Większość materiałów półprzewodnikowych stosowanych do produkcji diod LED ma bardzo wysoki współczynnik załamania światła. Oznacza to, że większość światła emitowanego wewnątrz półprzewodnika odbija się po dotarciu do powierzchni zewnętrznej, która styka się z powietrzem, w wyniku zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia. Ekstrakcja światła jest zatem bardzo ważnym aspektem i w ciągłych badaniach i rozwoju, który należy uwzględnić przy produkcji diod LED. Większość materiałów półprzewodnikowych stosowanych do produkcji diod LED ma bardzo wysoki współczynnik załamania światła w stosunku do powietrza. Oznacza to, że większość światła emitowanego wewnątrz półprzewodnika zostanie odbita po dotarciu do zewnętrznej powierzchni stykającej się z powietrzem przez zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Zjawisko to wpływa zarówno na sprawność emisji światła przez diody LED, jak i efektywność pochłaniania światła przez ogniwa fotowoltaiczne.
Ogólnie rzecz biorąc, niepowlekany chip półprzewodnikowy LED o płaskiej powierzchni będzie emitował światło tylko w kierunku prostopadłym do powierzchni półprzewodnika oraz w bardzo bliskich kierunkach, tworząc stożek zwany stożkiem świetlnym48 lub stożkiem ucieczki.49 Maksymalny kąt Zdarzenie, które umożliwia ucieczkę fotonów z półprzewodnika, jest znane jako kąt krytyczny. Po przekroczeniu tego kąta fotony nie uciekają już z półprzewodnika, ale zamiast tego są odbijane w krysztale półprzewodnika, tak jakby znajdowało się lustro na zewnętrznej powierzchni. Ze względu na wewnętrzne odbicie światło, które zostało odbite wewnętrznie na jednej powierzchni, może przedostać się przez inne krystaliczne ściany, jeśli kąt padania jest teraz wystarczająco niski, a szkło jest wystarczająco przezroczyste, aby nie odbijać emisji fotonów z powrotem do wewnątrz. Jednak w prostej sześciennej diodzie z zewnętrznymi powierzchniami pod kątem 90 stopni wszystkie twarze działają jak równe, kątowe lustra. W tym przypadku większość światła nie może uciec i jest tracona w postaci ciepła w krysztale półprzewodnikowym.
Czip, który ma ukośne fasetki podobne do tych z wyciętego klejnotu lub soczewki fresnela na swojej powierzchni, może zwiększyć moc wyjściową światła, umożliwiając jego emisję w orientacjach prostopadłych do zewnętrznych ścianek chipa, zwykle więcej niż sześć unikalne z próbki sześciennej.
Idealną formą półprzewodnika do uzyskania maksymalnej mocy świetlnej byłaby mikrosfera z emisją fotonów umieszczonych dokładnie w jej środku i wyposażonych w elektrody, które wnikają do środka i łączą się z punktem emisji. Wszystkie promienie świetlne ze środka byłyby prostopadłe do powierzchni kuli, co powodowałoby brak wewnętrznych odbić. Półprzewodnik półkulisty również działałby poprawnie, ponieważ płaska część działałaby jak lustro odbijające fotony, tak aby całe światło mogło być całkowicie wyemitowane przez półkulę.
Diody LED są przeznaczone do pracy z mocą elektryczną nie większą niż 30-60 miliwatów (mW). Około 1999 roku firma Philips Lumileds wprowadziła na rynek mocniejsze diody LED, które mogą pracować w sposób ciągły z mocą jednego wata. Te diody LED wykorzystywały znacznie większe, wycinane półprzewodniki, aby akceptować wyższe moce. Dodatkowo zostały zamontowane na metalowych prętach ułatwiających odprowadzanie ciepła.
Jedną z głównych zalet źródeł światła LED jest wysoka skuteczność świetlna. Białe diody LED szybko dorównują, a nawet przekraczają wydajność standardowych systemów oświetlenia żarowego. W 2002 roku Lumileds wyprodukował 5-watowe diody LED o wydajności świetlnej 18-22 lumenów na wat (lm / W). Dla porównania konwencjonalna żarówka 60-100 W emituje około 15 lm / W, a standardowe świetlówki emitują do 100 lm / W.
Począwszy od 2012 r. Firma Future Lighting Solutions osiągnęła następujące wydajności dla niektórych kolorów.52 Wartości sprawności przedstawiają moc wyjściową światła na każdy wat wejściowej mocy elektrycznej. Wartości skuteczności świetlnej obejmują właściwości ludzkiego oka i zostały wyprowadzone z funkcji jasności. We wrześniu 2003 roku Cree Inc. wyprodukowało nowy typ niebieskiej diody LED, która zużywała 24 miliwatów (mW) przy 20 miliamperach (mA). Pozwoliło to na nową obudowę białego światła, które wytwarzało 65 lm / W przy 20 miliamperach, stając się najjaśniejszą białą diodą LED dostępną na rynku; była również ponad czterokrotnie bardziej wydajna niż standardowe żarówki. W 2006 roku zaprezentowali prototyp białej diody LED o rekordowej skuteczności świetlnej 131 lm / W przy prądzie 20 miliamperów. Ogólne potrzeby oświetleniowe w praktyce wymagają diod LED o dużej mocy, co najmniej jeden wat. Działają z prądami większymi niż 350 miliamperów.
Te sprawności odnoszą się do światła emitowanego przez diodę utrzymywaną w laboratorium w niskiej temperaturze. Ponieważ diody LED, po zainstalowaniu, działają w wysokich temperaturach i przy stratach przewodzenia, w rzeczywistości wydajność jest znacznie niższa. Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) przeprowadził testy wymiany żarówek lub świetlówek kompaktowych na lampy LED, wykazując, że średnia uzyskana wydajność to około 46 lm / W w 2009 roku (zachowanie podczas testów zostało utrzymane w zakresie od 17 lm / W do 79 lm / W). Gdy prąd elektryczny dostarczany do diody LED przekracza kilkadziesiąt miliamperów, skuteczność świetlna spada z powodu efektu zwanego utratą wydajności.
Początkowo szukano wyjaśnienia, przypisując go wysokim temperaturom. Naukowcom udało się jednak wykazać coś przeciwnego, że chociaż żywotność diody LED można skrócić, spadek wydajności jest mniej dotkliwy w podwyższonych temperaturach. co prowadzi do mieszanej reakcji. Wreszcie badanie z 2013 roku ostatecznie potwierdziło tę teorię, aby uzasadnić utratę wydajności.
Oprócz zmniejszenia wydajności diody LED pracujące z wyższymi prądami elektrycznymi generują więcej ciepła, co wpływa na ich żywotność. Ze względu na to zwiększone ciepło przy wysokich prądach, diody LED o wysokiej jasności mają standardową wartość przemysłową wynoszącą zaledwie 350 mA, prąd, dla którego istnieje równowaga między jasnością, wydajnością i trwałością. Biorąc pod uwagę potrzebę zwiększenia jasności diod LED, nie jest to osiągane przez zwiększenie poziomu prądu, ale przez użycie kilku diod LED w jednej lampie. Dlatego rozwiązanie problemu utraty sprawności domowych lamp LED polega na zastosowaniu jak najmniejszej liczby diod w każdej lampie, co przyczynia się do znacznego obniżenia kosztów.
Członkowie United States Naval Research Laboratory znaleźli sposób na zmniejszenie spadku wydajności. Okazało się, że ta kropla pochodzi z niepromienistej rekombinacji Augera wytworzonej przez wstrzyknięte nośniki. Aby rozwiązać ten problem, stworzyli studnie kwantowe z miękkim potencjałem ograniczającym, aby zmniejszyć niepromieniujące procesy Augera63.
Naukowcy z National Central Taiwan University i Epistar Corp opracowują metodę zmniejszania utraty wydajności poprzez zastosowanie podłoży ceramicznych z azotku glinu, które mają wyższą przewodność cieplną niż szafir stosowany w handlu. Efekty cieplne są ograniczone dzięki wysokiej przewodności cieplnej nowych podłoży.
Urządzenia półprzewodnikowe, takie jak diody LED, mają bardzo ograniczony czas przydatności podczas pracy przy niskich prądach i niskich temperaturach. Czas życia wynosi od 25 000 do 100 000 godzin, ale wpływ ciepła i prądu może w tym czasie znacznie wzrosnąć lub zmniejszyć
Najczęstszą awarią diod LED (i diod laserowych) jest stopniowa redukcja emisji światła i utrata wydajności. Pierwsze czerwone diody LED wyróżniały się krótką żywotnością. Wraz z rozwojem diod LED dużej mocy, urządzenia są poddawane wyższym temperaturom złącza i wyższym gęstościom prądu niż tradycyjne urządzenia. Powoduje to naprężenie materiału i może spowodować wczesną degradację emisji światła. Aby ilościowo sklasyfikować żywotność w sposób ustandaryzowany, zaproponowano użycie parametrów L70 lub L50, które reprezentują czasy życia (wyrażone w tysiącach godzin), w których dana dioda LED osiąga 70% i 50% początkowa emisja światła odpowiednio 66
Podobnie jak w większości dotychczasowych źródeł światła (żarówek, lamp wyładowczych oraz spalających paliwo np. Świece i lampy naftowe) światło generowane było metodą termiczną, diody LED działają tylko poprawnie jeśli są wystarczająco chłodne. Producent zwykle określa maksymalną temperaturę złącza między 125 a 150 ° C, a niższe temperatury są zalecane w celu uzyskania długiej żywotności diod LED. W tych temperaturach stosunkowo mało ciepła jest tracone przez promieniowanie, co oznacza, że wiązka światła generowana przez diodę LED jest uważana za zimną.
Resztkowe ciepło w diodzie LED dużej mocy (które od 2015 r. Można uznać za mniej niż połowę zużywanej przez nią energii elektrycznej) jest transportowane przez przewodzenie przez podłoże i hermetyzowane do radiatora, który eliminuje ciepło w środowisko przez konwekcję. Dlatego konieczne jest dokładne zaprojektowanie termiczne, biorąc pod uwagę opory cieplne obudowy diody LED, radiatora i interfejsu między nimi. Diody LED średniej mocy są zwykle przeznaczone do lutowania bezpośrednio do płytki obwodu drukowanego, która ma metalową warstwę przewodzącą ciepło. Diody LED dużej mocy są zamknięte w wielkopowierzchniowych pakietach ceramicznych zaprojektowanych do podłączenia do metalowego radiatora, a interfejs jest materiałem o wysokiej przewodności cieplnej (pasta termiczna, materiał zmieniający fazę, przewodząca podkładka termiczna lub klej topliwy. ).
Jeśli lampa LED jest zainstalowana w oprawie oświetleniowej bez wentylacji lub w otoczeniu brakuje cyrkulacji świeżego powietrza, diody LED mogą się przegrzać, co skraca ich żywotność, a nawet prowadzi do przedwczesnego pogorszenia się stanu oprawy oświetleniowej. . Konstrukcja termiczna jest zwykle projektowana dla temperatury otoczenia 25 ° C (77 ° F). Diody LED stosowane w zastosowaniach zewnętrznych, takich jak sygnalizacja drogowa lub sygnalizacja świetlna na chodnikach, oraz w klimatach, w których temperatura wewnątrz oprawy oświetleniowej jest bardzo wysoka, mogą doświadczyć wszystkiego, od zmniejszenia emisji światła do zupełna porażka.
Ponieważ wydajność diod LED jest wyższa w niskich temperaturach, technologia ta jest idealna do oświetlania zamrażarek w supermarketach, ponieważ diody LED wytwarzają mniej ciepła odpadowego niż lampy żarowe, ich zastosowanie w zamrażarkach może również obniżyć koszty. chłodnictwa. Mogą być jednak bardziej podatne na szron i osadzanie się szronu niż lampy żarowe, dlatego niektóre systemy oświetlenia LED zostały wyposażone w obwód grzewczy. Ponadto opracowano techniki radiatorów, które mogą przenosić ciepło wytwarzane w połączeniu do części sprzętu oświetleniowego, które mogą być interesujące. Pierwsza niebiesko-fioletowa dioda LED wykorzystywała chlor z domieszką magnezu i została opracowana przez Herba Maruskę i Wally’ego Rhinesa z Uniwersytetu Stanforda w 1972 roku, doktorantów nauk o materiałach i inżynierii W tym czasie Maruska pracowała w laboratoriach. z RCA, gdzie współpracował z Jacquesem Pankove. W 1971 roku, rok po wyjeździe Maruski do Stanforda, jego koledzy z RCA Pankove i Ed Miller zademonstrowali pierwszą niebieską elektroluminescencję cynku domieszkowanego azotkiem galu; Jednak urządzenie, które zbudowali Pankove i Miller, pierwsza prawdziwa dioda elektroluminescencyjna z azotku galu, emitowało zielone światło. W 1974 roku Urząd Patentowy Stanów Zjednoczonych przyznał profesorowi Marusce, Rhines i Stanford David Stevenson patent ( Patent USA US3819974 A) z jego pracy z 1972 r. Nad domieszkowaniem azotku galu magnezem, który dziś pozostaje podstawą wszystkich komercyjnych niebieskich diod LED i diod laserowych. Urządzenia te zbudowane w latach 70. nie miały wystarczającej mocy świetlnej do praktycznego zastosowania, więc badania nad diodami z azotku galu uległy spowolnieniu. W sierpniu 1989 roku Cree wprowadziło pierwszą komercyjną niebieską diodę LED z pośrednim przejściem przez pasmo wzbronione w półprzewodniku z węglika krzemu (SiC) .85 86 diod SiC ma bardzo niską skuteczność świetlną, nie wyższą niż 0,03%, ale emitują w widocznym niebieskim obszarze.
W późnych latach osiemdziesiątych XX wieku przełom w rozwoju epitaksjalnym i domieszkowaniu typu p87 w GaN zapoczątkował nowoczesną erę urządzeń optoelektronicznych GaN. Opierając się na powyższym, Theodore Moustakas opatentował na Uniwersytecie Bostońskim metodę wytwarzania niebieskich diod LED przy użyciu nowatorskiego dwuetapowego procesu.88 Dwa lata później, w 1993 r., Shuji Nakamura przejął niebieskie diody LED o wysokiej intensywności. Nichia Corporation wykorzystująca procesy syntezy GaN podobne do Moustakas89. Moustakas i Nakamura otrzymali oddzielne patenty, co doprowadziło do konfliktów prawnych między Nichia a Boston University (głównie dlatego, że pomimo wynalezienia przez Moustakasa ich procesu) po pierwsze, Nakamura zarejestrował swoje wcześniej) .90 Ten nowy wynalazek zrewolucjonizował oświetlenie LED, czerpiąc korzyści z produkcji źródeł niebieskiego światła o dużej mocy, prowadząc do rozwoju technologii takich jak Blu-ray i promowania jasnych wyświetlaczy wysoka rozdzielczość nowoczesnych tabletów i telefonów.
Nakamura otrzymał Milenijną Nagrodę Technologiczną za wkład w rozwój technologii LED o dużej mocy i wysokiej wydajności91. Został również wyróżniony, wraz z Hiroshi Amano i Isamu Akasaki, Nagrodą Nobla z fizyki w 2014 roku za jej decydujący wkład w wysokowydajne diody LED i niebieską diodę LED.92 93 94 95 W 2015 roku amerykański sąd orzekł, że trzy firmy (to jest te same firmy będące powodem, które wcześniej nie rozwiązały swoich sporów) i że Patenty Nakamury na produkcję w USA naruszyły poprzedni patent Moustakasa i nakazały mu uiścić opłatę licencyjną w wysokości 13 milionów dolarów96.
Pod koniec lat 90-tych dostępne były już niebieskie diody LED. Stanowią one aktywny region składający się z jednej lub więcej studni kwantowych InGaN umieszczonych pomiędzy grubszymi arkuszami GaN, zwanymi osłonami. Zmieniając frakcję In / Ga w studniach kwantowych InGaN, teoretycznie można zmienić emisję światła z fioletowego na bursztynowy. Azotek galu glinu AlGaN o różnej zawartości frakcji Al / Ga może być użyty do wykonania osłony i folii studni kwantowych dla diod ultrafioletowych, ale urządzenia te nie osiągnęły jeszcze poziomu sprawności i wydajności. dojrzałość technologiczna niebiesko-zielonych urządzeń InGaN / GaN. Jeśli GaN jest używany bez pokrycia, do uformowania aktywnych warstw studni kwantowych urządzenie emituje światło bliskie ultrafioletowi z pikiem wyśrodkowanym przy długości fali około 365 nm.
Zielone diody LED produkowane w trybie InGaN / GaN są znacznie wydajniejsze i jaśniejsze niż diody LED produkowane w układach bezazotkowych, ale te urządzenia nadal mają zbyt niską wydajność do zastosowań o wysokiej jasności.
Stosując azotki glinu, takie jak AlGaN i AlGaInN, uzyskuje się jeszcze krótsze długości fal. Na rynku zaczyna być dostępna gama ultrafioletowych diod LED o różnych długościach fal. Emitujące diody LED bliskie UV o długościach fal około 375-395 nm są już wystarczająco tanie i można je łatwo znaleźć, na przykład w celu zastąpienia lamp czarnych w badaniu znaków wodnych zapobiegających podrabianiu UV w jakieś dokumenty i papierowe pieniądze. Diody o krótszych długościach fal (do 240 nm), 97 są obecnie na rynku, choć są zauważalnie droższe. Ponieważ światłoczułość mikroorganizmów z grubsza pokrywa się z widmem absorpcji DNA (z pikiem około 260 nm), oczekuje się, że w urządzeniach do dezynfekcji i sterylizacji będą stosowane diody UV o emisji w zakresie 250-270 nm. Niedawne badania wykazały, że dostępne na rynku diody UV LED (365 nm) są skuteczne w urządzeniach do dezynfekcji i sterylizacji. 98 długości fal UV-C uzyskano w laboratoriach przy użyciu azotku glinu (210 nm), azotku bor (215 nm) i diament (235 nm). Istnieją dwa podstawowe sposoby wytwarzania światła białego. Jednym z nich jest użycie pojedynczych diod LED, które emitują trzy podstawowe kolory (czerwony, zielony i niebieski), a następnie zmieszanie kolorów, aby uzyskać białe światło. Innym sposobem jest użycie luminoforu do konwersji światła monochromatycznego z niebieskiej lub UV LED na szerokie spektrum światła białego.
Ważne jest, aby wziąć pod uwagę, że biel wytwarzanego światła jest zasadniczo zaprojektowana tak, aby zadowolić ludzkie oko i w zależności od każdego przypadku nie zawsze jest właściwe myślenie, że jest to ściśle białe światło. Szeroka gama celów, które można osiągnąć za pomocą lamp fluorescencyjnych, służy jako punkt odniesienia. Ze względu na metameryzm możliwe jest posiadanie różnych widm, które wydają się białe. Jednak wygląd obiektów oświetlonych przez to światło może się zmieniać wraz ze zmianami widma. To zjawisko optyczne jest znane jako wykonanie koloru, różni się od temperatury barwowej i powoduje, że naprawdę pomarańczowy lub cyjanowy obiekt wydaje się mieć inny kolor i jest znacznie ciemniejszy, ponieważ dioda LED lub związany z nią luminofor nie emitują tych długości fal. . Najlepsze odwzorowanie kolorów w przypadku świetlówek kompaktowych i diod LED uzyskuje się przy użyciu mieszanki luminoforów, która zapewnia niższą wydajność, ale lepszą jakość światła. Choć halogenem o najwyższej temperaturze barwowej jest kolor pomarańczowy, to nadal jest najlepszym dostępnym sztucznym źródłem światła pod względem wykonania barwy.
Białe światło można uzyskać, dodając światła o różnych kolorach; najpowszechniejszą metodą jest użycie koloru czerwonego, zielonego i niebieskiego (RGB). Stąd metoda ta nazywana jest wielokolorowymi białymi diodami LED (czasami nazywanymi diodami RGB). Ponieważ potrzebują obwodów elektronicznych do sterowania mieszaniem i dyfuzją różnych kolorów, a poszczególne kolorowe diody LED mają nieco inne wzorce emisji (co prowadzi do zmian kolorów w zależności od kierunku obserwacji), nawet jeśli są produkowane w jednym egzemplarzu, rzadko są używane do wytwarzania światła białego. Jednak metoda ta ma wiele zastosowań ze względu na elastyczność, jaką prezentuje przy wytwarzaniu mieszanki kolorów99 oraz, w zasadzie, ze względu na większą wydajność kwantową w produkcji światła białego.
Istnieje kilka rodzajów wielokolorowych białych diod LED: białe di-, trój- i tetrachromatyczne diody LED. Na te różne przykłady wykonania wpływa kilka kluczowych czynników, takich jak stabilność koloru, naturalny współczynnik oddawania barw i skuteczność świetlna. Często wyższa skuteczność świetlna oznacza niższą naturalność koloru, tworząc w ten sposób kompromis między wydajnością świetlną a naturalnością kolorów. Na przykład dwukolorowe białe diody LED mają najlepszą skuteczność świetlną (120 lm / W), ale najniższą zdolność oddawania barw. Z drugiej strony tetrachromatyczne białe diody LED zapewniają doskonałą zdolność oddawania barw, ale często towarzyszy im słaba skuteczność świetlna. Białe trójchromatyczne diody LED znajdują się w środkowym położeniu, mają dobrą skuteczność świetlną (> 70 lm / W) i rozsądną zdolność odwzorowania kolorów.
Jednym z pozostałych wyzwań do rozwiązania jest opracowanie bardziej wydajnych zielonych diod LED. Teoretyczne maksimum dla zielonych diod LED wynosi 683 lumenów na wat, ale od 2010 r. Tylko kilka zielonych diod LED przekroczyło 100 lumenów na wat. Jednak niebieskie i czerwone diody LED zbliżają się do swoich teoretycznych granic.
Wielokolorowe diody LED dają możliwość nie tylko wytwarzania światła białego, ale także światła o różnych kolorach. Większość zauważalnych kolorów można uzyskać mieszając różne proporcje trzech kolorów podstawowych. Pozwala to na precyzyjną dynamiczną kontrolę koloru. W miarę zwiększania wysiłków badawczych coraz większe znaczenie ma metoda wielokolorowych diod LED jako podstawowa metoda wytwarzania i kontrolowania barwy światła.
Chociaż tego typu diody LED mogą odgrywać dobrą rolę na rynku, istnieją pewne problemy techniczne, które należy najpierw rozwiązać. Na przykład moc emisji tych diod LED spada wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury, powodując znaczną zmianę stabilności koloru. Te problemy mogą uniemożliwić Ci podjęcie pracy w branży. Z tego powodu opracowano wiele nowych projektów enkapsulacji, a ich wyniki są badane przez naukowców. Oczywiście wielokolorowe diody LED bez luminoforów nigdy nie zapewnią dobrego oświetlenia, ponieważ każda z nich emituje bardzo wąskie pasmo kolorów. Podobnie jak bezfosforowe diody LED są bardzo słabym rozwiązaniem oświetleniowym, oferują najlepsze rozwiązanie dla podświetlanych wyświetlaczy LCD lub bezpośrednio podświetlanych pikseli LED. Wpływ skorelowanej temperatury barwowej (CCT) to rzeczywistość, której trudno uniknąć, ponieważ wraz z trwałością i skutkami zmian temperatury diod LED zmienia się ostateczny rzeczywisty kolor diod. Aby temu zaradzić, stosuje się układy z pętlą sprzężenia zwrotnego, wyposażone np. W czujniki koloru, a tym samym monitorują, kontrolują i utrzymują kolor wynikający z nałożenia jednokolorowych diod LED. Metoda ta polega na pokryciu diod LED jednego koloru (głównie niebieskich diod InGaN) luminoforami o różnych kolorach w celu wytworzenia światła białego; Diody LED powstałe w wyniku połączenia nazywane są białymi diodami fosforowymi lub białymi diodami LED z konwerterem luminoforu (PCLED). Ułamek światła niebieskiego podlega przesunięciu Stokesa, które przekształca krótsze fale w dłuższe. W zależności od koloru oryginalnej diody można zastosować luminofory o różnych kolorach. Nakładanie kilku warstw luminoforów o różnych barwach poszerza widmo emisyjne, skutecznie zwiększając wartość wskaźnika oddawania barw (CRI) danej diody LED.
Straty wydajności diod LED na bazie fosforu (z substancjami fluorescencyjnymi) wynikają ze strat ciepła generowanych przez przesunięcie Stokesa, a także z innych problemów związanych z degradacją tych substancji fluorescencyjnych. W porównaniu ze zwykłymi diodami LED, ich skuteczność świetlna zależy od rozkładu widmowego powstałego strumienia świetlnego i oryginalnej długości fali samej diody LED. Na przykład, wydajność świetlna typowego żółtego luminoforu YAG dla białej diody była 3 do 5 razy większa niż skuteczność świetlna oryginalnej niebieskiej diody, ze względu na większą wrażliwość ludzkiego oka na kolor żółty niż na kolor niebieski (w zależności od modelu funkcja jasności). Ze względu na prostotę wykonania metoda luminoforu (materiału fluorescencyjnego) jest nadal najpopularniejszą metodą uzyskiwania wysokiej intensywności na białych diodach LED. Projekt i produkcja źródła światła lub lampy wykorzystującej monochromatyczny emiter ze fluorescencyjną konwersją luminoforu jest prostsza i tańsza niż złożony system RGB, a większość dostępnych obecnie na rynku białych diod LED o wysokiej intensywności to Są wytwarzane z wykorzystaniem konwersji światła przez fluorescencję. Jednym z wyzwań związanych z poprawą wydajności źródeł światła białego opartych na diodach LED jest opracowanie bardziej wydajnych substancji fluorescencyjnych (luminoforów). Od 2010 r. Najbardziej wydajnym fosforem żółtym pozostaje fosfor YAG, który wykazuje straty spowodowane przesunięciem Stokesa o mniej niż 10%. Wewnętrzne straty optyczne spowodowane reabsorpcją w samym chipie led oraz w hermetyzacji diody stanowią od 10% do 30% utraty wydajności. Obecnie w dziedzinie rozwoju za pomocą fosforu wiele wysiłku poświęca się jego optymalizacji, aby uzyskać większą produkcję światła i wyższe temperatury pracy. Na przykład wydajność można zwiększyć dzięki lepszemu projektowi enkapsulacji lub zastosowaniu jednego z najbardziej odpowiednich rodzajów luminoforu. Proces powlekania pasującego jest często stosowany, aby móc regulować zmienną grubość luminoforu.
Niektóre białe luminoforowe diody LED składają się z niebieskich diod InGaN otoczonych żywicą epoksydową pokrytą fosforem. Inną opcją jest powiązanie diody z oddzielnym luminoforem, prefabrykowanym kawałkiem poliwęglanu wstępnie uformowanym i pokrytym materiałem luminoforu. Profile aluminiowe led są zwykle niezbędne.
Białe diody LED mogą być również wykonane z diodami bliskiego ultrafioletu (NUV) pokrytymi mieszaniną wysokowydajnych luminoforów europu emitujących światło czerwone i niebieskie oraz domieszkowanego miedzią i aluminium siarczku cynku (ZnS: Cu, Al), który emituje Zielony. Ta procedura jest analogiczna do działania świetlówek. Procedura jest mniej wydajna niż w przypadku niebieskich diod LED z luminoforem YAG: Ce, ponieważ przemieszczenie Stokesa jest ważniejsze, więc większa część energii jest zamieniana na ciepło, nawet jeśli światło lepsze charakterystyki widmowe, a tym samym lepsze odwzorowanie kolorów. Nowym sposobem wytwarzana białych diod LED jest użycie azotku galu na krzemowych płytkach kompozytowych z 200-milimetrowych płytek krzemowych. Pozwala to uniknąć kosztownego wytwarzania podłoży szafirowych z wafli o stosunkowo małych rozmiarach, tj. 100 lub 150 mm. Aparatura szafirowa musi być przymocowana do lustrzanego kolektora, aby odbijać światło, które w przeciwnym razie zostałoby utracone. Przewiduje się, że do 2020 r. 40% wszystkich diod GaN będzie wytwarzanych na krzemie. Wytwarzanie dużego szafiru jest trudne, podczas gdy duży materiał silikonowy jest tani i obfity. Z drugiej strony producenci diod LED przechodzący z szafiru na krzem muszą dokonać minimalnej inwestycji.
W organicznej diodzie elektroluminescencyjnej (OLED) materiał elektroluminescencyjny stanowiący warstwę emitującą diody jest związkiem organicznym. Materiał organiczny przewodzi ze względu na elektroniczną delokalizację wiązań pi spowodowaną przez sprzężony układ w całości lub w części cząsteczki; w konsekwencji materiał funkcjonuje jako organiczny półprzewodnik. Materiały organiczne mogą być małymi cząsteczkami organicznymi w fazie krystalicznej lub polimerami. Jedną z zalet, jakie dają OLED, są smukłe, niedrogie wyświetlacze o niskim napięciu zasilania, szerokim kącie widzenia, wysokim kontraście i szerokiej gamie kolorów. Dodatkową zaletą polimerowych diod LED jest zapewnienie elastycznych wyświetlaczy z możliwością drukowania. Diody OLED zostały wykorzystane do produkcji wyświetlaczy wizualnych do przenośnych urządzeń elektronicznych, takich jak telefony komórkowe, aparaty cyfrowe i odtwarzacze MP3, a oczekuje się, że w przyszłości ich zastosowania obejmują również oświetlenie i telewizję. Na początku lat 60-tych dekada rewolucji technologicznej rozpoczęła się wraz z narodzinami Internetu i odkryciem diod LED w zakresie widzialnym. Ze względu na małe wymiary potencjału dobrze związanego z tą strukturą, ruch nośników jest ograniczony do płaszczyzny prostopadłej do kierunku wzrostu. Diody laserowe z QWs w strefie aktywnej miały duże zalety, takie jak możliwość doboru długości fali emisji na podstawie szerokości studni lub zmniejszenie prądu progowego, który był związany z gęstością stanów wynikowych. zamknięcie w samolocie.
Za wszystkimi tymi osiągnięciami w naturalny sposób podążyły inne, takie jak badanie układów z uwięzieniem w trzech wymiarach, czyli kropek kwantowych (QD). Zatem QD można zdefiniować jako sztuczne układy o bardzo małych rozmiarach, od kilkudziesięciu nanometrów do kilku mikronów, w których nośniki są ograniczone w trzech kierunkach przestrzeni trójwymiarowej (dlatego nazywa się to zerowymiarowymi), w obszar przestrzeni mniejszy niż długość fali de Broglie.
Kiedy rozmiar materiału półprzewodnikowego, z którego składa się kropka kwantowa, mieści się w skali nanometrycznej. Niezbędne zawsze są profile aluminiowe do led. Różni się od obserwowanego dla niego w skali makroskopowej lub dla poszczególnych atomów, które je tworzą. Elektrony w nanomateriale są ograniczone do poruszania się w bardzo małym obszarze przestrzeni i mówi się, że są ograniczone. Kiedy ten obszar jest tak mały, że jest porównywalny z długością fali związaną z elektronem (długość de Brogliego), wtedy zaczyna się obserwować zjawisko zwane zachowaniem kwantowym. W tych układach ich właściwości fizyczne nie są wyjaśniane za pomocą klasycznych pojęć, ale za pomocą pojęć mechaniki kwantowej. Na przykład minimalna energia potencjalna elektronu zamkniętego w nanocząstce jest większa niż oczekiwana w fizyce klasyczne, a poziomy energii różnych stanów elektronicznych są dyskretne. Ze względu na uwięzienie kwantowe rozmiar cząstki ma zasadniczy wpływ na gęstość stanów elektronowych, a tym samym na jej odpowiedź optyczną. Profil do taśm Led jest zawsze używany. Uwięzienie kwantowe występuje, gdy rozmiar cząstek został zmniejszony, aby zbliżyć się do promienia ekscytonu Bohra (generując parę elektron-dziura lub ekscyton w materiale półprzewodnikowym), ograniczając się do bardzo małej przestrzeni. W konsekwencji struktura poziomów energii oraz właściwości optyczne i elektryczne materiału znacznie się zmieniają. Poziomy energii stają się dyskretne i skończone i silnie zależą od rozmiaru nanocząstki. Zwykle są wykonane z materiału półprzewodnikowego i mogą pomieścić od zera do kilku tysięcy elektronów. Elektrony wewnątrz kropki kwantowej odpychają się nawzajem, wprowadzenie dodatkowych elektronów wymaga energii i są zgodne z zasadą wykluczenia Pauliego, która zabrania dwóm elektronom zajmowania tego samego stanu kwantowego jednocześnie. W konsekwencji elektrony w kropce kwantowej krążą po orbicie w podobny sposób jak atomy, a w niektórych przypadkach nazywane są atomami sztucznymi. Wykazują również zachowania elektroniczne i optyczne podobne do atomów. Jego zastosowanie może być bardzo zróżnicowane, oprócz optoelektroniki i optyki, w komputerach kwantowych, w przechowywaniu informacji dla tradycyjnych komputerów, w biologii i medycynie.