Светодиод

Эта статья об электронном устройстве. Информацию о конкретном использовании в освещении см. в разделе «Светодиодная лампа» .

«LED» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о других значениях, см. Светодиод (значения) .

«Светодиод» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о других значениях, см. Led (значения) .

Не путать с жидкокристаллическим дисплеем или фотодиодом .

Светодиод

Светодиод белого цвета. Светодиоды на этом рисунке размещены в «обычных» корпусах, но существует множество вариантов светодиодов.
Working principleПринцип работы	Электролюминесценция
Изобретенный	HJ Раунд (1907) Oleg Losev (1927) Джеймс Р. Биард (1961) Ник Холоньяк (1962)
Первое производство	октябрь 1962 года ( 1962-10 )
Конфигурация контактов	Анод и катод
Электронный символ

Части обычного светодиода. Плоские нижние поверхности наковальни и штыря, встроенные в эпоксидную смолу, действуют как анкеры, предотвращая принудительное выдергивание проводников из-за механического напряжения или вибрации.

Изображение крупным планом светодиода для поверхностного монтажа.

Крупный план светодиода с увеличением и уменьшением напряжения, чтобы показать подробный обзор его работы.

Современная модернизированная светодиодная лампа в форме колбы с алюминиевым радиатором , светорассеивающим куполом и винтовым цоколем Е27, использующая встроенный блок питания, работающий от сетевого напряжения.

( Светоизлучающий диод LED ) — это полупроводниковый прибор , излучающий свет при тока прохождении через него . Электроны в полупроводнике рекомбинируют с электронными дырками , высвобождая энергию в виде фотонов . Цвет света (соответствующий энергии фотонов) определяется энергией, необходимой электронам для пересечения запрещенной зоны полупроводника. Белый свет получается за счет использования нескольких полупроводников или слоя светоизлучающего люминофора на полупроводниковом устройстве.

низкой интенсивности . Появившись в качестве практических электронных компонентов в 1962 году, самые первые светодиоды излучали инфракрасный (ИК) свет Инфракрасные светодиоды используются в схемах дистанционного управления , например в тех, которые используются в разнообразной бытовой электронике. Первые светодиоды видимого света имели низкую интенсивность и ограничивались красным цветом.

Ранние светодиоды часто использовались в качестве индикаторных ламп, заменяя небольшие лампы накаливания , а также в семисегментных дисплеях . Более поздние разработки привели к созданию светодиодов видимого , ультрафиолетового (УФ) и инфракрасного диапазонов с высокой, низкой или средней светоотдачей, например, белые светодиоды, подходящие для внутреннего и наружного освещения. Светодиоды также привели к появлению новых типов дисплеев и датчиков, а их высокая скорость переключения полезна в передовых коммуникационных технологиях с такими разнообразными приложениями, как авиационное освещение , гирлянды , полосы света , автомобильные фары , реклама, общее освещение , светофоры , камеры. вспышки, освещенные обои , садовые светильники и медицинские устройства.

Светодиоды имеют множество преимуществ перед лампами накаливания, включая более низкое энергопотребление, более длительный срок службы, повышенную физическую надежность, меньшие размеры и более быстрое переключение. В обмен на эти в целом положительные характеристики недостатки светодиодов включают электрические ограничения по низкому напряжению и, как правило, по питанию постоянного (не переменного) тока, неспособность обеспечить устойчивое освещение от импульсного источника постоянного или переменного тока, а также меньшую максимальную рабочую температуру. и температура хранения.

Светодиоды являются преобразователями электричества в свет. Они работают наоборот фотодиодов , которые преобразуют свет в электричество.

История

Открытия и ранние устройства

Зеленая электролюминесценция от точечного контакта на кристалле SiC воссоздает оригинальный эксперимент Раунда 1907 года.

Крупный план красного светодиода мощностью 1 Вт.

Электролюминесценция как явление была открыта в 1907 году английским экспериментатором Х. Дж. Раундом из лаборатории Маркони с помощью кристалла карбида кремния и детектора из кошачьих усов . Русский изобретатель Олег Лосев сообщил о создании первого светодиода в 1927 году. Его исследования были распространены в советских, немецких и британских научных журналах, но практического применения открытия не было в течение нескольких десятилетий, отчасти из-за очень неэффективных светоизлучающих свойств карбида кремния, полупроводника, который использовал Лосев.

0603 Светодиод корпуса SMD (устройство поверхностного монтажа)

В 1936 году Жорж Дестрио заметил, что электролюминесценция может возникать, когда порошок сульфида цинка (ZnS) подвешивают в изоляторе и прикладывают к нему переменное электрическое поле. В своих публикациях Дестрио часто называл люминесценцию Лосева-Света. Дестрио работал в лабораториях мадам Марии Кюри , которая также была пионером в области люминесценции и исследовала радий .

Венгр Золтан Бэй вместе с Дьердь Сигети предвосхитил светодиодное освещение в Венгрии в 1939 году, запатентовав осветительное устройство на основе карбида кремния с возможностью использования карбида бора, которое излучало белый, желтовато-белый или зеленовато-белый цвет в зависимости от присутствующих примесей. Курт Леговек , Карл Аккардо и Эдвард Джамгочян объяснили эти первые светодиоды в 1951 году, используя устройство, использующее кристаллы SiC с источником тока в виде батареи или генератора импульсов, и сравнив их с вариантом чистого кристалла в 1953 году.

Рубин Браунштейн Радиокорпорации Америки сообщили об инфракрасном излучении арсенида галлия (GaAs) и других полупроводниковых сплавов в 1955 году. генерируемое простыми диодными структурами с использованием антимонида галлия (GaSb), GaAs, фосфида индия (InP) и сплавов кремния-германия (SiGe) при комнатной температуре и 77 К. Браунштейн наблюдал инфракрасное излучение , В 1957 году Браунштейн продемонстрировал, что элементарные устройства можно использовать для нерадиосвязи на небольшом расстоянии. Как отмечает Кремер Браунштейн «… установил простую оптическую линию связи: музыка, исходящая из проигрывателя пластинок, использовалась с помощью подходящей электроники для модуляции прямого тока диода GaAs. Испускаемый свет регистрировался диодом PbS на некотором расстоянии. Этот сигнал подавался в аудиоусилитель и воспроизведен через громкоговоритель. Перехват луча остановил музыку. Мы получили массу удовольствия, играя с этой установкой». Эта установка предвосхищала использование светодиодов в приложениях оптической связи .

GaAs-светодиод Texas Instruments SNX-100 1962 года выпуска в металлическом корпусе транзистора TO-18.

В сентябре 1961 года, работая в компании Texas Instruments в Далласе , штат Техас , Джеймс Р. Биард и Гэри Питтман обнаружили излучение света в ближнем инфракрасном диапазоне (900 нм) туннельного диода, который они сконструировали на подложке GaAs. К октябрю 1961 года они продемонстрировали эффективное излучение света и передачу сигналов между светоизлучателем GaAs pn-перехода и электрически изолированным полупроводниковым фотодетектором. 8 августа 1962 года Биар и Питтман на основе своих открытий подали патент под названием «Полупроводниковый излучающий диод», в котором описывался светодиод с p – n-переходом , диффузионным по цинку , с разнесенным катодным контактом, обеспечивающим эффективное излучение инфракрасного света при прямом смещении. .

После установления приоритета их работы на основе инженерных записных книжек, полученных до подачи заявок от GE Labs, RCA Research Labs, IBM Research Labs, Bell Labs и Lincoln Lab в Массачусетском технологическом институте , патентное ведомство США выдало двум изобретателям патент на инфракрасный свет на основе GaAs. излучающий диод (патент США US3293513 ), первый практический светодиод. Сразу после подачи патента компания Texas Instruments (TI) начала проект по производству инфракрасных диодов. В октябре 1962 года компания TI анонсировала первый коммерческий светодиодный продукт (SNX-100), в котором использовался чистый кристалл GaAs, излучающий свет с длиной волны 890 нм. В октябре 1963 года компания TI анонсировала первый коммерческий полусферический светодиод SNX-110.

В 1960-х годах несколько лабораторий сосредоточились на светодиодах, излучающих видимый свет. Особенно важное устройство было продемонстрировано Ником Холоньяком 9 октября 1962 года, когда он работал в компании General Electric в Сиракузах, штат Нью-Йорк . В устройстве использовался полупроводниковый сплав арсенид фосфида галлия (GaAsP). Это был первый полупроводниковый лазер, излучающий видимый свет, хотя и при низких температурах. При комнатной температуре он по-прежнему функционировал как красный светодиод. GaAsP стал основой для первой волны коммерческих светодиодов, излучающих видимый свет. Он массово производился компаниями Monsanto и Hewlett-Packard и широко использовался для дисплеев в калькуляторах и наручных часах.

0603 Красный светодиод корпуса SMD (устройство поверхностного монтажа)

М. Джордж Крафорд , бывший аспирант Холоньяка изобрел первый желтый светодиод и в 1972 году улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в десять раз. В 1976 году Т.П. Пирсолл разработал первые сверхяркие и высокоэффективные светодиоды для волоконно-оптических телекоммуникаций, изобретя новые полупроводниковые материалы, специально адаптированные к длинам волн передачи по оптоволоконному кабелю.

Крупный план красного светодиода

Начальная коммерческая разработка

Светодиодный дисплей научного калькулятора TI-30 ( около 1978 г. ), в котором используются пластиковые линзы для увеличения видимого размера цифр.

Рентгеновский снимок 8-значного светодиодного дисплея калькулятора 1970-х годов.

До 1968 года светодиоды видимого и инфракрасного диапазона были чрезвычайно дорогими, порядка 200 долларов США за единицу, и поэтому практически не имели практического применения. Первые коммерческие светодиоды видимой длины волны использовали полупроводники GaAsP и обычно использовались в качестве замены ламп накаливания и неоновых индикаторных ламп , а также в семисегментных дисплеях , сначала в дорогостоящем оборудовании, таком как лабораторное и испытательное оборудование для электроники, а затем в таких устройствах, как калькуляторы, Телевизоры, радиоприемники, телефоны, а также часы.

Компания Hewlett-Packard (HP) занималась исследованиями и разработками (НИОКР) в области практических светодиодов в период с 1962 по 1968 год исследовательской группой под руководством Говарда К. Бордена, Джеральда П. Пигини из HP Associates и HP Labs . За это время HP сотрудничала с компанией Monsanto в разработке первых пригодных для использования светодиодных продуктов. HP Первыми пригодными для использования светодиодными продуктами были светодиодный дисплей Monsanto и светодиодная индикаторная лампа , выпущенные в 1968 году.

Monsanto была первой организацией, которая начала массовое производство видимых светодиодов, используя фосфид арсенида галлия (GaAsP) в 1968 году для производства красных светодиодов, подходящих для индикаторов. Ранее Monsanto предлагала HP поставлять GaAsP, но HP решила вырастить собственный GaAsP. В феврале 1969 года компания Hewlett-Packard представила цифровой индикатор HP Model 5082-7000, первое светодиодное устройство, в котором использовалась технология интегральной схемы (интегральная светодиодная схема ). Это был первый интеллектуальный светодиодный дисплей, который произвел революцию в технологии цифровых дисплеев , заменив лампу Nixie и став основой для более поздних светодиодных дисплеев.

В 1970-х годах компания Fairchild Optoelectronics производила коммерчески успешные светодиодные устройства стоимостью менее пяти центов за штуку. В этих устройствах использовались составные полупроводниковые чипы , изготовленные с помощью планарного процесса (разработанные Жаном Эрни , ). Сочетание планарной обработки для изготовления чипов и инновационных методов упаковки позволило команде Fairchild под руководством пионера оптоэлектроники Томаса Брандта добиться необходимого снижения затрат. Производители светодиодов продолжали использовать эти методы примерно с 2009 года.

Первые красные светодиоды были достаточно яркими для использования в качестве индикаторов, поскольку светоотдачи было недостаточно для освещения области. Показания в калькуляторах были настолько малы, что каждую цифру закрывали пластиковыми линзами, чтобы сделать их разборчивыми. Позже другие цвета стали широко доступны и появились в технике и оборудовании.

Ранние светодиоды были упакованы в металлические корпуса, похожие на корпуса транзисторов, со стеклянным окном или линзой для пропускания света. Современные индикаторные светодиоды упакованы в прозрачные литые пластиковые корпуса, трубчатой ​​или прямоугольной формы, часто тонированные под цвет прибора. Инфракрасные устройства могут быть окрашены, чтобы блокировать видимый свет. Более сложные пакеты были адаптированы для эффективного отвода тепла в мощных светодиодах . Светодиоды для поверхностного монтажа еще больше уменьшают размер корпуса. Светодиоды, предназначенные для использования с оптоволоконными кабелями, могут быть оснащены оптическим разъемом.

Синий светодиод

Первый сине легированного магнием, -фиолетовый светодиод с использованием нитрида галлия, был создан в Стэнфордском университете в 1972 году Хербом Маруской и Уолли Райнсом , докторантами в области материаловедения и инженерии. В то время Маруська находился в отпуске в RCA Laboratories , где он сотрудничал с Жаком Панкове в смежных работах. В 1971 году, через год после того, как Маруська уехала в Стэнфорд, его коллеги из RCA Панкове и Эд Миллер продемонстрировали первую синюю электролюминесценцию легированного цинком нитрида галлия, хотя последующее устройство, построенное Панкове и Миллером, первый настоящий светодиод на основе нитрида галлия, излучало зеленый свет.

В 1974 году Патентное ведомство США выдало Марушке, Райнсу и профессору Стэнфорда Дэвиду Стивенсону патент на их работу в 1972 году (патент США US3819974 A ). Сегодня легирование нитрида галлия магнием остается основой для всех коммерческих синих светодиодов и лазерных диодов . В начале 1970-х годов эти устройства были слишком тусклыми для практического использования, и исследования устройств на основе нитрида галлия замедлились.

В августе 1989 года Cree представила первый коммерчески доступный синий светодиод на основе полупроводника с непрямой запрещенной зоной — карбида кремния (SiC). Светодиоды SiC имели очень низкую эффективность, не более 0,03%, но излучали в синей части спектра видимого света.

В конце 1980-х годов произошли ключевые прорывы в области эпитаксиального выращивания GaN и p-типа . легирования положили начало современной эре оптоэлектронных устройств на основе GaN. Основываясь на этом фундаменте, Теодор Мустакас из Бостонского университета в 1991 году запатентовал метод производства синих светодиодов высокой яркости с использованием нового двухэтапного процесса. В 2015 году суд США постановил, что три тайваньские компании нарушили предыдущий патент Мустакиса, и обязал их выплатить лицензионные сборы в размере не менее 13 миллионов долларов США.

продемонстрировал синие светодиоды высокой яркости Два года спустя, в 1993 году, Сюдзи Накамура из Nichia Corporation с использованием процесса выращивания нитрида галлия (GaN). Эти светодиоды имели КПД 10%. Параллельно Исаму Акасаки и Хироши Амано из Университета Нагои работали над разработкой важного способа осаждения GaN на сапфировые подложки и демонстрацией p-типа легирования GaN . Эта новая разработка произвела революцию в светодиодном освещении, сделав практичными мощные источники синего света , что привело к развитию таких технологий, как Blu-ray .

Накамура был удостоен Премии тысячелетия в области технологий 2006 года за свое изобретение. Накамура, Хироши Амано и Исаму Акасаки были удостоены Нобелевской премии по физике в 2014 году за «изобретение эффективных синих светодиодов, которые позволили создать яркие и энергосберегающие источники белого света».

В 1995 году Альберто Барбьери из лаборатории Кардиффского университета (Великобритания) исследовал эффективность и надежность светодиодов высокой яркости и продемонстрировал светодиод с «прозрачным контактом», использующий оксид индия-олова (ITO) на (AlGaInP/GaAs).

В 2001 году и 2002 г., Были успешно продемонстрированы процессы выращивания светодиодов из нитрида галлия (GaN) на кремнии . В январе 2012 года компания Osram коммерчески продемонстрировала мощные светодиоды InGaN, выращенные на кремниевых подложках. и светодиоды GaN-на-кремнии производятся на заводе Plessey Semiconductors . По состоянию на 2017 год некоторые производители используют SiC в качестве подложки для производства светодиодов, но сапфир является более распространенным, поскольку он имеет свойства, наиболее близкие к свойствам нитрида галлия, что снижает необходимость создания рисунка на сапфировой пластине (узорчатые пластины известны как эпикрипционные пластины). вафли). Samsung , Кембриджский университет и Toshiba проводят исследования GaN на Si-светодиодах.

Toshiba прекратила исследования, возможно, из-за низкой урожайности. Некоторые выбирают эпитаксию , которая сложна для кремния , в то время как другие, как Кембриджский университет, выбирают многослойную структуру, чтобы уменьшить несоответствие (кристаллических) решеток и различные коэффициенты теплового расширения, чтобы избежать растрескивания светодиодного чипа при высокие температуры (например, во время производства) уменьшают выделение тепла и повышают светоотдачу. Нанесение рисунка на сапфировую подложку может быть выполнено с помощью наноимпринтной литографии .

GaN-on-Si is difficult but desirable since it takes advantage of existing semiconductor manufacturing infrastructure. It allows for the wafer-level packaging of LED dies resulting in extremely small LED packages.

GaN is often deposited using metalorganic vapour-phase epitaxy (MOCVD), and it also uses lift-off.

White LEDs and the illumination breakthrough

Even though white light can be created using individual red, green and blue LEDs, this results in poor color rendering, since only three narrow bands of wavelengths of light are being emitted. The attainment of high efficiency blue LEDs was quickly followed by the development of the first white LED. In this device a Y
₃Al
₅O
₁₂:Ce (known as "YAG" or Ce:YAG phosphor) cerium-doped phosphor coating produces yellow light through fluorescence. The combination of that yellow with remaining blue light appears white to the eye. Using different phosphors produces green and red light through fluorescence. The resulting mixture of red, green and blue is perceived as white light, with improved color rendering compared to wavelengths from the blue LED/YAG phosphor combination.

Illustration of Haitz's law, showing improvement in light output per LED over time, with a logarithmic scale on the vertical axis

The first white LEDs were expensive and inefficient. The light output then increased exponentially. The latest research and development has been propagated by Japanese manufacturers such as Panasonic, and Nichia, and by Korean and Chinese manufacturers such as Samsung, Solstice, Kingsun, Hoyol and others. This trend in increased output has been called Haitz's law after Roland Haitz.

Light output and efficiency of blue and near-ultraviolet LEDs rose and the cost of reliable devices fell. This led to relatively high-power white-light LEDs for illumination, which are replacing incandescent and fluorescent lighting.

Experimental white LEDs were demonstrated in 2014 to produce 303 lumens per watt of electricity (lm/W); some can last up to 100,000 hours. Commercially available LEDs have an efficiency of up to 223 lm/W as of 2018. A previous record of 135 lm/W was achieved by Nichia in 2010. Compared to incandescent bulbs, this is a huge increase in electrical efficiency, and even though LEDs are more expensive to purchase, overall lifetime cost is significantly cheaper than that of incandescent bulbs.

The LED chip is encapsulated inside a small, plastic, white mold although sometimes an LED package can incorporate a reflector. It can be encapsulated using resin (polyurethane-based), silicone, or epoxy containing (powdered) Cerium-doped YAG phosphor particles. The viscosity of phosphor-silicon mixtures must be carefully controlled. After application of a phosphor-silicon mixture on the LED using techniques such as jet dispensing, and allowing the solvents to evaporate, the LEDs are often tested, and placed on tapes for SMT placement equipment for use in LED light bulb production. Some "remote phosphor" LED light bulbs use a single plastic cover with YAG phosphor for one or several blue LEDs, instead of using phosphor coatings on single-chip white LEDs. Ce:YAG phosphors and epoxy in LEDs can degrade with use, and is more apparent with higher concentrations of Ce:YAG in phosphor-silicone mixtures, because the Ce:YAG decomposes with use.

The output of LEDs can shift to yellow over time due to degradation of the silicone. There are several variants of Ce:YAG, and manufacturers in many cases do not reveal the exact compoosition of their Ce:YAG offerings. Several other phosphors are available for phosphor-converted LEDs to produce several colors such as red, which uses nitrosilicate phosphors, and many other kinds of phosphor materials exist for LEDs such as phosphors based on oxides, oxynitrides, oxyhalides, halides, nitrides, sulfides, quantum dots, and inorganic-organic hybrid semiconductors. A single LED can have several phosphors at the same time. Some LEDs use phosphors made of glass-ceramic or composite phosphor/glass materials. Alternatively, the LED chips themselves can be coated with a thin coating of phosphor-containing material, called a conformal coating.

The temperature of the phosphor during operation and how it is applied limits the size of an LED die. Wafer-level packaged white LEDs allow for extremely small LEDs.

Polychromatic

In 2024, QPixel introduced as polychromatic LED that could replace the 3-subpixel model for digital displays. The technology uses a gallium nitride semiconductor that emits light of different frequencies modulated by voltage changes. A prototype display achieved a resolution of 6,800 PPI or 3k x 1.5k pixels.

Physics of light production and emission

Main article: Light-emitting diode physics

In a light-emitting diode, the recombination of electrons and electron holes in a semiconductor produces light (be it infrared, visible or UV), a process called "electroluminescence". The wavelength of the light depends on the energy band gap of the semiconductors used. Since these materials have a high index of refraction, design features of the devices such as special optical coatings and die shape are required to efficiently emit light.

Unlike a laser, the light emitted from an LED is neither spectrally coherent nor even highly monochromatic. Its spectrum is sufficiently narrow that it appears to the human eye as a pure (saturated) color. Also unlike most lasers, its radiation is not spatially coherent, so it cannot approach the very high intensity characteristic of lasers.

Single-color LEDs

Blue LEDs

External videos
"The Original Blue LED", Science History Institute

By selection of different semiconductor materials, single-color LEDs can be made that emit light in a narrow band of wavelengths from near-infrared through the visible spectrum and into the ultraviolet range. As the wavelengths become shorter, because of the larger band gap of these semiconductors, the operating voltage of the LED increases.

Blue LEDs have an active region consisting of one or more InGaN quantum wells sandwiched between thicker layers of GaN, called cladding layers. By varying the relative In/Ga fraction in the InGaN quantum wells, the light emission can in theory be varied from violet to amber.

Aluminium gallium nitride (AlGaN) of varying Al/Ga fraction can be used to manufacture the cladding and quantum well layers for ultraviolet LEDs, but these devices have not yet reached the level of efficiency and technological maturity of InGaN/GaN blue/green devices. If unalloyed GaN is used in this case to form the active quantum well layers, the device emits near-ultraviolet light with a peak wavelength centred around 365 nm. Green LEDs manufactured from the InGaN/GaN system are far more efficient and brighter than green LEDs produced with non-nitride material systems, but practical devices still exhibit efficiency too low for high-brightness applications.

With AlGaN and AlGaInN, even shorter wavelengths are achievable. Near-UV emitters at wavelengths around 360–395 nm are already cheap and often encountered, for example, as black light lamp replacements for inspection of anti-counterfeiting UV watermarks in documents and bank notes, and for UV curing. Substantially more expensive, shorter-wavelength diodes are commercially available for wavelengths down to 240 nm. As the photosensitivity of microorganisms approximately matches the absorption spectrum of DNA, with a peak at about 260 nm, UV LED emitting at 250–270 nm are expected in prospective disinfection and sterilization devices. Recent research has shown that commercially available UVA LEDs (365 nm) are already effective disinfection and sterilization devices. UV-C wavelengths were obtained in laboratories using aluminium nitride (210 nm), boron nitride (215 nm) and diamond (235 nm).

White LEDs

There are two primary ways of producing white light-emitting diodes. One is to use individual LEDs that emit three primary colors—red, green and blue—and then mix all the colors to form white light. The other is to use a phosphor material to convert monochromatic light from a blue or UV LED to broad-spectrum white light, similar to a fluorescent lamp. The yellow phosphor is cerium-doped YAG crystals suspended in the package or coated on the LED. This YAG phosphor causes white LEDs to appear yellow when off, and the space between the crystals allow some blue light to pass through in LEDs with partial phosphor conversion. Alternatively, white LEDs may use other phosphors like manganese(IV)-doped potassium fluorosilicate (PFS) or other engineered phosphors. PFS assists in red light generation, and is used in conjunction with conventional Ce:YAG phosphor.

In LEDs with PFS phosphor, some blue light passes through the phosphors, the Ce:YAG phosphor converts blue light to green and red (yellow) light, and the PFS phosphor converts blue light to red light. The color, emission spectrum or color temperature of white phosphor converted and other phosphor converted LEDs can be controlled by changing the concentration of several phosphors that form a phosphor blend used in an LED package.

The 'whiteness' of the light produced is engineered to suit the human eye. Because of metamerism, it is possible to have quite different spectra that appear white. The appearance of objects illuminated by that light may vary as the spectrum varies. This is the issue of color rendition, quite separate from color temperature. An orange or cyan object could appear with the wrong color and much darker as the LED or phosphor does not emit the wavelength it reflects. The best color rendition LEDs use a mix of phosphors, resulting in less efficiency and better color rendering.

The first white light-emitting diodes (LEDs) were offered for sale in the autumn of 1996. Nichia made some of the first white LEDs which were based on blue LEDs with Ce:YAG phosphor. Ce:YAG is often grown using the Czochralski method.

RGB systems

Combined spectral curves for blue, yellow-green, and high-brightness red solid-state semiconductor LEDs. FWHM spectral bandwidth is approximately 24–27 nm for all three colors.

An RGB LED projecting red, green, and blue onto a surface

Mixing red, green, and blue sources to produce white light needs electronic circuits to control the blending of the colors. Since LEDs have slightly different emission patterns, the color balance may change depending on the angle of view, even if the RGB sources are in a single package, so RGB diodes are seldom used to produce white lighting. Nonetheless, this method has many applications because of the flexibility of mixing different colors, and in principle, this mechanism also has higher quantum efficiency in producing white light.

There are several types of multicolor white LEDs: di-, tri-, and tetrachromatic white LEDs. Several key factors that play among these different methods include color stability, color rendering capability, and luminous efficacy. Often, higher efficiency means lower color rendering, presenting a trade-off between the luminous efficacy and color rendering. For example, the dichromatic white LEDs have the best luminous efficacy (120 lm/W), but the lowest color rendering capability. Although tetrachromatic white LEDs have excellent color rendering capability, they often have poor luminous efficacy. Trichromatic white LEDs are in between, having both good luminous efficacy (>70 lm/W) and fair color rendering capability.

One of the challenges is the development of more efficient green LEDs. The theoretical maximum for green LEDs is 683 lumens per watt but as of 2010 few green LEDs exceed even 100 lumens per watt. The blue and red LEDs approach their theoretical limits.

Multicolor LEDs offer a means to form light of different colors. Most perceivable colors can be formed by mixing different amounts of three primary colors. This allows precise dynamic color control. Their emission power decays exponentially with rising temperature, resulting in a substantial change in color stability. Such problems inhibit industrial use. Multicolor LEDs without phosphors cannot provide good color rendering because each LED is a narrowband source. LEDs without phosphor, while a poorer solution for general lighting, are the best solution for displays, either backlight of LCD, or direct LED based pixels.

Dimming a multicolor LED source to match the characteristics of incandescent lamps is difficult because manufacturing variations, age, and temperature change the actual color value output. To emulate the appearance of dimming incandescent lamps may require a feedback system with color sensor to actively monitor and control the color.

Phosphor-based LEDs

Spectrum of a white LED showing blue light directly emitted by the GaN-based LED (peak at about 465 nm) and the more broadband Stokes-shifted light emitted by the Ce³⁺:YAG phosphor, which emits at roughly 500–700 nm

This method involves coating LEDs of one color (mostly blue LEDs made of InGaN) with phosphors of different colors to form white light; the resultant LEDs are called phosphor-based or phosphor-converted white LEDs (pcLEDs). A fraction of the blue light undergoes the Stokes shift, which transforms it from shorter wavelengths to longer. Depending on the original LED's color, various color phosphors are used. Using several phosphor layers of distinct colors broadens the emitted spectrum, effectively raising the color rendering index (CRI).

Phosphor-based LEDs have efficiency losses due to heat loss from the Stokes shift and also other phosphor-related issues. Their luminous efficacies compared to normal LEDs depend on the spectral distribution of the resultant light output and the original wavelength of the LED itself. For example, the luminous efficacy of a typical YAG yellow phosphor based white LED ranges from 3 to 5 times the luminous efficacy of the original blue LED because of the human eye's greater sensitivity to yellow than to blue (as modeled in the luminosity function).

Due to the simplicity of manufacturing, the phosphor method is still the most popular method for making high-intensity white LEDs. The design and production of a light source or light fixture using a monochrome emitter with phosphor conversion is simpler and cheaper than a complex RGB system, and the majority of high-intensity white LEDs presently on the market are manufactured using phosphor light conversion.

1 watt 9 volt three chips SMD phosphor based white LED

Among the challenges being faced to improve the efficiency of LED-based white light sources is the development of more efficient phosphors. As of 2010, the most efficient yellow phosphor is still the YAG phosphor, with less than 10% Stokes shift loss. Losses attributable to internal optical losses due to re-absorption in the LED chip and in the LED packaging itself account typically for another 10% to 30% of efficiency loss. Currently, in the area of phosphor LED development, much effort is being spent on optimizing these devices to higher light output and higher operation temperatures. For instance, the efficiency can be raised by adapting better package design or by using a more suitable type of phosphor. Conformal coating process is frequently used to address the issue of varying phosphor thickness.

Some phosphor-based white LEDs encapsulate InGaN blue LEDs inside phosphor-coated epoxy. Alternatively, the LED might be paired with a remote phosphor, a preformed polycarbonate piece coated with the phosphor material. Remote phosphors provide more diffuse light, which is desirable for many applications. Remote phosphor designs are also more tolerant of variations in the LED emissions spectrum. A common yellow phosphor material is cerium-doped yttrium aluminium garnet (Ce³⁺:YAG).

White LEDs can also be made by coating near-ultraviolet (NUV) LEDs with a mixture of high-efficiency europium-based phosphors that emit red and blue, plus copper and aluminium-doped zinc sulfide (ZnS:Cu, Al) that emits green. This is a method analogous to the way fluorescent lamps work. This method is less efficient than blue LEDs with YAG:Ce phosphor, as the Stokes shift is larger, so more energy is converted to heat, but yields light with better spectral characteristics, which render color better. Due to the higher radiative output of the ultraviolet LEDs than of the blue ones, both methods offer comparable brightness. A concern is that UV light may leak from a malfunctioning light source and cause harm to human eyes or skin.

A new style of wafers composed of gallium-nitride-on-silicon (GaN-on-Si) is being used to produce white LEDs using 200-mm silicon wafers. This avoids the typical costly sapphire substrate in relatively small 100- or 150-mm wafer sizes. The sapphire apparatus must be coupled with a mirror-like collector to reflect light that would otherwise be wasted. It was predicted that since 2020, 40% of all GaN LEDs are made with GaN-on-Si. Manufacturing large sapphire material is difficult, while large silicon material is cheaper and more abundant. LED companies shifting from using sapphire to silicon should be a minimal investment.

Mixed white LEDs

Tunable white LED array in a floodlight

There are RGBW LEDs that combine RGB units with a phosphor white LED on the market. Doing so retains the extremely tunable color of RGB LED, but allows color rendering and efficiency to be optimized when a color close to white is selected.

Some phosphor white LED units are "tunable white", blending two extremes of color temperatures (commonly 2700K and 6500K) to produce intermediate values. This feature allows users to change the lighting to suit the current use of a multifunction room. As illustrated by a straight line on the chromaticity diagram, simple two-white blends will have a pink bias, becoming most severe in the middle. A small amount of green light, provided by another LED, could correct the problem. Some products are RGBWW, i.e. RGBW with tunable white.

A final class of white LED with mixed light is dim-to-warm. These are ordinary 2700K white LED bulbs with a small red LED that turns on when the bulb is dimmed. Doing so makes the color warmer, emulating an incandescent light bulb.

Other white LEDs

Another method used to produce experimental white light LEDs used no phosphors at all and was based on homoepitaxially grown zinc selenide (ZnSe) on a ZnSe substrate that simultaneously emitted blue light from its active region and yellow light from the substrate.

Organic light-emitting diodes (OLEDs)

Main article: OLED

In an organic light-emitting diode (OLED), the electroluminescent material composing the emissive layer of the diode is an organic compound. The organic material is electrically conductive due to the delocalization of pi electrons caused by conjugation over all or part of the molecule, and the material therefore functions as an organic semiconductor. The organic materials can be small organic molecules in a crystalline phase, or polymers.

The potential advantages of OLEDs include thin, low-cost displays with a low driving voltage, wide viewing angle, and high contrast and color gamut. Polymer LEDs have the added benefit of printable and flexible displays. OLEDs have been used to make visual displays for portable electronic devices such as cellphones, digital cameras, lighting and televisions.

Perovskite Light-emitting diodes (PeLEDs)

Perovskite light-emitting diodes (PeLEDs) have emerged as promising candidates for next-generation display and lighting technologies. In recent years, researchers have shown a growing interest in perovskite light-emitting diodes (PeLEDs) owing to their capacity for emitting light with narrow bandwidth, adjustable spectrum, ability to deliver high color purity, and cost-effective solution fabrication.

Green PeLEDs

When it comes to efficiency, PeLEDs have not surpassed commercial organic light-emitting diodes (OLEDs) because specific critical parameters, such as charge carrier transport and optical output coupling efficiency, have not been thoroughly optimized.

In response to this challenge, the development of ultra-efficient green PeLEDs with a external quantum efficiency (EQE) exceeding the remarkable 30% milestone was reported by Bai and his colleagues on May 29, 2023. This achievement was made by strategic adjustments in charge carrier transport and the distribution of near-field light. These optimizations effectively reduced electron leakage and resulted in an exceptional light output coupling efficiency of 41.82%. A Ni_0.9Mg_0.1O_x film with high refractive index and increased hole carrier mobility was used as a hole injection layer to balance charge carrier injection, and a polyethylene glycol layer was inserted between the hole transport layer and the perovskite emission layer to prevent electron leakage and minimize photon loss.

The modified structure of green PeLED enabled it to achieve a world-record external quantum efficiency of 30.84% (with a mean of 29.05 ± 0.77%) at a brightness level of 6514 cd/m². This pioneering work introduces a compelling approach to building ultra-efficient PeLEDs by effectively balancing electron-hole recombination and enhancing light outcoupling.

However, expanding the effective area of perovskite LEDs can lead to a significant drop in their performance. To address this issue, Sun et.al introduced L-methionine (NVAL) to construct an intermediate phase with low formation enthalpy and COO^- coordination. This new intermediate phase altered the crystallization pathway, effectively inhibiting phase segregation. Consequently, high-quality large-area quasi-2D perovskite films were achieved. They further fine-tuned the film's composite dynamics, leading to high-efficiency quasi-2D perovskite green LEDs with an effective area of 9.0 cm². An external quantum efficiency (EQE) of 16.4% was attained at <n> = 3, making it the most efficient large-area perovskite LED. Moreover, a luminance of 9.1×104 cd/m² was achieved in the <n> = 10 films.

Blue PeLEDs

On March 16, 2023, Zhou et al. published a study demonstrating their successful control of ion behavior to create highly efficient sky-blue perovskite light-emitting diodes. They achieved this by utilizing a bifunctional passivator, which consisted of Lewis base benzoic acid anions and alkali metal cations. This passivator had a dual role: it effectively passivated the deficient lead atom while inhibited the migration of halide ions. The outcome of this innovative approach was the realization of an efficient perovskite LED that emitted light at a stable wavelength of 483 nm. The LED exhibited a commendable external quantum efficiency (EQE) of 16.58%, with a peak EQE reaching 18.65%. Through optical coupling enhancement, the EQE was further boosted to 28.82%.

Red PeLEDs

One of the most crucial aspects of lighting and display technology is the efficient generation of red emission. Quasi-2D perovskites have demonstrated potential for high emission efficiency due to robust carrier confinement. However, the external quantum efficiencies (EQE) of most red quasi-2D PeLEDs are not optimal due to different n-value phases within complex quasi-2D perovskite films.

To address this challenge, Jiang et.al published their findings in Advanced Materials on July 20, 2022. Their research focused on strategically incorporating large cations to enhance the efficiency of red light perovskite LEDs. By introducing phenethylammonium iodide (PEAI)/3-fluorophenylethylammonium iodide (m-F-PEA) and 1-naphthylmethylammonium iodide (NMAI), they achieved precise control over the phase distribution of quasi-2D perovskite materials. This approach effectively reduced the prevalence of smaller n-index phases and concurrently addressed lead and halide defects in the perovskite films. The outcome of this research was the development of perovskite LEDs capable of achieving an EQE of 25.8% at 680 nm, accompanied by a peak brightness of 1300 cd/m².

White PeLEDs

High-performance white perovskite LED with high light extraction efficiency can be constructed through near-field optical coupling. The near-field optical coupling between blue perovskite diode and red perovskite nanocrystal was achieved by a reasonably designed multi-layer translucent electrode (LiF/Al/Ag/LiF). The red perovskite nano-crystalline layer allows the waveguide mode and surface plasmon polarization mode captured in the blue perovskite diode to be extracted and converted into red light emission, increasing the light extraction efficiency by 50%. At the same time, the complementary emission spectra of blue photons and down-converted red photons contribute to the formation of white LEDs. Finally, the off-device quantum efficiency exceeds 12%, and the brightness exceeds 2000cd/m², which are both the highest in white PeLEDs.

Lifetime

Preparing high-quality all-inorganic perovskite films through solution-based methods remains a formidable challenge, primarily attributed to the rapid and uncontrollable crystallization of such materials. The key innovation involved controlling the crystal orientation of the all-inorganic perovskite along the (110) plane through a low-temperature annealing process (35-40°C). This precise control led to the orderly stacking of crystals, which significantly increased surface coverage and reduced defects within the material. After thorough optimization, the well-oriented CsPbBr₃ perovskite LED achieved an external quantum efficiency (EQE) of up to 16.45%, a remarkable brightness of 79,932 cd/m², and a lifespan of 136 hours when initially operated at a brightness level of 100 cd/m².

On September 20, 2021, the team led by Sargent et.al from the University of Toronto published their research findings in the Journal of the American Chemical Society (JACS) on bright and stable light-emitting diodes (LEDs) based on perovskite quantum dots within a perovskite matrix. The research reported that perovskite quantum dots remain stable in a precursor solution thin film of perovskite and drive the uniform crystallization of the perovskite matrix using strain quantum dots as nucleation centers. The type I band alignment ensures that quantum dots act as charge acceptors and radiative emitters.

The new material exhibits suppressed biexciton Auger recombination and bright luminescence even at high excitation (600 W/cm²). The red LEDs based on the new material demonstrate an external quantum efficiency of 18% and maintain high performance at a brightness exceeding 4700 cd/m². The new material extends the LED's operating half-life to 2400 hours at an initial brightness of 100 cd/m².

Types

LEDs are produced in a variety of shapes and sizes. The color of the plastic lens is often the same as the actual color of light emitted, but not always. For instance, purple plastic is often used for infrared LEDs, and most blue devices have colorless housings. Modern high-power LEDs such as those used for lighting and backlighting are generally found in surface-mount technology (SMT) packages (not shown).

LEDs are made in different packages for different applications. A single or a few LED junctions may be packed in one miniature device for use as an indicator or pilot lamp. An LED array may include controlling circuits within the same package, which may range from a simple resistor, blinking or color changing control, or an addressable controller for RGB devices. Higher-powered white-emitting devices will be mounted on heat sinks and will be used for illumination. Alphanumeric displays in dot matrix or bar formats are widely available. Special packages permit connection of LEDs to optical fibers for high-speed data communication links.

Miniature

Image of miniature surface mount LEDs in most common sizes. They can be much smaller than a traditional 5 mm lamp type LED, shown on the upper left corner.

Very small (1.6×1.6×0.35 mm) red, green, and blue surface mount miniature LED package with gold wire bonding details

These are mostly single-die LEDs used as indicators, and they come in various sizes from 2 mm to 8 mm, through-hole and surface mount packages. Typical current ratings range from around 1 mA to above 20 mA. Multiple LED dies attached to a flexible backing tape form an LED strip light.

Common package shapes include round, with a domed or flat top, rectangular with a flat top (as used in bar-graph displays), and triangular or square with a flat top. The encapsulation may also be clear or tinted to improve contrast and viewing angle. Infrared devices may have a black tint to block visible light while passing infrared radiation.

Ultra-high-output LEDs are designed for viewing in direct sunlight.

5 V and 12 V LEDs are ordinary miniature LEDs that have a series resistor for direct connection to a 5 V or 12 V supply.

High-power

High-power light-emitting diodes attached to an LED star base (Luxeon, Lumileds)

See also: Solid-state lighting, LED lamp, and Thermal management of high-power LEDs

High-power LEDs (HP-LEDs) or high-output LEDs (HO-LEDs) can be driven at currents from hundreds of mA to more than an ampere, compared with the tens of mA for other LEDs. Some can emit over a thousand lumens. LED power densities up to 300 W/cm² have been achieved. Since overheating is destructive, the HP-LEDs must be mounted on a heat sink to allow for heat dissipation. If the heat from an HP-LED is not removed, the device fails in seconds. One HP-LED can often replace an incandescent bulb in a flashlight, or be set in an array to form a powerful LED lamp.

Some HP-LEDs in this category are the Nichia 19 series, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon, and Cree X-lamp. As of September 2009, some HP-LEDs manufactured by Cree exceed 105 lm/W.

Examples for Haitz's law—which predicts an exponential rise in light output and efficacy of LEDs over time—are the CREE XP-G series LED, which achieved 105 lm/W in 2009 and the Nichia 19 series with a typical efficacy of 140 lm/W, released in 2010.

AC-driven

LEDs developed by Seoul Semiconductor can operate on AC power without a DC converter. For each half-cycle, part of the LED emits light and part is dark, and this is reversed during the next half-cycle. The efficiency of this type of HP-LED is typically 40 lm/W. A large number of LED elements in series may be able to operate directly from line voltage. In 2009, Seoul Semiconductor released a high DC voltage LED, named 'Acrich MJT', capable of being driven from AC power with a simple controlling circuit. The low-power dissipation of these LEDs affords them more flexibility than the original AC LED design.

Strip

This section is an excerpt from LED strip light.[edit]

Several LED spots being reflected as continuous lighting strip

An LED strip, tape, or ribbon light is a flexible circuit board populated by surface-mount light-emitting diodes (SMD LEDs) and other components that usually comes with an adhesive backing. Traditionally, strip lights had been used solely in accent lighting, backlighting, task lighting, and decorative lighting applications, such as cove lighting.

LED strip lights originated in the early 2000s. Since then, increased luminous efficacy and higher-power SMDs have allowed them to be used in applications such as high brightness task lighting, fluorescent and halogen lighting fixture replacements, indirect lighting applications, ultraviolet inspection during manufacturing processes, set and costume design, and growing plants.

Application-specific

RGB-SMD-LED

Composite image of an 11 × 44 LED matrix lapel name tag display using 1608/0603-type SMD LEDs. Top: A little over half of the 21 × 86 mm display. Center: Close-up of LEDs in ambient light. Bottom: LEDs in their own red light.

Flashing

Flashing LEDs are used as attention seeking indicators without requiring external electronics. Flashing LEDs resemble standard LEDs but they contain an integrated voltage regulator and a multivibrator circuit that causes the LED to flash with a typical period of one second. In diffused lens LEDs, this circuit is visible as a small black dot. Most flashing LEDs emit light of one color, but more sophisticated devices can flash between multiple colors and even fade through a color sequence using RGB color mixing. Flashing SMD LEDs in the 0805 and other size formats have been available since early 2019.

Flickering

Integrated electronics Simple electronic circuits integrated into the LED package have been around since at least 2011 which produce a random LED intensity pattern reminiscent of a flickering candle. Reverse engineering in 2024 has suggested that some flickering LEDs with automatic sleep and wake modes might be using an integrated 8-bit microcontroller for such functionally.

Bi-color

Bi-color LEDs contain two different LED emitters in one case. There are two types of these. One type consists of two dies connected to the same two leads antiparallel to each other. Current flow in one direction emits one color, and current in the opposite direction emits the other color. The other type consists of two dies with separate leads for both dies and another lead for common anode or cathode so that they can be controlled independently. The most common bi-color combination is red/traditional green. Others include amber/traditional green, red/pure green, red/blue, and blue/pure green.

RGB tri-color

Tri-color LEDs contain three different LED emitters in one case. Each emitter is connected to a separate lead so they can be controlled independently. A four-lead arrangement is typical with one common lead (anode or cathode) and an additional lead for each color. Others have only two leads (positive and negative) and have a built-in electronic controller. RGB LEDs consist of one red, one green, and one blue LED. By independently adjusting each of the three, RGB LEDs are capable of producing a wide color gamut. Unlike dedicated-color LEDs, these do not produce pure wavelengths. Modules may not be optimized for smooth color mixing.

Decorative-multicolor

Decorative-multicolor LEDs incorporate several emitters of different colors supplied by only two lead-out wires. Colors are switched internally by varying the supply voltage.

Alphanumeric

Alphanumeric LEDs are available in seven-segment, starburst, and dot-matrix format. Seven-segment displays handle all numbers and a limited set of letters. Starburst displays can display all letters. Dot-matrix displays typically use 5×7 pixels per character. Seven-segment LED displays were in widespread use in the 1970s and 1980s, but rising use of liquid crystal displays, with their lower power needs and greater display flexibility, has reduced the popularity of numeric and alphanumeric LED displays.

Digital RGB

Digital RGB addressable LEDs contain their own "smart" control electronics. In addition to power and ground, these provide connections for data-in, data-out, clock and sometimes a strobe signal. These are connected in a daisy chain, which allows individual LEDs in a long LED strip light to be easily controlled by a microcontroller. Data sent to the first LED of the chain can control the brightness and color of each LED independently of the others. They are used where a combination of maximum control and minimum visible electronics are needed such as strings for Christmas and LED matrices. Some even have refresh rates in the kHz range, allowing for basic video applications. These devices are known by their part number (WS2812 being common) or a brand name such as NeoPixel.

Filament

An LED filament consists of multiple LED chips connected in series on a common longitudinal substrate that forms a thin rod reminiscent of a traditional incandescent filament. These are being used as a low-cost decorative alternative for traditional light bulbs that are being phased out in many countries. The filaments use a rather high voltage, allowing them to work efficiently with mains voltages. Often a simple rectifier and capacitive current limiting are employed to create a low-cost replacement for a traditional light bulb without the complexity of the low voltage, high current converter that single die LEDs need. Usually, they are packaged in bulb similar to the lamps they were designed to replace, and filled with inert gas at slightly lower than ambient pressure to remove heat efficiently and prevent corrosion.

Chip-on-board arrays

Surface-mounted LEDs are frequently produced in chip on board (COB) arrays, allowing better heat dissipation than with a single LED of comparable luminous output. The LEDs can be arranged around a cylinder, and are called "corn cob lights" because of the rows of yellow LEDs.

Considerations for use

• Efficiency: LEDs emit more lumens per watt than incandescent light bulbs. The efficiency of LED lighting fixtures is not affected by shape and size, unlike fluorescent light bulbs or tubes.
• Size: LEDs can be very small (smaller than 2 mm²) and are easily attached to printed circuit boards.

Power sources

Main article: LED power sources

Simple LED circuit with resistor for current limiting

The current in an LED or other diodes rises exponentially with the applied voltage (see Shockley diode equation), so a small change in voltage can cause a large change in current. Current through the LED must be regulated by an external circuit such as a constant current source to prevent damage. Since most common power supplies are (nearly) constant-voltage sources, LED fixtures must include a power converter, or at least a current-limiting resistor. In some applications, the internal resistance of small batteries is sufficient to keep current within the LED rating.

LEDs are sensitive to voltage. They must be supplied with a voltage above their threshold voltage and a current below their rating. Current and lifetime change greatly with a small change in applied voltage. They thus require a current-regulated supply (usually just a series resistor for indicator LEDs).

Efficiency droop: The efficiency of LEDs decreases as the electric current increases. Heating also increases with higher currents, which compromises LED lifetime. These effects put practical limits on the current through an LED in high power applications.

Electrical polarity

Main article: Electrical polarity of LEDs

Unlike a traditional incandescent lamp, an LED will light only when voltage is applied in the forward direction of the diode. No current flows and no light is emitted if voltage is applied in the reverse direction. If the reverse voltage exceeds the breakdown voltage, which is typically about five volts, a large current flows and the LED will be damaged. If the reverse current is sufficiently limited to avoid damage, the reverse-conducting LED is a useful noise diode.

By definition, the energy band gap of any diode is higher when reverse-biased than when forward-biased. Because the band gap energy determines the wavelength of the light emitted, the color cannot be the same when reverse-biased. The reverse breakdown voltage is sufficiently high that the emitted wavelength cannot be similar enough to still be visible. Though dual-LED packages exist that contain a different color LED in each direction, it is not expected that any single LED element can emit visible light when reverse-biased.

It is not known if any zener diode could exist that emits light only in reverse-bias mode. Uniquely, this type of LED would conduct when connected backwards.

Safety and health

Certain blue LEDs and cool-white LEDs can exceed safe limits of the so-called blue-light hazard as defined in eye safety specifications such as "ANSI/IESNA RP-27.1–05: Recommended Practice for Photobiological Safety for Lamp and Lamp Systems". One study showed no evidence of a risk in normal use at domestic illuminance, and that caution is only needed for particular occupational situations or for specific populations. In 2006, the International Electrotechnical Commission published IEC 62471 Photobiological safety of lamps and lamp systems, replacing the application of early laser-oriented standards for classification of LED sources.

While LEDs have the advantage over fluorescent lamps, in that they do not contain mercury, they may contain other hazardous metals such as lead and arsenic.

In 2016 the American Medical Association (AMA) issued a statement concerning the possible adverse influence of blueish street lighting on the sleep-wake cycle of city-dwellers. Industry critics claim exposure levels are not high enough to have a noticeable effect.

Appearance

• Color: LEDs can emit light of an intended color without using any color filters as traditional lighting methods need. This is more efficient and can lower initial costs.
• Cool light: In contrast to most light sources, LEDs radiate very little heat in the form of IR that can cause damage to sensitive objects or fabrics. Wasted energy is dispersed as heat through the base of the LED.
• Color rendition: Most cool-white LEDs have spectra that differ significantly from a black body radiator like the sun or an incandescent light. The spike at 460 nm and dip at 500 nm can make the color of objects appear differently under cool-white LED illumination than sunlight or incandescent sources, due to metamerism, red surfaces being rendered particularly poorly by typical phosphor-based cool-white LEDs. The same is true with green surfaces. The quality of color rendition of an LED is measured by the Color Rendering Index (CRI).
• Dimming: LEDs can be dimmed either by pulse-width modulation or lowering the forward current. This pulse-width modulation is why LED lights, particularly headlights on cars, when viewed on camera or by some people, seem to flash or flicker. This is a type of stroboscopic effect.

Light properties

• Switch on time: LEDs light up extremely quickly. A typical red indicator LED achieves full brightness in under a microsecond. LEDs used in communications devices can have even faster response times.
• Focus: The solid package of the LED can be designed to focus its light. Incandescent and fluorescent sources often require an external reflector to collect light and direct it in a usable manner. For larger LED packages total internal reflection (TIR) lenses are often used to the same effect. When large quantities of light are needed, many light sources such as LED chips are usually deployed, which are difficult to focus or collimate on the same target.
• Area light source: Single LEDs do not approximate a point source of light giving a spherical light distribution, but rather a lambertian distribution. So, LEDs are difficult to apply to uses needing a spherical light field. Different fields of light can be manipulated by the application of different optics or "lenses". LEDs cannot provide divergence below a few degrees.

Reliability

• Shock resistance: LEDs, being solid-state components, are difficult to damage with external shock, unlike fluorescent and incandescent bulbs, which are fragile.
• Thermal runaway: Parallel strings of LEDs will not share current evenly due to the manufacturing tolerances in their forward voltage. Running two or more strings from a single current source may result in LED failure as the devices warm up. If forward voltage binning is not possible, a circuit is required to ensure even distribution of current between parallel strands.
• Slow failure: LEDs mainly fail by dimming over time, rather than the abrupt failure of incandescent bulbs.
• Lifetime: LEDs can have a relatively long useful life. One report estimates 35,000 to 50,000 hours of useful life, though time to complete failure may be shorter or longer. Fluorescent tubes typically are rated at about 10,000 to 25,000 hours, depending partly on the conditions of use, and incandescent light bulbs at 1,000 to 2,000 hours. Several DOE demonstrations have shown that reduced maintenance costs from this extended lifetime, rather than energy savings, is the primary factor in determining the payback period for an LED product.
• Cycling: LEDs are ideal for uses subject to frequent on-off cycling, unlike incandescent and fluorescent lamps that fail faster when cycled often, or high-intensity discharge lamps (HID lamps) that require a long time to warm up to full output and to cool down before they can be lighted again if they are being restarted.
• Temperature dependence: LED performance largely depends on the ambient temperature of the operating environment – or thermal management properties. Overdriving an LED in high ambient temperatures may result in overheating the LED package, eventually leading to device failure. An adequate heat sink is needed to maintain long life. This is especially important in automotive, medical, and military uses where devices must operate over a wide range of temperatures, and require low failure rates.

Environmental

• Light pollution: Because white LEDs emit more short wavelength light than sources such as high-pressure sodium vapor lamps, the increased blue and green sensitivity of scotopic vision means that white LEDs used in outdoor lighting cause substantially more sky glow.
• Impact on wildlife: LEDs are much more attractive to insects than sodium-vapor lights, so much so that there has been speculative concern about the possibility of disruption to food webs. LED lighting near beaches, particularly intense blue and white colors, can disorient turtle hatchlings and make them wander inland instead. The use of "turtle-safe lighting" LEDs that emit only at narrow portions of the visible spectrum is encouraged by conservancy groups in order to reduce harm.
• Use in winter conditions: Since they do not give off much heat in comparison to incandescent lights, LED lights used for traffic control can have snow obscuring them, leading to accidents.

Manufacturing

LED manufacturing involves multiple steps, including epitaxy, chip processing, chip separation, and packaging.

In a typical LED manufacturing process, encapsulation is performed after probing, dicing, die transfer from wafer to package, and wire bonding or flip chip mounting, perhaps using indium tin oxide, a transparent electrical conductor. In this case, the bond wire(s) are attached to the ITO film that has been deposited in the LEDs.

Flip chip circuit on board (COB) is a technique that can be used to manufacture LEDs.

Applications

Daytime running light LEDs of an automobile

LED uses fall into five major categories:

• Visual signals where light goes more or less directly from the source to the human eye, to convey a message or meaning
• Illumination where light is reflected from objects to give visual response of these objects
• Measuring and interacting with processes involving no human vision
• Narrow band light sensors where LEDs operate in a reverse-bias mode and respond to incident light, instead of emitting light
• Indoor cultivation, including cannabis.

The application of LEDs in horticulture has revolutionized plant cultivation by providing energy-efficient, customizable lighting solutions that optimize plant growth and development. LEDs offer precise control over light spectra, intensity, and photoperiods, enabling growers to tailor lighting conditions to the specific needs of different plant species and growth stages. This technology enhances photosynthesis, improves crop yields, and reduces energy costs compared to traditional lighting systems. Additionally, LEDs generate less heat, allowing closer placement to plants without risking thermal damage, and contribute to sustainable farming practices by lowering carbon footprints and extending growing seasons in controlled environments. Light spectrum affects growth, metabolite profile, and resistance against fungal phytopathogens of Solanum lycopersicum seedlings. LEDs can also be used in micropropagation.

Indicators and signs

The low energy consumption, low maintenance and small size of LEDs has led to uses as status indicators and displays on a variety of equipment and installations. Large-area LED displays are used as stadium displays, dynamic decorative displays, and dynamic message signs on freeways. Thin, lightweight message displays are used at airports and railway stations, and as destination displays for trains, buses, trams, and ferries.

Red and green LED traffic signals

One-color light is well suited for traffic lights and signals, exit signs, emergency vehicle lighting, ships' navigation lights, and LED-based Christmas lights

Because of their long life, fast switching times, and visibility in broad daylight due to their high output and focus, LEDs have been used in automotive brake lights and turn signals. The use in brakes improves safety, due to a great reduction in the time needed to light fully, or faster rise time, about 0.1 second faster than an incandescent bulb. This gives drivers behind more time to react. In a dual intensity circuit (rear markers and brakes) if the LEDs are not pulsed at a fast enough frequency, they can create a phantom array, where ghost images of the LED appear if the eyes quickly scan across the array. White LED headlamps are beginning to appear. Using LEDs has styling advantages because LEDs can form much thinner lights than incandescent lamps with parabolic reflectors.

Due to the relative cheapness of low output LEDs, they are also used in many temporary uses such as glowsticks and throwies. Artists have also used LEDs for LED art.

Lighting

Main article: LED lamp

With the development of high-efficiency and high-power LEDs, it has become possible to use LEDs in lighting and illumination. To encourage the shift to LED lamps and other high-efficiency lighting, in 2008 the US Department of Energy created the L Prize competition. The Philips Lighting North America LED bulb won the first competition on August 3, 2011, after successfully completing 18 months of intensive field, lab, and product testing.

Efficient lighting is needed for sustainable architecture. As of 2011, some LED bulbs provide up to 150 lm/W and even inexpensive low-end models typically exceed 50 lm/W, so that a 6-watt LED could achieve the same results as a standard 40-watt incandescent bulb. The lower heat output of LEDs also reduces demand on air conditioning systems. Worldwide, LEDs are rapidly adopted to displace less effective sources such as incandescent lamps and CFLs and reduce electrical energy consumption and its associated emissions. Solar powered LEDs are used as street lights and in architectural lighting.

The mechanical robustness and long lifetime are used in automotive lighting on cars, motorcycles, and bicycle lights. LED street lights are employed on poles and in parking garages. In 2007, the Italian village of Torraca was the first place to convert its street lighting to LEDs.

Cabin lighting on recent Airbus and Boeing jetliners uses LED lighting. LEDs are also being used in airport and heliport lighting. LED airport fixtures currently include medium-intensity runway lights, runway centerline lights, taxiway centerline and edge lights, guidance signs, and obstruction lighting.

LEDs are also used as a light source for DLP projectors, and to backlight newer LCD television (referred to as LED TV), computer monitor (including laptop) and handheld device LCDs, succeeding older CCFL-backlit LCDs although being superseded by OLED screens. RGB LEDs raise the color gamut by as much as 45%. Screens for TV and computer displays can be made thinner using LEDs for backlighting.

LEDs are small, durable and need little power, so they are used in handheld devices such as flashlights. LED strobe lights or camera flashes operate at a safe, low voltage, instead of the 250+ volts commonly found in xenon flashlamp-based lighting. This is especially useful in cameras on mobile phones, where space is at a premium and bulky voltage-raising circuitry is undesirable.

LEDs are used for infrared illumination in night vision uses including security cameras. A ring of LEDs around a video camera, aimed forward into a retroreflective background, allows chroma keying in video productions.

LED for miners, to increase visibility inside mines

Los Angeles Vincent Thomas Bridge illuminated with blue LEDs

LEDs are used in mining operations, as cap lamps to provide light for miners. Research has been done to improve LEDs for mining, to reduce glare and to increase illumination, reducing risk of injury to the miners.

LEDs are increasingly finding uses in medical and educational applications, for example as mood enhancement. NASA has even sponsored research for the use of LEDs to promote health for astronauts.

Data communication and other signalling

See also: Li-Fi, fibre optics, Visible light communication, and Optical disc

Light can be used to transmit data and analog signals. For example, lighting white LEDs can be used in systems assisting people to navigate in closed spaces while searching necessary rooms or objects.

Assistive listening devices in many theaters and similar spaces use arrays of infrared LEDs to send sound to listeners' receivers. Light-emitting diodes (as well as semiconductor lasers) are used to send data over many types of fiber optic cable, from digital audio over TOSLINK cables to the very high bandwidth fiber links that form the Internet backbone. For some time, computers were commonly equipped with IrDA interfaces, which allowed them to send and receive data to nearby machines via infrared.

Because LEDs can cycle on and off millions of times per second, very high data bandwidth can be achieved. For that reason, visible light communication (VLC) has been proposed as an alternative to the increasingly competitive radio bandwidth. VLC operates in the visible part of the electromagnetic spectrum, so data can be transmitted without occupying the frequencies of radio communications.

Machine vision systems

Main article: Machine vision

Machine vision systems often require bright and homogeneous illumination, so features of interest are easier to process. LEDs are often used.

Сканеры штрих-кода являются наиболее распространенным примером приложений машинного зрения, и во многих из этих сканеров вместо лазеров используются красные светодиоды. Оптические компьютерные мыши используют светодиоды в качестве источника света для миниатюрной камеры внутри мыши.

Светодиоды полезны для машинного зрения, поскольку они представляют собой компактный и надежный источник света. Светодиодные лампы можно включать и выключать в соответствии с потребностями системы технического зрения, а форму создаваемого луча можно адаптировать в соответствии с требованиями системы.

Биологическое обнаружение

Открытие исследовательской лабораторией армии США (ARL) излучательной рекомбинации в сплавах нитрида алюминия-галлия (AlGaN) привело к разработке концепции использования УФ-светодиодов (светодиодов) для включения в светоиндуцированные флуоресцентные датчики, используемые для обнаружения биологических агентов. В 2004 году Химико-биологический центр Эджвуда (ECBC) инициировал попытку создать биологический детектор под названием TAC-BIO. В программе использовались полупроводниковые оптические УФ-источники (SUVOS), разработанные Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) .

УФ-индуцированная флуоресценция — один из наиболее надежных методов, используемых для быстрого обнаружения биологических аэрозолей в режиме реального времени. Первыми УФ-датчиками были лазеры, которым не хватало практичности в полевых условиях. Чтобы решить эту проблему, DARPA внедрило технологию SUVOS для создания недорогого, небольшого, легкого и маломощного устройства. Время отклика детектора TAC-BIO составило одну минуту с момента обнаружения биологического агента. Также было продемонстрировано, что детектор может работать без присмотра в помещении и на открытом воздухе в течение нескольких недель.

Аэрозольные биологические частицы флуоресцируют и рассеивают свет под действием УФ-луча. Наблюдаемая флуоресценция зависит от применяемой длины волны и биохимических флуорофоров в составе биологического агента. УФ-индуцированная флуоресценция предлагает быстрый, точный, эффективный и логистически практичный способ обнаружения биологических агентов. Это связано с тем, что использование УФ-флуоресценции не требует реагентов или представляет собой процесс, который не требует добавления химикатов для проведения реакции, не требует расходных материалов или не производит никаких химических побочных продуктов.

Кроме того, TAC-BIO может надежно различать опасные и неопасные аэрозоли. Утверждалось, что он достаточно чувствителен, чтобы обнаруживать низкие концентрации, но не настолько чувствителен, чтобы вызывать ложноположительные результаты. Алгоритм подсчета частиц, используемый в устройстве, преобразовывал необработанные данные в информацию путем подсчета импульсов фотонов в единицу времени от детекторов флуоресценции и рассеяния и сравнения значения с установленным порогом.

Оригинальный TAC-BIO был представлен в 2010 году, а второе поколение TAC-BIO GEN II было разработано в 2015 году как более экономичное, поскольку в нем использовались пластиковые детали. Его небольшая и легкая конструкция позволяет устанавливать его на транспортные средства, роботов и беспилотные летательные аппараты. Устройство второго поколения также можно использовать в качестве детектора окружающей среды для мониторинга качества воздуха в больницах, самолетах или даже в домашних условиях для обнаружения грибков и плесени.

Другие приложения

Светодиодный костюм для артистов сцены

Светодиодные обои Meystyle

Свет светодиодов можно очень быстро модулировать, поэтому они широко используются в оптоволоконных системах связи и оптике свободного пространства . Сюда входят пульты дистанционного управления , например, для телевизоров, где часто используются инфракрасные светодиоды. В оптоизоляторах используется светодиод в сочетании с фотодиодом или фототранзистором , чтобы обеспечить электрическую изоляцию пути прохождения сигнала между двумя цепями. Это особенно полезно в медицинском оборудовании, где сигналы от цепи низковольтного датчика (обычно с батарейным питанием), контактирующего с живым организмом, должны быть электрически изолированы от любого возможного электрического сбоя в устройстве регистрации или мониторинга, работающем при потенциально опасных напряжениях. Оптоизолятор также позволяет передавать информацию между цепями, которые не имеют общего потенциала земли.

Многие сенсорные системы полагаются на свет в качестве источника сигнала. Светодиоды часто идеальны в качестве источника света из-за требований датчиков. Сенсорная панель Nintendo Wii использует инфракрасные светодиоды. Пульсовые оксиметры используют их для измерения насыщения кислородом . используются массивы светодиодов RGB, а не типичная люминесцентная лампа с холодным катодом В некоторых планшетных сканерах в качестве источника света . Независимое управление тремя цветами подсветки позволяет сканеру самостоятельно калиброваться для более точного цветового баланса без необходимости прогрева. Кроме того, его датчики должны быть только монохромными, поскольку в любой момент времени сканируемая страница освещается только одним цветом света.

Поскольку светодиоды также можно использовать в качестве фотодиодов, их можно использовать как для фотоэмиссии, так и для обнаружения. Это можно использовать, например, в сенсорном экране , который регистрирует отраженный свет от пальца или стилуса . Многие материалы и биологические системы чувствительны к свету или зависят от него. В светильниках для выращивания растений используются светодиоды для увеличения фотосинтеза в растениях . а бактерии и вирусы можно удалить из воды и других веществ с помощью УФ-светодиодов для стерилизации . Светодиоды определенных длин волн также используются для светотерапевтического лечения неонатальной желтухи и прыщей .

УФ-светодиоды со спектральным диапазоном от 220 до 395 нм находят другие применения, такие как очистка воды и воздуха , дезинфекция поверхностей, отверждение клея, связь в открытом пространстве вне прямой видимости , высокоэффективная жидкостная хроматография, краситель, отверждаемый УФ-излучением. печать, фототерапия ( витамин D 295 нм , эксимерная лампа 308 нм или замена лазера), медицинское/аналитическое оборудование и абсорбция ДНК.

Светодиоды также используются в качестве источника опорного напряжения среднего качества в электронных схемах. Прямое падение напряжения (около 1,7 В для красного светодиода или 1,2 В для инфракрасного) можно использовать вместо стабилитрона в низковольтных стабилизаторах. Красные светодиоды имеют самую пологую ВАХ выше колена. Светодиоды на основе нитридов имеют довольно крутую ВАХ и для этой цели бесполезны. Хотя прямое напряжение светодиода в гораздо большей степени зависит от тока, чем стабилитрон, стабилитроны с напряжением пробоя ниже 3 В широко не доступны.

Постепенная миниатюризация низковольтных осветительных технологий, таких как светодиоды и OLED, подходящие для использования в материалах малой толщины, способствовала экспериментам по комбинированию источников света и поверхностей настенного покрытия для внутренних стен в виде светодиодных обоев .

• 
  Большой светодиодный дисплей позади диск-жокея.
• 
  Семисегментный дисплей , способный отображать четыре цифры и точки.
• 
  Источник света на светодиодной панели, использованный в раннем эксперименте по выращиванию картофеля во время миссии шаттла STS-73 для изучения потенциала выращивания продуктов питания в будущих длительных миссиях.

Исследования и разработки

Ключевые проблемы

Светодиодам требуется оптимизированная эффективность, зависящая от постоянных усовершенствований, таких как люминофорные материалы и квантовые точки .

Процесс понижающего преобразования (метод, с помощью которого материалы преобразуют более энергичные фотоны в другие, менее энергичные цвета) также нуждается в улучшении. Например, красные люминофоры, которые используются сегодня, термочувствительны и нуждаются в улучшении в этом аспекте, чтобы они не меняли цвет и не испытывали падения эффективности с температурой. Красные люминофоры также могут выиграть от более узкой спектральной ширины, чтобы излучать больше люменов и становиться более эффективными при преобразовании фотонов.

Кроме того, еще предстоит проделать работу в области снижения текущей эффективности, смещения цвета, надежности системы, распределения света, затемнения, управления температурным режимом и производительности источника питания.

Первые подозрения заключались в том, что падение мощности светодиодов было вызвано повышенными температурами. Ученые показали, что температура не является основной причиной падения эффективности. Механизм, вызывающий падение эффективности, был идентифицирован в 2007 году как оже-рекомбинация , которая была воспринята неоднозначной реакцией. Исследование 2013 года окончательно установило, что причиной является оже-рекомбинация.

Потенциальная технология

Новое семейство светодиодов основано на полупроводниках, называемых перовскитами . В 2018 году, менее чем через четыре года после их открытия, способность перовскитных светодиодов (PLED) производить свет за счет электронов уже конкурировала со способностью наиболее эффективных OLED . У них есть потенциал экономической эффективности, поскольку их можно обрабатывать из раствора, недорогого и низкотехнологичного метода, который может позволить изготавливать устройства на основе перовскита, имеющие большие площади, с чрезвычайно низкими затратами. Их эффективность превосходит устранение безызлучательных потерь, другими словами, устранение путей рекомбинации , которые не производят фотоны; или путем решения проблемы развязки (распространенной для тонкопленочных светодиодов) или балансировки инжекции носителей заряда для увеличения EQE (внешнего квантового выхода). Самые современные устройства PLED преодолели барьер производительности, подняв EQE выше 20%.

В 2018 году Цао и др. и Лин и др. независимо опубликовали две статьи о разработке перовскитных светодиодов с EQE более 20%, что сделало эти две статьи важной вехой в развитии PLED. Их устройства имеют схожую планарную структуру, то есть активный слой (перовскит) зажат между двумя электродами. Чтобы добиться высокого EQE, они не только уменьшили безызлучательную рекомбинацию, но и использовали свои собственные, слегка отличающиеся методы для улучшения EQE.

В работе Цао и др. , Исследователи сосредоточились на проблеме развязки, которая заключается в том, что оптическая физика тонкопленочных светодиодов приводит к тому, что большая часть света, генерируемого полупроводником, задерживается в устройстве. Для достижения этой цели они продемонстрировали, что перовскиты, обработанные в растворе, могут спонтанно образовывать кристаллические пластинки субмикрометрового размера, которые могут эффективно извлекать свет из устройства. Эти перовскиты образуются путем введения аминокислотных перовскита добавок в растворы предшественников . Кроме того, их метод способен пассивировать поверхностные дефекты перовскита и уменьшать безызлучательную рекомбинацию. Таким образом, за счет улучшения вывода света и снижения безызлучательных потерь Цао и его коллеги успешно достигли PLED с EQE до 20,7%.

Лин и его коллега использовали другой подход для достижения высокого EQE. Вместо того, чтобы модифицировать микроструктуру слоя перовскита, они решили принять новую стратегию управления распределением состава в устройстве — подход, который одновременно обеспечивает высокую люминесценцию и сбалансированную инжекцию заряда. Другими словами, они по-прежнему использовали плоский эмиссионный слой, но пытались оптимизировать баланс электронов и дырок, инжектированных в перовскит, чтобы наиболее эффективно использовать носители заряда. При этом в слое перовскита кристаллы прекрасно заключены добавкой МАБр (где МА – CH ₃ NH ₃ ). Оболочка MABr пассивирует безызлучательные дефекты, которые в противном случае присутствовали бы в кристаллах перовскита, что приводило к уменьшению безызлучательной рекомбинации. Поэтому, сбалансировав инжекцию заряда и уменьшив безызлучательные потери, Лин и его коллеги разработали PLED с EQE до 20,3%.

См. также

• светодиодная татуировка
• Список источников света
• МикроЛЭД
• Суперлюминесцентный диод

Дальнейшее чтение

• Дэвид Л. Хейзерман (1968). Светоизлучающие диоды (PDF) . Мир электроники.
• Сюдзи Накамура; Герхард Фасоль; Стивен Дж. Пиртон (2000). Синий лазерный диод: полная история . Спрингер Верлаг. ISBN  978-3-540-66505-2 .

Внешние ссылки

• Изготовление светодиода своими руками.
• Цветной светодиодный индикатор в одном двухконтактном корпусе ,
• Обучающее видео о светодиодах на YouTube