی استثنایی 41.82٪ می‌شود. یک فیلم Ni 0.9 Mg 0.1 Ox با ضریب شکست بالا و افزایش تحرک حامل سوراخ به عنوان لایه تزریق سوراخ برای متعادل کردن تزریق حامل بار استفاده شد و یک لایه پلی اتیلن گلیکول بین لایه انتقال سوراخ و لایه انتشار پروسکایت برای جلوگیری از الکترون قرار داده شد که باعث به حداقل رساندن نشت و تلفات فوتون شد.

ساختار اصلاح شده PeLED سبز آن را قادر می سازد تا بازده کوانتومی خارجی 30.84 درصد (با میانگین 0.77 ± 29.05 درصد) در سطح روشنایی 6514 cd/m2 به رکورد جهانی برسد . این کار پیشگام، یک رویکرد قانع‌کننده را برای ساختن PeLED‌های فوق کارآمد با متعادل کردن مؤثر نوترکیب الکترون-حفره و افزایش برون کوپلینگ نور معرفی می‌کند.

با این حال، گسترش منطقه موثر LED های پروسکایت می تواند منجر به کاهش قابل توجهی در عملکرد آنها شود. برای پرداختن به این موضوع، سان و همکاران L-متیونین (NVAL) را برای ساخت یک فاز میانی با آنتالپی سازند کم و هماهنگی COO معرفی کردند . این فاز میانی جدید مسیر تبلور را تغییر داد و به طور موثری جداسازی فاز را مهار کرد. در نتیجه، فیلم‌های پروسکایت شبه دو بعدی با کیفیت بالا به دست آمد. آنها دینامیک ترکیبی فیلم را بیشتر تنظیم کردند که منجر به LEDهای سبز پروسکایت شبه دو بعدی با کارایی بالا با مساحت موثر 9.0 سانتی متر مربع شد . بازده کوانتومی خارجی (EQE) 16.4٪ در = 3 به دست آمد که آن را به کارآمدترین LED پروسکایت با مساحت بزرگ تبدیل می کند. علاوه بر این، درخشندگی 9.1×104 cd/m2 در = 10 فیلم به دست آمد.

PeLED های آبی

در 16 مارس 2023، ژو و همکاران مطالعه‌ای را منتشر کرد که کنترل موفقیت‌آمیز رفتار یونی را برای ایجاد دیودهای تابش نور پروسکایت آبی آسمانی بسیار کارآمد نشان داد. آنها با استفاده از یک غیرفعال کننده دو کاره ، که از آنیون های اسید بنزوئیک پایه لوئیس و کاتیون های فلز قلیایی تشکیل شده بود، به این امر دست یافتند. این غیرفعال کننده نقش دوگانه ای داشت: به طور موثر اتم سرب کمبود را غیرفعال می کرد در حالی که از مهاجرت یون های هالید جلوگیری می کرد. نتیجه این رویکرد نوآورانه، تحقق یک LED کارآمد پروسکایت بود که نور را در طول موج پایدار 483 نانومتر ساطع می کرد. LED راندمان کوانتومی خارجی (EQE) 16.58% را با حداکثر EQE به 18.65% نشان داد. از طریق بهبود کوپلینگ نوری، EQE بیشتر به 28.82٪ افزایش یافت.

PeLED های قرمز

یکی از حیاتی ترین جنبه های تکنولوژی نورپردازی و نمایشگر، تولید کارآمد انتشار قرمز است. پروسکایت‌های شبه دو بعدی پتانسیل راندمان انتشار بالا را به دلیل محصور شدن حامل قوی نشان داده‌اند. با این حال، بازده کوانتومی خارجی (EQE) بیشتر PeLED های شبه دو بعدی قرمز به دلیل فازهای n-value مختلف در فیلم های پیچیده پروسکایت شبه دو بعدی بهینه نیست.

برای پرداختن به این چالش، جیانگ و همکاران یافته های خود را در Advanced Materials در 20 ژوئیه 2022 منتشر کردند. تحقیقات آنها بر ترکیب استراتژیک کاتیون های بزرگ برای افزایش کارایی LED های پروسکایت نور قرمز متمرکز بود. با معرفی فنتیل آمونیوم یدید (PEAI) / یدید 3-فلوروفنیل اتیل آمونیوم (mF-PEA) و یدید 1-نفتیل متیل آمونیوم (NMAI)، آنها به کنترل دقیقی بر توزیع فاز مواد پروسکایت شبه 2 بعدی دست یافتند. این رویکرد به طور موثر شیوع فازهای شاخص n کوچکتر را کاهش داد و همزمان نقص های سرب و هالید در فیلم های پروسکایت را برطرف کرد. نتیجه این تحقیق توسعه LED های پروسکایتی با قابلیت دستیابی به EQE 25.8٪ در 680 نانومتر، همراه با حداکثر روشنایی 1300 cd/m2 بود .

PeLED های سفید

LED پروسکایت سفید با کارایی بالا با راندمان استخراج نور بالا می تواند از طریق کوپلینگ نوری میدان نزدیک ساخته شود. جفت نوری میدان نزدیک بین دیود پروسکایت آبی و نانو کریستال پروسکایت قرمز توسط یک الکترود شفاف چند لایه با طراحی منطقی (LiF/Al/Ag/LiF) به دست آمد. لایه نانو کریستالی پروسکایت قرمز اجازه می دهد تا حالت موجبر و حالت پلاریزاسیون پلاسمون سطحی که در دیود پروسکایت آبی گرفته شده است استخراج و به تابش نور قرمز تبدیل شود و بازده استخراج نور را تا 50 درصد افزایش دهد. در عین حال، طیف‌های نشر مکمل فوتون‌های آبی و فوتون‌های قرمز تبدیل به پایین به تشکیل LED‌های سفید کمک می‌کنند. در نهایت، راندمان کوانتومی خارج از دستگاه بیش از 12٪ است و روشنایی از 2000cd/m2 فراتر می رود که هر دو بالاترین میزان در PeLED های سفید هستند.

طول عمر

تهیه فیلم‌های پروسکایتی تمام معدنی با کیفیت بالا از طریق روش‌های مبتنی بر محلول همچنان یک چالش بزرگ است که در درجه اول به تبلور سریع و غیرقابل کنترل چنین موادی نسبت داده می‌شود. نوآوری کلیدی شامل کنترل جهت کریستالی پروسکایت تمام معدنی در امتداد صفحه (110) از طریق فرآیند بازپخت در دمای پایین (35-40 درجه سانتیگراد) بود. این کنترل دقیق منجر به چیدمان منظم کریستال ها شد که به طور قابل توجهی پوشش سطح را افزایش داد و عیوب درون مواد را کاهش داد. پس از بهینه‌سازی کامل، LED پروسکایت CsPbBr 3 به بازده کوانتومی خارجی (EQE) تا 16.45 درصد، روشنایی قابل‌توجه 79932 cd/m2 و طول عمر 136 ساعت در ابتدا در سطح روشنایی 136 ساعت دست یافت.

در 20 سپتامبر 2021، تیمی به رهبری Sargent et.al از دانشگاه تورنتو یافته های تحقیقاتی خود را به نام نقاط کوانتومی پروسکایت در یک ماتریس پروسکایت در مجله انجمن شیمی آمریکا (JACS) در مورد دیودهای ساطع نور روشن و پایدار (LED) منتشر کردند. این تحقیق گزارش داد که نقاط کوانتومی پروسکایت در یک لایه نازک محلول پیشرو پروسکایت پایدار می‌مانند و با استفاده از نقاط کوانتومی کرنش به عنوان مراکز هسته‌زایی، تبلور یکنواخت ماتریس پروسکایت را هدایت می‌کنند. هم ترازی باند نوع I تضمین می کند که نقاط کوانتومی به عنوان گیرنده بار و ساطع کننده تابش عمل می کنند.

ماده جدید بازترکیب بیکسیتون اوگر و درخشندگی درخشان را حتی در تحریک بالا (600 W/cm2) نشان می‌دهد . LED های قرمز رنگ مبتنی بر مواد جدید، بازده کوانتومی خارجی 18% را نشان می دهند و عملکرد بالایی را در روشنایی بیش از 4700 cd/m2 حفظ می کنند . مواد جدید نیمه عمر کارکرد LED را با روشنایی اولیه 100 cd/m2 به 2400 ساعت افزایش می دهد .

انواع

LED ها در بسته بندی های مختلف برای کاربردهای مختلف ساخته می شوند. یک یا چند اتصال LED ممکن است در یک دستگاه مینیاتوری برای استفاده به عنوان نشانگر یا چراغ راهنما بسته بندی شوند. یک آرایه LED ممکن است شامل مدارهای کنترل کننده در همان بسته باشد که ممکن است از یک مقاومت ساده چشمک زن یا کنترل تغییر رنگ یا یک کنترل کننده آدرس پذیر برای دستگاه های RGB باشد. دستگاه های پرقدرت ساطع کننده سفید روی سینک های حرارتی نصب می شوند و برای روشنایی استفاده می شوند. نمایشگرهای الفبایی در قالب های ماتریس نقطه ای یا نواری به طور گسترده در دسترس هستند. بسته های ویژه اجازه اتصال LED ها به فیبرهای نوری را برای لینک های ارتباطی داده با سرعت بالا می دهند.

مینیاتور

اینها بیشتر LEDهای تک دای هستند که به عنوان نشانگر استفاده می شوند و در اندازه های مختلف از 2 میلی متر تا 8 میلی متر، بسته های DIP و SMD هستند .

شکل‌های رایج بسته شامل گرد، با بالا گنبدی یا مسطح، مستطیل با بالا صاف (همانطور که در نمایشگرهای نمودار میله‌ای استفاده می‌شود) و مثلثی یا مربعی با بالای صاف است. محفظه همچنین ممکن است شفاف یا رنگی باشد تا کنتراست و زاویه دید را بهبود بخشد. دستگاه‌های مادون قرمز ممکن است رنگ سیاهی داشته باشند تا هنگام عبور تابش مادون قرمز، نور مرئی را مسدود کند.

LED های با خروجی فوق العاده بالا برای مشاهده در نور مستقیم خورشید طراحی شده اند.

ال ای دی های 5 ولت و 12 ولت ال ای دی های مینیاتوری معمولی هستند که دارای یک مقاومت سری برای اتصال مستقیم به منبع تغذیه 5  ولت یا 12  ولت هستند.

قدرت بالا

ال‌ای‌دی‌های پرقدرت (HP-LED) یا ال‌ای‌دی‌های با خروجی بالا (HO-LED) را می‌توان در جریان‌هایی از صدها میلی آمپر تا بیش از یک آمپر هدایت کرد، در مقایسه با ده‌ها میلی آمپر برای LED‌های دیگر. برخی از آنها می توانند بیش از هزار لومن ساطع کنند. چگالی توان LED تا 300 W/cm2 به دست آمده است. از آنجایی که گرمای بیش از حد مخرب است، HP-LED ها باید بر روی یک هیت سینک نصب شوند تا امکان دفع گرما فراهم شود. اگر گرمای یک HP-LED حذف نشود، دستگاه در عرض چند ثانیه از کار می افتد. یک HP-LED اغلب می تواند جایگزین یک لامپ رشته ای در چراغ قوه شود، یا در یک آرایه تنظیم شود تا یک لامپ LED قدرتمند را تشکیل دهد .

برخی از HP-LED های شناخته شده در این دسته عبارتند از سری Nichia 19، Lumileds Rebel Led، Osram Opto Semiconductors Golden Dragon و Cree X-lamp. از سپتامبر 2009، برخی از HP-LED های تولید شده توسط Cree اکنون بیش از 105 لیتر بر وات است.

نمونه هایی برای قانون هایتز – که افزایش تصاعدی در بازده نور و کارایی LED ها را در طول زمان پیش بینی می کند – LED های سری CREE XP-G هستند که در سال 2009 به 105 lm/W رسید و سری Nichia 19 با کارایی معمولی 140 lm/W، منتشر شده در سال 2010.

AC-drive

LED های توسعه یافته توسط Seoul Semiconductor می توانند با برق AC بدون مبدل DC کار کنند. برای هر نیم چرخه، بخشی از LED نور ساطع می کند و بخشی تاریک است و این در نیم چرخه بعدی برعکس می شود. راندمان این نوع HP-LED به طور معمول 40  lm/W است. تعداد زیادی از عناصر LED به صورت سری ممکن است بتوانند مستقیماً از ولتاژ خط کار کنند. در سال 2009، Seoul Semiconductor یک LED با ولتاژ DC بالا به نام “Acrich MJT” منتشر کرد که می‌توانست از برق متناوب با یک مدار کنترل ساده هدایت شود. اتلاف انرژی کم این ال ای دی ها نسبت به طرح اصلی AC LED انعطاف پذیری بیشتری به آنها می دهد.

نوار

نوار LED ، نوار یا چراغ روبانی، یک برد مدار انعطاف پذیر است که توسط دیودهای ساطع نور روی سطح (ال ای دی های SMD) و سایر اجزای تشکیل شده است که معمولاً دارای یک پشتی چسبنده است. چراغ های نواری LED در اوایل دهه 2000 به وجود آمدند. از آن زمان، افزایش کارایی نوری و SMD های با قدرت بالاتر به آنها اجازه می دهد تا در کاربردهایی مانند روشنایی کاری با روشنایی بالا، جایگزینی وسایل روشنایی فلورسنت و هالوژن، کاربردهای نور غیر مستقیم، بازرسی اشعه ماوراء بنفش در طول فرآیندهای تولید، طراحی صحنه و لباس و رشد گیاهان استفاده شوند.

استفاده های خاص

LED های چشمک زن

به عنوان نشانگرهای جلب توجه بدون نیاز به وسایل الکترونیکی خارجی استفاده می شوند. LED های چشمک زن شبیه LED های استاندارد هستند اما دارای یک تنظیم کننده ولتاژ یکپارچه و یک مدار مولتی ویبراتور هستند که باعث می شود LED با یک دوره معمولی یک ثانیه چشمک بزند. در LED های عدسی پراکنده، این مدار به صورت یک نقطه سیاه کوچک قابل مشاهده است. بیشتر LED های چشمک زن نور یک رنگ ساطع می کنند، اما دستگاه های پیچیده تر می توانند بین چندین رنگ چشمک بزنند و حتی با استفاده از ترکیب رنگ RGB در یک توالی رنگ محو شوند. LED های SMD چشمک زن در 0805 و سایر فرمت های اندازه از اوایل سال 2019 در دسترس بوده اند.

سوسو زدن

الکترونیک یکپارچه مدارهای الکترونیکی ساده ادغام شده در بسته ال ای دی حداقل از سال 2011 وجود داشته است که یک الگوی شدت LED تصادفی ایجاد می کند که یادآور یک شمع سوسوزن است . مهندسی معکوس در سال 2024 پیشنهاد کرده است که برخی از LEDهای سوسوزن با حالت خواب و بیداری خودکار ممکن است از یک میکروکنترلر 8 بیتی یکپارچه برای چنین عملکردی استفاده کنند.

دو رنگ

ال ای دی های دو رنگ شامل دو ساطع کننده LED مختلف در یک مورد هستند. دو نوع از اینها وجود دارد. یک نوع از دو قالب تشکیل شده است که به همان دو لید به صورت ضد موازی با یکدیگر متصل می شوند. جریان در یک جهت یک رنگ و جریان در جهت مخالف رنگ دیگر را ساطع می کند. نوع دیگر شامل دو قالب با سرب مجزا برای هر دو قالب و سرب دیگر برای آند یا کاتد مشترک است تا بتوان آنها را به طور مستقل کنترل کرد. رایج ترین ترکیب دو رنگ قرمز/سبز سنتی است . سایر موارد عبارتند از کهربایی/سبز سنتی، قرمز/سبز خالص، قرمز/آبی و آبی/سبز خالص.

سه رنگ RGB

ال‌ای‌دی‌های سه‌رنگ شامل سه فرستنده ال‌ای‌دی مختلف در یک مورد هستند. هر قطره چکان به یک سرب جداگانه متصل است تا بتوان آنها را به طور مستقل کنترل کرد. آرایش چهار لید معمولی با یک سرب مشترک (آند یا کاتد) و یک سرب اضافی برای هر رنگ است. برخی دیگر تنها دو سرنخ (مثبت و منفی) دارند و یک کنترلر الکترونیکی داخلی دارند. LED های RGB از یک LED قرمز، یک سبز و یک LED آبی تشکیل شده اند. با تنظیم مستقل هر یک از این سه، LED های RGB قادر به تولید طیف رنگی گسترده ای هستند. برخلاف LED های رنگی اختصاصی، اینها طول موج خالص تولید نمی کنند. ممکن است ماژول ها برای مخلوط کردن رنگ صاف بهینه نشده باشند.

تزئینی

رنگ ال ای دی های تزئینی رنگ دارای چند قطره چکان با رنگ های مختلف هستند که تنها توسط دو سیم خروجی عرضه می شوند. رنگ ها به صورت داخلی با تغییر ولتاژ تغذیه سوئیچ می شوند.

الفبایی

ال‌ای‌دی‌های الفبایی عددی در قالب‌های هفت بخش ، ستاره‌باران و ماتریس نقطه‌ای موجود هستند . نمایشگرهای هفت قسمتی همه اعداد و مجموعه محدودی از حروف را کنترل می کنند. نمایشگرهای Starburst می توانند همه حروف را نمایش دهند. نمایشگرهای ماتریس نقطه ای معمولاً از 5×7 پیکسل در هر کاراکتر استفاده می کنند. نمایشگرهای LED هفت بخش در دهه های 1970 و 1980 به طور گسترده مورد استفاده قرار می گرفتند، اما افزایش استفاده از نمایشگرهای کریستال مایع ، با نیاز به انرژی کمتر و انعطاف پذیری بیشتر نمایشگر، محبوبیت نمایشگرهای LED عددی و الفبایی را کاهش داده است.

RGB دیجیتال

LED های دیجیتال آدرس پذیر RGB حاوی الکترونیک کنترل “هوشمند” خود هستند. اینها علاوه بر برق و زمین، اتصالات ورودی، خروجی داده، ساعت و گاهی اوقات سیگنال بارق را فراهم می کنند. اینها در یک زنجیر به هم متصل می شوند که به LED های جداگانه در یک نور نوار LED طولانی اجازه می دهد تا به راحتی توسط یک میکروکنترلر کنترل شوند. داده های ارسال شده به اولین LED زنجیره می تواند روشنایی و رنگ هر LED را مستقل از بقیه کنترل کند. آنها در جایی استفاده می شوند که ترکیبی از حداکثر کنترل و حداقل وسایل الکترونیکی قابل مشاهده مانند رشته های کریسمس و ماتریس های LED مورد نیاز است. حتی برخی از آنها دارای نرخ تازه‌سازی در محدوده کیلوهرتز هستند که امکان استفاده از برنامه‌های ویدیویی را فراهم می‌کند. این دستگاه ها با شماره قطعه ( متداول بودن WS2812 ) یا نام تجاری مانند NeoPixel شناخته می شوند .

رشته

یک فیلامنت LED از چندین تراشه LED تشکیل شده است که به صورت سری روی یک بستر طولی مشترک متصل شده اند که یک میله نازک را تشکیل می دهد که یادآور یک لامپ رشته ای سنتی است. این لامپ‌ها به‌عنوان یک جایگزین تزئینی کم‌هزینه برای لامپ‌های سنتی که در بسیاری از کشورها در حال حذف شدن هستند، استفاده می‌شوند. رشته ها از ولتاژ نسبتاً بالایی استفاده می کنند و به آنها اجازه می دهد تا با ولتاژهای شبکه به طور موثر کار کنند. اغلب از یکسوساز ساده و محدودکننده جریان خازنی برای ایجاد جایگزینی کم‌هزینه برای یک لامپ سنتی بدون پیچیدگی مبدل ولتاژ پایین و جریان بالا که LEDهای تک دای به آن نیاز دارند، استفاده می‌شود. معمولاً، آنها را در لامپ هایی شبیه به لامپ هایی که برای جایگزینی طراحی شده بودند، بسته بندی می کنند و با گاز بی اثر با فشار کمی پایین تر از محیط پر می شوند تا گرما را به طور موثر حذف کنند و از خوردگی جلوگیری کنند.

آرایه های چیپ

روی برد ال‌ای‌دی‌های نصب‌شده روی سطح اغلب در آرایه‌های تراشه‌ای (COB) تولید می‌شوند که اجازه اتلاف گرما را بهتر از یک LED با خروجی نوری مشابه می‌دهند. LED ها را می توان در اطراف یک استوانه مرتب کرد و به دلیل ردیف هایی از LED های زرد، “چراغ های بلال ذرت” نامیده می شوند.

ملاحظات برای استفاده

منابع برق

جریان در یک LED یا سایر دیودها به صورت تصاعدی با ولتاژ اعمال شده افزایش می یابد (به معادله دیود شاکلی مراجعه کنید )، بنابراین یک تغییر کوچک در ولتاژ می تواند باعث تغییر زیادی در جریان شود. جریان عبوری از LED باید توسط یک مدار خارجی مانند منبع جریان ثابت تنظیم شود تا از آسیب جلوگیری شود. از آنجایی که اغلب منابع تغذیه رایج منابع ولتاژ ثابت (تقریباً) هستند، وسایل LED باید دارای مبدل برق یا حداقل یک مقاومت محدود کننده جریان باشند. در برخی از کاربردها، مقاومت داخلی باتری های کوچک برای حفظ جریان در محدوده درجه بندی LED کافی است.

قطبیت الکتریکی

برخلاف لامپ‌های رشته‌ای سنتی، LED فقط زمانی روشن می‌شود که ولتاژ در جهت جلوی دیود اعمال شود. اگر ولتاژ در جهت معکوس اعمال شود، جریانی جریان ندارد و نوری ساطع نمی شود. اگر ولتاژ معکوس از ولتاژ شکست که معمولاً حدود پنج ولت است بیشتر شود، جریان زیادی جریان می یابد و LED آسیب می بیند. اگر جریان معکوس به اندازه کافی برای جلوگیری از آسیب محدود باشد، LED رسانای معکوس یک دیود نویز مفید است .

طبق تعریف، شکاف باند انرژی هر دیود در حالت بایاس معکوس بیشتر از بایاس رو به جلو است. از آنجایی که انرژی شکاف نواری طول موج نور ساطع شده را تعیین می کند، رنگ در هنگام بایاس معکوس نمی تواند یکسان باشد. ولتاژ شکست معکوس به قدری زیاد است که طول موج ساطع شده نمی تواند به اندازه ای مشابه باشد که همچنان قابل مشاهده باشد. اگرچه بسته‌های LED دوگانه‌ای وجود دارند که حاوی یک LED رنگی متفاوت در هر جهت هستند، انتظار نمی‌رود که هر عنصر LED واحدی بتواند نور مرئی را هنگام بایاس معکوس ساطع کند.

مشخص نیست که آیا دیود زنر می تواند وجود داشته باشد که فقط در حالت بایاس معکوس نور ساطع کند. به طور منحصر به فرد، این نوع LED هنگام اتصال به عقب هدایت می شود.

ایمنی و بهداشت

برخی از ال ای دی های آبی و ال ای دی های سرد-سفید می توانند از محدودیت های ایمن خطر به اصطلاح نور آبی که در مشخصات ایمنی چشم تعریف شده است تجاوز کنند. یک مطالعه شواهدی از خطر در استفاده معمولی در روشنایی خانگی را نشان نداد، و احتیاط فقط برای موقعیت‌های شغلی خاص یا برای جمعیت‌های خاص مورد نیاز است. در سال 2006، کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک IEC 62471 ایمنی فتوبیولوژیکی لامپ‌ها و سیستم‌های لامپ را منتشر کرد که جایگزین استفاده از استانداردهای اولیه لیزر محور برای طبقه‌بندی منابع LED شد.

در حالی که ال ای دی ها نسبت به لامپ های فلورسنت مزیت دارند ، زیرا حاوی جیوه نیستند ، ممکن است حاوی فلزات خطرناک دیگری مانند سرب و آرسنیک باشند .

در سال 2016، انجمن پزشکی آمریکا (AMA) بیانیه‌ای درباره تأثیر نامطلوب احتمالی نور آبی مایل به آبی خیابان بر چرخه خواب و بیداری ساکنان شهر صادر کرد. منتقدان صنعت ادعا می‌کنند که سطح قرار گرفتن در معرض آنقدر بالا نیست که اثر قابل‌توجهی داشته باشد.

مزایا

• کارایی: LED ها در هر وات لومن بیشتری نسبت به لامپ های رشته ای ساطع می کنند. کارایی وسایل روشنایی LED بر خلاف لامپ ها یا لوله های فلورسنت تحت تأثیر شکل و اندازه نیست.
• رنگ: LED ها می توانند نور رنگ مورد نظر را بدون استفاده از فیلترهای رنگی که روش های نورپردازی سنتی نیاز دارند، ساطع کنند. این کارآمدتر است و می تواند هزینه های اولیه را کاهش دهد.
• اندازه: LED ها می توانند بسیار کوچک باشند (کوچکتر از 2 میلی متر مربع ) و به راحتی به بردهای مدار چاپی متصل می شوند.
• روشن شدن به موقع: LED ها بسیار سریع روشن می شوند. یک LED نشانگر قرمز معمولی در کمتر از یک میکروثانیه به روشنایی کامل می رسد . LED های مورد استفاده در دستگاه های ارتباطی می توانند حتی زمان پاسخگویی سریع تری داشته باشند.
• دوچرخه‌سواری: ال‌ای‌دی‌ها برای استفاده‌هایی ایده‌آل هستند که در معرض چرخه‌های روشن و خاموش مکرر هستند، بر خلاف لامپ‌های رشته‌ای و فلورسنت که با چرخه‌های مکرر سریع‌تر از کار می‌افتند یا لامپ‌های تخلیه با شدت بالا (لامپ‌های HID) که نیاز به زمان طولانی برای گرم شدن تا خروجی کامل دارند. در صورت راه اندازی مجدد، قبل از روشن شدن مجدد آنها خنک شوند.
• کم نور: LED ها را می توان به راحتی با مدولاسیون عرض پالس یا کاهش جریان رو به جلو کم نور کرد. این مدولاسیون عرض پالس به همین دلیل است که چراغ‌های LED، به‌ویژه چراغ‌های جلو در اتومبیل‌ها، هنگامی که در دوربین یا توسط برخی افراد مشاهده می‌شوند، به نظر می‌رسد چشمک می‌زنند یا سوسو می‌زنند. این یک نوع اثر استروبوسکوپی است .
• نور خنک: برخلاف اکثر منابع نور، LED ها گرمای بسیار کمی را به شکل مادون قرمز ساطع می کنند که می تواند به اشیاء یا پارچه های حساس آسیب برساند. انرژی تلف شده به صورت گرما از طریق پایه LED پخش می شود.
• خرابی آهسته: ال ای دی ها عمدتاً با کم نور شدن در طول زمان به جای خرابی ناگهانی لامپ های رشته ای از کار می افتند.
• طول عمر: LED ها می توانند عمر مفید نسبتا طولانی داشته باشند. یک گزارش 35000 تا 50000 ساعت عمر مفید تخمین می زند، اگرچه زمان تا شکست کامل ممکن است کوتاه تر یا طولانی تر باشد. لوله های فلورسنت معمولاً در حدود 10000 تا 25000 ساعت، بسته به شرایط استفاده، و لامپ های رشته ای در 1000 تا 2000 ساعت رتبه بندی می شوند. چندین تظاهرات DOE نشان داده اند که کاهش هزینه های نگهداری از این طول عمر طولانی، به جای صرفه جویی در انرژی، عامل اصلی در تعیین دوره بازپرداخت برای یک محصول LED است.
• مقاومت در برابر ضربه: ال‌ای‌دی‌ها که اجزای حالت جامد هستند، برخلاف لامپ‌های فلورسنت و رشته‌ای که شکننده هستند، به سختی با شوک خارجی آسیب می‌بینند.
• فوکوس: بسته جامد LED را می توان برای تمرکز نور طراحی کرد. منابع رشته ای و فلورسنت اغلب به یک بازتابنده خارجی برای جمع آوری نور و هدایت آن به شیوه ای قابل استفاده نیاز دارند. برای بسته‌های LED بزرگ‌تر، لنزهای بازتاب داخلی کامل (TIR) ​​اغلب با همین اثر استفاده می‌شوند. هنگامی که مقادیر زیادی نور مورد نیاز است، منابع نور زیادی مانند تراشه های LED معمولاً مستقر می شوند که تمرکز یا برخورد روی یک هدف دشوار است.

معایب

• وابستگی به دما: عملکرد LED تا حد زیادی به دمای محیط محیط عملیاتی یا خواص مدیریت حرارتی بستگی دارد. رانندگی بیش از حد یک LED در دمای بالای محیط ممکن است منجر به گرم شدن بیش از حد بسته LED شود و در نهایت منجر به خرابی دستگاه شود. یک هیت سینک کافی برای حفظ عمر طولانی مورد نیاز است. این امر به ویژه در مصارف خودرویی، پزشکی و نظامی که دستگاه‌ها باید در طیف وسیعی از دماها کار کنند و به نرخ خرابی پایین نیاز دارند، مهم است.
• حساسیت ولتاژ: ال ای دی ها باید با ولتاژی بالاتر از ولتاژ آستانه و جریانی کمتر از امتیاز آنها عرضه شوند. جریان و طول عمر با یک تغییر کوچک در ولتاژ اعمال شده به شدت تغییر می کند. بنابراین آنها به یک منبع تنظیم شده جریان نیاز دارند (معمولاً فقط یک مقاومت سری برای LED های نشانگر).
• نمایش رنگ: اکثر LED های سفید سرد دارای طیف هایی هستند که به طور قابل توجهی با یک رادیاتور بدنه سیاه رنگ مانند خورشید یا نور رشته ای متفاوت است. لامپ در 460 نانومتر و شیب در 500 نانومتر می‌تواند باعث شود که رنگ اجسام در زیر نور LED سرد-سفید متفاوت از نور خورشید یا منابع رشته‌ای به نظر برسد، زیرا به دلیل متامریسم ، سطوح قرمز به‌ویژه به‌وسیله‌ی نورهای خنک‌های معمولی مبتنی بر فسفر ضعیف نشان داده می‌شوند. ال ای دی های سفید همین امر در مورد سطوح سبز نیز صادق است. کیفیت نمایش رنگ یک LED با شاخص نمایش رنگ (CRI) اندازه گیری می شود .
• منبع نور منطقه ای: تک ال ای دی ها به یک منبع نور نقطه ای تقریب نمی پردازند که توزیع نور کروی را ارائه می دهد، بلکه یک توزیع لامبرتی است. بنابراین، استفاده از LED برای استفاده هایی که نیاز به میدان نور کروی دارند، دشوار است. میدان های مختلف نور را می توان با استفاده از اپتیک های مختلف یا “عدسی ها” دستکاری کرد. LED ها نمی توانند واگرایی زیر چند درجه را ایجاد کنند.
• آلودگی نوری : از آنجایی که LED های سفید نور با طول موج کوتاه بیشتری نسبت به منابعی مانند لامپ های بخار سدیم پرفشار ساطع می کنند ، افزایش حساسیت آبی و سبز در دید اسکوپیک به این معنی است که LED های سفید استفاده شده در نورپردازی در فضای باز باعث درخشش آسمان بیشتر می شود .
• افت بهره وری : با افزایش جریان الکتریکی، بازده LED ها کاهش می یابد . گرمایش نیز با جریان‌های بالاتر افزایش می‌یابد که عمر LED را به خطر می‌اندازد. این اثرات محدودیت‌های عملی را برای جریان از طریق LED در کاربردهای توان بالا ایجاد می‌کند.
• تأثیر بر حیات وحش: ال‌ای‌دی‌ها برای حشرات بسیار جذاب‌تر از چراغ‌های بخار سدیم هستند، به طوری که نگرانی‌های احتمالی در مورد احتمال اختلال در شبکه‌های غذایی وجود دارد . روشنایی LED در نزدیکی سواحل، به ویژه رنگ‌های آبی و سفید شدید، می‌تواند جوجه‌های لاک‌پشت‌ها را منحرف کند و آنها را به جای سرگردانی در داخل خشکی وادار کند. استفاده از ال‌ای‌دی‌های «روشن‌پردازی ایمن لاک‌پشت» که فقط در بخش‌های باریک طیف مرئی ساطع می‌کنند، توسط گروه‌های محافظه‌کار به منظور کاهش آسیب تشویق می‌شود.
• استفاده در شرایط زمستانی: از آنجایی که در مقایسه با لامپ های رشته ای گرمای زیادی از خود ساطع نمی کنند، چراغ های ال ای دی که برای کنترل ترافیک استفاده می شوند می توانند برف آنها را پنهان کرده و منجر به تصادف شود.
• فرار حرارتی: رشته های موازی LED ها به دلیل تلورانس های تولید در ولتاژ رو به جلو، جریان را به طور یکنواخت به اشتراک نمی گذارند. اجرای دو یا چند رشته از یک منبع جریان ممکن است منجر به خرابی LED با گرم شدن دستگاه شود. اگر باینینگ ولتاژ رو به جلو امکان پذیر نباشد، یک مدار لازم است تا از توزیع یکنواخت جریان بین رشته های موازی اطمینان حاصل شود.

تولید

تولید LED شامل مراحل متعددی از جمله اپیتاکسی، پردازش تراشه، جداسازی تراشه و بسته بندی است.

در یک فرآیند تولید LED معمولی، کپسوله‌سازی پس از کاوش، برش، انتقال قالب از ویفر به بسته‌بندی، و اتصال سیم یا نصب بر روی تراشه انجام می‌شود، شاید با استفاده از اکسید قلع ایندیوم ، یک رسانای الکتریکی شفاف. در این حالت، سیم(های) باند به فیلم ITO که در LED ها رسوب کرده است متصل می شوند.

مدار فلیپ تراشه روی برد (COB) تکنیکی است که می توان از آن برای ساخت LED استفاده کرد.

برنامه های کاربردی

کاربردهای LED به پنج دسته اصلی تقسیم می شوند:

• سیگنال های بصری که در آن نور کم و بیش مستقیماً از منبع به چشم انسان می رود تا پیام یا معنی را منتقل کند.
• روشنایی که در آن نور از اجسام منعکس می شود تا پاسخ بصری این اشیاء را بدهد
• اندازه گیری و تعامل با فرآیندهایی که شامل بینایی انسانی نیست
• حسگرهای نور باند باریک که در آن LED ها در حالت بایاس معکوس عمل می کنند و به نور فرودی به جای ساطع نور پاسخ می دهند
• کشت سرپوشیده، از جمله شاهدانه.

شاخص ها و نشانه ها

مصرف کم انرژی ، تعمیر و نگهداری کم و اندازه کوچک LED ها باعث شده است که از آنها به عنوان نشانگر وضعیت و نمایشگر در انواع تجهیزات و تاسیسات استفاده شود. نمایشگرهای LED با مساحت بزرگ به عنوان نمایشگر استادیوم، نمایشگرهای تزئینی پویا و علائم پیام پویا در بزرگراه ها استفاده می شوند. نمایشگرهای پیام نازک و سبک وزن در فرودگاه ها و ایستگاه های راه آهن و به عنوان نمایشگر مقصد برای قطارها، اتوبوس ها، ترامواها و کشتی ها استفاده می شود.

چراغ های تک رنگ برای چراغ ها و علائم راهنمایی ، علائم خروج ، روشنایی وسایل نقلیه اضطراری ، چراغ های ناوبری کشتی ها و چراغ های کریسمس مبتنی بر LED مناسب است.

LED ها به دلیل عمر طولانی، زمان تعویض سریع و دید در روز روشن به دلیل خروجی و فوکوس بالا، در چراغ های ترمز خودرو و چراغ های راهنما استفاده شده اند. استفاده در ترمزها به دلیل کاهش زیاد زمان لازم برای روشن شدن کامل، یا زمان خیزش سریعتر، حدود 0.1 ثانیه سریعتر [ نیازمند منبع ] نسبت به یک لامپ رشته ای، ایمنی را بهبود می بخشد. این به رانندگان زمان بیشتری برای واکنش می دهد. در یک مدار با شدت دوگانه (نشانگرهای عقب و ترمزها) اگر LED ها با فرکانس کافی سریع پالس نشوند، می توانند یک آرایه فانتوم ایجاد کنند ، جایی که اگر چشم ها به سرعت در سراسر آرایه اسکن شوند، تصاویر شبح LED ظاهر می شوند. چراغ‌های جلوی LED سفید در حال ظاهر شدن هستند. استفاده از ال ای دی دارای مزایای ظاهری است زیرا LED ها می توانند نورهای بسیار نازک تری نسبت به لامپ های رشته ای با بازتابنده های سهمی تشکیل دهند .

به دلیل ارزان بودن نسبی ال ای دی های خروجی کم، از آنها در بسیاری از مصارف موقتی مانند گلو استیک ها و پرتاب کننده ها نیز استفاده می شود. هنرمندان همچنین از LED برای هنر LED استفاده کرده اند .

نورپردازی

با توسعه ال ای دی های پربازده و پرقدرت، امکان استفاده از ال ای دی در روشنایی و روشنایی فراهم شده است. در سال 2008 وزارت انرژی ایالات متحده مسابقه جایزه L را برای تشویق تغییر به لامپ های LED و سایر روشنایی های با راندمان بالا ایجاد کرد . لامپ ال ای دی فیلیپس روشنایی آمریکای شمالی پس از انجام موفقیت آمیز 18 ماه آزمایش فشرده، آزمایشگاهی و محصول، در اولین مسابقه در 3 آگوست 2011 برنده شد.

روشنایی کارآمد برای معماری پایدار مورد نیاز است . از سال 2011، برخی از لامپ های LED تا 150 lm/W و حتی مدل های ارزان قیمت معمولاً بیش از 50 lm/W هستند، به طوری که یک LED 6 وات می تواند نتایجی مشابه یک لامپ رشته ای استاندارد 40 وات داشته باشد. خروجی حرارت کمتر LED ها نیز تقاضا برای سیستم های تهویه مطبوع را کاهش می دهد . در سرتاسر جهان، LED ها به سرعت برای جابجایی منابع کمتر موثر مانند لامپ های رشته ای و CFL و کاهش مصرف انرژی الکتریکی و انتشار آلاینده های مرتبط با آن استفاده می شوند. LED های خورشیدی به عنوان چراغ های خیابانی و در نورپردازی معماری استفاده می شوند .

استحکام مکانیکی و طول عمر طولانی در روشنایی خودرو در اتومبیل ها، موتورسیکلت ها و چراغ های دوچرخه استفاده می شود . چراغ های LED خیابانی روی تیرها و در پارکینگ ها استفاده می شود. در سال 2007، دهکده ایتالیایی توراکا اولین جایی بود که نور خیابان خود را به LED تبدیل کرد.

روشنایی کابین در اخیر هواپیماهای ایرباس و بوئینگ از نورپردازی LED استفاده می کنند. ال ای دی در نورپردازی فرودگاه و هلی کوپتر نیز استفاده می شود. چراغ‌های LED فرودگاه در حال حاضر شامل چراغ‌های باند با شدت متوسط، چراغ‌های خط مرکزی باند، چراغ‌های خط مرکزی و لبه تاکسی‌راه، علائم راهنمایی و روشنایی انسداد هستند.

LED ها همچنین به عنوان منبع نور برای پروژکتورهای DLP ، و برای نور پس زمینه تلویزیون های LCD جدیدتر (به عنوان تلویزیون LED )، مانیتور کامپیوتر (از جمله لپ تاپ ) و ال سی دی های دستگاه های دستی، جایگزین ال سی دی های قدیمی با نور پس زمینه CCFL استفاده می شوند، گرچه با صفحه نمایش های OLED جایگزین می شوند . LED های RGB محدوده رنگ را تا 45 درصد افزایش می دهند. صفحه نمایش تلویزیون و کامپیوتر را می توان با استفاده از LED برای نور پس زمینه نازک تر کرد.

ال ای دی ها کوچک، بادوام هستند و به قدرت کمی نیاز دارند، بنابراین در وسایل دستی مانند چراغ قوه استفاده می شوند . چراغ‌های LED بارق یا فلاش دوربین به جای ولتاژ 250+ ولتی که معمولاً در نورپردازی مبتنی بر لامپ زنون وجود دارد، با ولتاژ ایمن و کم کار می‌کنند . این به ویژه در دوربین های تلفن همراه مفید است ، جایی که فضا در سطح بالایی قرار دارد و مدارهای افزایش دهنده ولتاژ حجیم نامطلوب است.

LED ها برای روشنایی مادون قرمز در مصارف دید در شب از جمله دوربین های امنیتی استفاده می شوند . حلقه ای از LED ها در اطراف یک دوربین فیلمبرداری که به سمت جلو در یک پس زمینه بازتابنده قرار گرفته اند ، به کلیدهای کروما در تولیدات ویدئویی اجازه می دهد .

LED ها در عملیات استخراج به عنوان لامپ درپوش برای تامین نور برای معدنچیان استفاده می شوند. تحقیقاتی برای بهبود LED برای استخراج، کاهش تابش خیره کننده و افزایش روشنایی، کاهش خطر آسیب به معدنچیان انجام شده است.

ال ای دی ها به طور فزاینده ای در کاربردهای پزشکی و آموزشی، به عنوان مثال به عنوان بهبود خلق و خو، کاربرد پیدا می کنند. ناسا حتی از تحقیقات برای استفاده از LED برای ارتقای سلامت فضانوردان حمایت مالی کرده است.

ارتباطات داده و سایر سیگنالینگ ها

از نور می توان برای انتقال داده ها و سیگنال های آنالوگ استفاده کرد. به عنوان مثال، روشنایی LED های سفید را می توان در سیستم هایی استفاده کرد که به افراد کمک می کند تا در فضاهای بسته در حین جستجو در اتاق ها یا اشیاء ضروری حرکت کنند.

دستگاه های گوش دادن کمکی در بسیاری از سالن ها و فضاهای مشابه از آرایه هایی از LED های مادون قرمز برای ارسال صدا به گیرنده های شنوندگان استفاده می کنند. دیودهای ساطع کننده نور (و همچنین لیزرهای نیمه هادی) برای ارسال داده روی بسیاری از انواع کابل فیبر نوری ، از صدای دیجیتال از طریق کابل های TOSLINK گرفته تا پیوندهای فیبری با پهنای باند بسیار بالا که ستون فقرات اینترنت را تشکیل می دهند، استفاده می شود. برای مدتی، رایانه‌ها معمولاً به رابط‌های IrDA مجهز می‌شدند که به آنها اجازه می‌داد تا داده‌ها را از طریق مادون قرمز به ماشین‌های مجاور ارسال و دریافت کنند.

از آنجایی که LED ها می توانند میلیون ها بار در ثانیه روشن و خاموش شوند ، می توان به پهنای باند داده بسیار بالایی دست یافت. به همین دلیل، ارتباطات نور مرئی (VLC) به عنوان جایگزینی برای پهنای باند رادیویی رقابتی فزاینده پیشنهاد شده است. VLC در قسمت قابل مشاهده طیف الکترومغناطیسی عمل می کند، بنابراین داده ها می توانند بدون اشغال فرکانس های ارتباطات رادیویی منتقل شوند.

سیستم های بینایی ماشین

سیستم‌های بینایی ماشین اغلب به نور روشن و همگن نیاز دارند، بنابراین پردازش ویژگی‌های مورد علاقه آسان‌تر است. اغلب از ال ای دی استفاده می شود.

اسکنرهای بارکد رایج ترین نمونه از کاربردهای بینایی ماشین هستند و بسیاری از این اسکنرها به جای لیزر از LED قرمز استفاده می کنند. موس های کامپیوتری نوری از LED به عنوان منبع نور برای دوربین مینیاتوری داخل ماوس استفاده می کنند.

LED ها برای بینایی ماشین مفید هستند زیرا منبع نور فشرده و قابل اعتمادی را ارائه می دهند. لامپ های LED را می توان روشن و خاموش کرد تا با نیازهای سیستم بینایی مطابقت داشته باشد و شکل پرتو تولید شده را می توان متناسب با نیازهای سیستم تنظیم کرد.

تشخیص بیولوژیکی

کشف نوترکیب تابشی در آلیاژهای نیترید گالیم آلومینیوم (AlGaN) توسط آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش ایالات متحده (ARL) منجر به مفهوم سازی دیودهای ساطع نور UV (LED) شد تا در حسگرهای فلورسانس القا شده با نور مورد استفاده برای تشخیص عامل بیولوژیکی قرار گیرند. در سال 2004، مرکز بیولوژیکی شیمیایی Edgewood (ECBC) تلاش برای ایجاد یک آشکارساز بیولوژیکی به نام TAC-BIO را آغاز کرد. این برنامه از منابع نوری UV نیمه هادی (SUVOS) توسعه یافته توسط آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی (دارپا) بهره می برد .

فلورسانس ناشی از اشعه ماوراء بنفش یکی از قوی‌ترین تکنیک‌هایی است که برای تشخیص سریع ذرات بیولوژیکی در زمان واقعی استفاده می‌شود. اولین حسگرهای UV لیزرهایی بودند که فاقد کاربرد کاربردی در میدان بودند. برای رفع این مشکل، دارپا از فناوری SUVOS استفاده کرد تا دستگاهی کم‌هزینه، کوچک، سبک و کم مصرف بسازد. زمان پاسخ آشکارساز TAC-BIO یک دقیقه از زمانی بود که یک عامل بیولوژیکی را حس کرد. همچنین نشان داده شد که آشکارساز را می توان بدون مراقبت در داخل و خارج از منزل برای هفته ها در یک زمان کار کرد.

ذرات بیولوژیکی آئروسل شده فلورسانس می کنند و نور را زیر یک پرتو نور UV پراکنده می کنند. فلورسانس مشاهده شده به طول موج اعمال شده و فلوروفورهای بیوشیمیایی در عامل بیولوژیکی بستگی دارد. فلورسانس ناشی از اشعه ماوراء بنفش راهی سریع، دقیق، کارآمد و از لحاظ لجستیکی عملی برای تشخیص عامل بیولوژیکی ارائه می دهد. این به این دلیل است که استفاده از فلورسانس UV بدون واکنش است، یا فرآیندی است که برای تولید واکنش نیازی به ماده شیمیایی اضافه شده ندارد، بدون مواد مصرفی، یا هیچ محصول جانبی شیمیایی تولید نمی کند.

علاوه بر این، TAC-BIO می تواند به طور قابل اعتمادی بین آئروسل های تهدید و غیرتهدید تمایز قائل شود. ادعا می شد که به اندازه کافی برای تشخیص غلظت های پایین حساس است، اما آنقدر حساس نیست که باعث مثبت کاذب شود. الگوریتم شمارش ذرات مورد استفاده در دستگاه، داده‌های خام را با شمارش پالس‌های فوتون در واحد زمان از آشکارسازهای فلورسانس و پراکندگی و مقایسه مقدار با آستانه تعیین شده، به اطلاعات تبدیل کرد.

TAC-BIO اصلی در سال 2010 معرفی شد، در حالی که نسل دوم TAC-BIO GEN II، در سال 2015 طراحی شد تا مقرون به صرفه تر باشد، زیرا از قطعات پلاستیکی استفاده می شد. طراحی کوچک و سبک آن امکان نصب آن بر روی وسایل نقلیه، ربات ها و وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین را فراهم می کند. دستگاه نسل دوم همچنین می تواند به عنوان یک آشکارساز محیطی برای نظارت بر کیفیت هوا در بیمارستان ها، هواپیماها یا حتی در خانه ها برای تشخیص قارچ و کپک استفاده شود.

برنامه های کاربردی دیگر

نور ال‌ای‌دی‌ها را می‌توان خیلی سریع مدوله کرد، بنابراین از آن‌ها به طور گسترده در فیبر نوری و ارتباطات نوری فضای آزاد استفاده می‌شود . این شامل کنترل‌های از راه دور می‌شود ، مانند دستگاه‌های تلویزیون، جایی که اغلب از LED مادون قرمز استفاده می‌شود. جداسازهای اپتو از یک LED ترکیب شده با یک فوتودیود یا ترانزیستور نوری برای ارائه یک مسیر سیگنال با ایزوله الکتریکی بین دو مدار استفاده می کنند. این به ویژه در تجهیزات پزشکی مفید است که در آن سیگنال‌های یک مدار حسگر ولتاژ پایین (معمولاً با باتری) در تماس با یک موجود زنده باید از هر گونه خرابی الکتریکی احتمالی در دستگاه ضبط یا نظارتی که با ولتاژهای بالقوه خطرناک کار می‌کند جدا شود. یک اپتوایزولاتور همچنین اجازه می دهد تا اطلاعات بین مدارهایی که پتانسیل زمین مشترکی ندارند منتقل شود.

بسیاری از سیستم های حسگر به نور به عنوان منبع سیگنال متکی هستند. LED ها به دلیل نیاز سنسورها اغلب به عنوان منبع نور ایده آل هستند. نوار حسگر Nintendo Wii از LED های مادون قرمز استفاده می کند. پالس اکسیمترها از آنها برای اندازه گیری اشباع اکسیژن استفاده می کنند . برخی از اسکنرهای تخت مسطح از آرایه هایی از LED های RGB به جای لامپ فلورسنت معمولی کاتد سرد به عنوان منبع نور استفاده می کنند. کنترل مستقل سه رنگ روشن به اسکنر اجازه می دهد تا خود را برای تعادل رنگ دقیق تر کالیبره کند و نیازی به گرم کردن نیست. علاوه بر این، حسگرهای آن فقط باید تک رنگ باشند، زیرا در هر زمان صفحه ای که اسکن می شود تنها با یک رنگ نور روشن می شود.

از آنجایی که LED ها را می توان به عنوان فتودیود نیز استفاده کرد، می توان از آنها هم برای انتشار عکس و هم برای تشخیص استفاده کرد. این را می توان به عنوان مثال در یک صفحه لمسی که نور منعکس شده از انگشت یا قلم را ثبت می کند استفاده شود . بسیاری از مواد و سیستم های بیولوژیکی به نور حساس هستند یا به نور وابسته هستند. چراغ‌های رشد از LED برای افزایش فتوسنتز در گیاهان استفاده می‌کنند ، و باکتری‌ها و ویروس‌ها را می‌توان با استفاده از LED‌های UV برای عقیم‌سازی از آب و سایر مواد حذف کرد . ال ای دی با طول موج های خاص نیز برای درمان نور درمانی زردی و آکنه نوزادی استفاده شده است .

LED های UV، با طیف طیف 220 نانومتر تا 395 نانومتر، کاربردهای دیگری مانند تصفیه آب / هوا ، ضدعفونی سطح، پخت چسب، ارتباط غیر خط دید در فضای آزاد ، کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا، رنگ پخت UV دارند. چاپ، فتوتراپی ( ویتامین D 295 نانومتری ، لامپ اگزایمر 308 نانومتری یا جایگزینی لیزر)، ابزار پزشکی/تحلیلی، و جذب DNA.

LED ها همچنین به عنوان مرجع ولتاژ با کیفیت متوسط ​​در مدارهای الکترونیکی استفاده شده اند. افت ولتاژ رو به جلو (حدود 1.7 ولت برای LED قرمز یا 1.2 ولت برای مادون قرمز) می تواند به جای دیود زنر در تنظیم کننده های ولتاژ پایین استفاده شود. LED های قرمز صاف ترین منحنی I/V را بالای دارند. LED های مبتنی بر نیترید منحنی I/V نسبتاً تند دارند و برای این منظور بی فایده هستند. اگرچه ولتاژ جلو LED بسیار بیشتر از دیود زنر به جریان وابسته است، دیودهای زنر با ولتاژ شکست کمتر از 3 ولت به طور گسترده در دسترس نیستند.

کوچک سازی پیشرونده فناوری روشنایی کم ولتاژ، مانند LED ها و OLED ها، مناسب برای ادغام در مواد با ضخامت کم، باعث ایجاد آزمایش در ترکیب منابع نور و سطوح پوشش دیوار برای دیوارهای داخلی به شکل کاغذ دیواری LED شده است .

تحقیق و توسعه

چالش های اصلی

LED ها به کارایی بهینه نیاز دارند تا به بهبودهای مداوم مانند مواد فسفر و نقاط کوانتومی وابسته باشند .

فرآیند تبدیل پایین (روشی که توسط آن مواد فوتون های پرانرژی را به رنگ های متفاوت و کم انرژی تبدیل می کنند) نیز نیاز به بهبود دارد. به عنوان مثال، فسفرهای قرمز رنگی که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند، از نظر حرارتی حساس هستند و باید از این نظر اصلاح شوند تا تغییر رنگ ندهند و با دما کاهش کارآیی نداشته باشند. فسفرهای قرمز همچنین می‌توانند از عرض طیفی باریک‌تر برای انتشار لومن‌های بیشتر و کارآمدتر شدن در تبدیل فوتون بهره ببرند.

علاوه بر این، کار در حوزه کاهش بازده فعلی، تغییر رنگ، قابلیت اطمینان سیستم، توزیع نور، کاهش نور، مدیریت حرارتی و عملکرد منبع تغذیه باید انجام شود.

گمان های اولیه این بود که افت LED ناشی از افزایش دما بوده است. دانشمندان نشان دادند که دما دلیل اصلی کاهش کارایی نیست. مکانیسمی که باعث کاهش کارایی می شود در سال 2007 به عنوان نوترکیبی اوگر شناسایی شد که با واکنش مخلوط گرفته شد. یک مطالعه در سال 2013 به طور قطعی نوترکیبی اوگر را به عنوان علت شناسایی کرد.

فناوری بالقوه

خانواده جدیدی از ال ای دی ها بر پایه نیمه هادی هایی بنام پروسکایت ها ساخته شده اند . در سال 2018، کمتر از چهار سال پس از کشف، توانایی LED‌های پروسکایتی (PLED) برای تولید نور از الکترون‌ها در حال حاضر با بهترین OLED‌ها رقابت می‌کرد . آنها پتانسیلی برای مقرون به صرفه بودن دارند زیرا می توان آنها را از محلول پردازش کرد، روشی کم هزینه و با فناوری پایین، که ممکن است به دستگاه های مبتنی بر پروسکایت که دارای مناطق وسیعی هستند با هزینه بسیار کم اجازه دهد. کارایی آنها با حذف تلفات غیر تشعشعی، به عبارت دیگر، حذف مسیرهای نوترکیبی که فوتون تولید نمی کنند، برتر است. یا با حل مشکل برون کوپلینگ (که برای LED های لایه نازک رایج است) یا متعادل کردن تزریق حامل بار برای افزایش EQE (بازده کوانتومی خارجی). به روزترین دستگاه های PLED با شلیک EQE بالای 20 درصد، مانع عملکرد را شکسته اند.

در سال 2018، کائو و همکاران. و لین و همکاران به طور مستقل دو مقاله در مورد توسعه LED های پروسکایت با EQE بیشتر از 20٪ منتشر کرد که این دو مقاله را به یک نقطه عطف در توسعه PLED تبدیل کرد. دستگاه آنها ساختار مسطح مشابهی دارد، یعنی لایه فعال (پروسکیت) بین دو الکترود قرار گرفته است. برای دستیابی به EQE بالا، آنها نه تنها نوترکیبی غیر تابشی را کاهش دادند، بلکه از روش‌های متفاوت و ماهرانه خود برای بهبود EQE نیز استفاده کردند.

در کار کائو و همکاران. ، محققان مشکل برون کوپلینگ را مورد هدف قرار دادند که این است که فیزیک نوری LED های لایه نازک باعث می شود که اکثر نور تولید شده توسط نیمه هادی در دستگاه به دام بیفتد. برای دستیابی به این هدف، آنها نشان دادند که پروسکایت های فرآوری شده با محلول می توانند به طور خود به خود پلاکت های کریستالی در مقیاس زیر میکرومتر را تشکیل دهند که می توانند به طور موثر نور را از دستگاه استخراج کنند. این پروسکایت ها از طریق افزودن اسیدهای آمینه به محلول های پیش ساز پروسکایت تشکیل می شوند . علاوه بر این، روش آنها قادر به غیرفعال کردن عیوب سطح پروسکایت و کاهش نوترکیب غیر تشعشعی است. بنابراین، با بهبود برون کوپلینگ نور و کاهش تلفات غیر تشعشعی، کائو و همکارانش با موفقیت به PLED با EQE تا 20.7٪ دست یافتند.

لین و همکارش از رویکرد متفاوتی برای تولید EQE بالا استفاده کردند. آنها به جای اصلاح ریزساختار لایه پروسکایت، استراتژی جدیدی را برای مدیریت توزیع ترکیبی در دستگاه اتخاذ کردند – رویکردی که به طور همزمان درخشندگی بالا و تزریق بار متعادل را فراهم می کند. به عبارت دیگر، آنها هنوز از لایه گسیلی تخت استفاده می‌کردند، اما سعی کردند تعادل الکترون‌ها و حفره‌های تزریق شده به پروسکایت را بهینه کنند تا بیشترین استفاده را از حامل‌های بار داشته باشند. علاوه بر این، در لایه پروسکایت، کریستال‌ها کاملاً توسط افزودنی MABr محصور شده‌اند (که در آن MA CH 3 NH 3 است ). پوسته MABr عیوب غیر تشعشعی را که در غیر این صورت کریستال های پروسکایت وجود دارند غیرفعال می کند و در نتیجه باعث کاهش نوترکیب غیر تشعشعی می شود. بنابراین، با متعادل کردن تزریق بار و کاهش تلفات غیر تشعشعی، لین و همکارانش PLED را با EQE تا 20.3٪ توسعه دادند.