Light-emitting diode (LED) adalah perangkat semikonduktor yang memancarkan cahaya ketika arus mengalir melaluinya. Elektron dalam semikonduktor bergabung kembali dengan lubang elektron, melepaskan energi dalam bentuk foton. Warna cahaya (sesuai dengan energi foton) ditentukan oleh energi yang dibutuhkan elektron untuk melintasi celah pita semikonduktor. Cahaya putih diperoleh dengan menggunakan beberapa semikonduktor atau lapisan fosfor pemancar cahaya pada perangkat semikonduktor.
Muncul sebagai komponen elektronik praktis pada tahun 1962, LED paling awal memancarkan cahaya inframerah (IR) intensitas rendah. LED inframerah digunakan dalam sirkuit kendali jarak jauh, seperti yang digunakan pada berbagai macam barang elektronik konsumen. LED cahaya tampak pertama memiliki intensitas rendah dan terbatas pada warna merah.
LED awal sering digunakan sebagai lampu indikator, menggantikan lampu pijar kecil, dan pada tampilan tujuh segmen. Perkembangan selanjutnya menghasilkan LED yang tersedia dalam panjang gelombang tampak, ultraviolet (UV), dan inframerah dengan output cahaya tinggi, rendah, atau menengah, misalnya, LED putih yang cocok untuk penerangan dalam dan luar ruangan. LED juga telah memunculkan jenis tampilan dan sensor baru, sementara tingkat peralihannya yang tinggi berguna dalam teknologi komunikasi canggih dengan aplikasi yang beragam seperti pencahayaan penerbangan, lampu peri, lampu strip, lampu depan otomotif, periklanan, penerangan umum, sinyal lalu lintas, lampu kilat kamera, wallpaper yang menyala, lampu pertumbuhan hortikultura, dan perangkat medis.
LED memiliki banyak keunggulan dibandingkan sumber cahaya pijar, termasuk konsumsi daya yang lebih rendah, masa pakai yang lebih lama, ketahanan fisik yang lebih baik, ukuran yang lebih kecil, dan peralihan yang lebih cepat. Sebagai imbalan atas atribut yang umumnya menguntungkan ini, kelemahan LED termasuk keterbatasan listrik untuk tegangan rendah dan umumnya untuk daya DC (bukan AC), ketidakmampuan untuk memberikan pencahayaan yang stabil dari DC yang berdenyut atau sumber pasokan listrik AC, dan suhu operasi maksimum yang lebih rendah dan suhu penyimpanan.
LED adalah transduser listrik menjadi cahaya. LED beroperasi secara terbalik dengan fotodioda, yang mengubah cahaya menjadi listrik.
Sejarah
Penemuan dan perangkat awal
Electroluminescence sebagai sebuah fenomena ditemukan pada tahun 1907 oleh peneliti Inggris HJ Round dari Marconi Labs, menggunakan kristal silikon karbida dan detektor kumis kucing. Penemu Rusia, Oleg Losev, melaporkan penciptaan LED pertama pada tahun 1927. Penelitiannya didistribusikan di jurnal ilmiah Soviet, Jerman dan Inggris, tetapi tidak ada penggunaan praktis dari penemuan ini selama beberapa dekade, sebagian karena sifat silikon karbida yang sangat tidak efisien dalam menghasilkan cahaya, semikonduktor yang digunakan Losev.
Pada tahun 1936, Georges Destriau mengamati bahwa electroluminescence dapat dihasilkan ketika bubuk seng sulfida (ZnS) disuspensikan dalam isolator dan medan listrik bolak-balik diterapkan padanya. Dalam publikasinya, Destriau sering menyebut pendaran sebagai Losev-Light. Destriau bekerja di laboratorium Madame Marie Curie, yang juga merupakan perintis awal di bidang pendaran dengan penelitian tentang radium.
Zoltán Bay dari Hungaria bersama dengan György Szigeti mendahului pencahayaan LED di Hungaria pada tahun 1939 dengan mematenkan perangkat pencahayaan berdasarkan silikon karbida, dengan opsi boron karbida, yang memancarkan cahaya putih, putih kekuningan, atau putih kehijauan, tergantung pada kotoran yang ada. Kurt Lehovec, Carl Accardo, dan Edward Jamgochian menjelaskan LED pertama ini pada tahun 1951 menggunakan alat yang menggunakan kristal SiC dengan sumber arus dari baterai atau generator pulsa dan dengan perbandingan dengan varian, kristal murni, pada tahun 1953.
Rubin Braunstein dari Radio Corporation of America melaporkan emisi inframerah dari galium arsenida (GaAs) dan paduan semikonduktor lainnya pada tahun 1955. Braunstein mengamati emisi inframerah yang dihasilkan oleh struktur dioda sederhana yang menggunakan gallium antimonide (GaSb), GaAs, indium fosfida (InP), dan paduan silikon-germanium (SiGe) pada suhu kamar dan pada 77 kelvin. Pada tahun 1957, Braunstein lebih lanjut mendemonstrasikan bahwa perangkat yang belum sempurna tersebut dapat digunakan untuk komunikasi non-radio dalam jarak pendek. Seperti yang dicatat oleh Kroemer Braunstein " telah membuat hubungan komunikasi optik sederhana: Musik yang muncul dari pemutar rekaman digunakan melalui elektronik yang sesuai untuk memodulasi arus maju dioda GaAs. Cahaya yang dipancarkan dideteksi oleh dioda PbS yang berada agak jauh. Sinyal ini dimasukkan ke dalam penguat audio dan diputar ulang oleh pengeras suara. Mencegat sinar tersebut akan menghentikan musik. Kami sangat senang bermain dengan pengaturan ini." Pengaturan ini meramalkan penggunaan LED untuk aplikasi komunikasi optik.
Pada bulan September 1961, ketika bekerja di Texas Instruments di Dallas, Texas, James R. Biard dan Gary Pittman menemukan emisi cahaya inframerah-dekat (900 nm) dari dioda terowongan yang mereka buat di atas substrat GaAs. Pada bulan Oktober 1961, mereka telah mendemonstrasikan emisi cahaya yang efisien dan penggabungan sinyal antara pemancar cahaya persimpangan p-n GaAs dan fotodetektor semikonduktor yang terisolasi secara elektrik. Pada tanggal 8 Agustus 1962, Biard dan Pittman mengajukan paten berjudul "Semiconductor Radiant Diode" berdasarkan temuan mereka, yang menggambarkan LED sambungan p-n yang disebarkan dengan seng dengan kontak katoda berjarak untuk memungkinkan emisi cahaya inframerah yang efisien di bawah bias maju. Setelah menetapkan prioritas pekerjaan mereka berdasarkan buku catatan teknik yang mendahului pengajuan dari G.E. Labs, RCA Research Labs, IBM Research Labs, Bell Labs, dan Lincoln Lab di MIT, kantor paten A.S. menerbitkan paten untuk dioda pemancar cahaya inframerah GaAs (Paten A.S. US3293513) kepada kedua penemu tersebut, LED praktis pertama. Segera setelah mengajukan paten, Texas Instruments (TI) memulai proyek pembuatan dioda inframerah. Pada bulan Oktober 1962, TI mengumumkan produk LED komersial pertama (SNX-100), yang menggunakan kristal GaAs murni untuk memancarkan output cahaya 890 nm. Pada bulan Oktober 1963, TI mengumumkan LED hemispherical komersial pertama, SNX-110.
Pada tahun 1960-an, beberapa laboratorium berfokus pada LED yang akan memancarkan cahaya tampak. Perangkat yang sangat penting didemonstrasikan oleh Nick Holonyak pada tanggal 9 Oktober 1962, ketika ia bekerja untuk General Electric di Syracuse, New York. Perangkat ini menggunakan paduan semikonduktor galium fosfida arsenida (GaAsP). Itu adalah laser semikonduktor pertama yang memancarkan cahaya tampak, meskipun pada suhu rendah. Pada suhu kamar, laser ini masih berfungsi sebagai dioda pemancar cahaya merah. GaAsP adalah dasar untuk gelombang pertama LED komersial yang memancarkan cahaya tampak. Ini diproduksi secara massal oleh perusahaan Monsanto dan Hewlett-Packard dan digunakan secara luas untuk tampilan di kalkulator dan jam tangan.
M. George Craford, mantan mahasiswa pascasarjana Holonyak, menemukan LED kuning pertama dan meningkatkan kecerahan LED merah dan merah-oranye dengan faktor sepuluh pada tahun 1972. Pada tahun 1976, TP Pearsall mendesain LED dengan kecerahan tinggi dan efisiensi tinggi pertama untuk telekomunikasi serat optik dengan menciptakan bahan semikonduktor baru yang secara khusus disesuaikan dengan panjang gelombang transmisi serat optik.
Pengembangan komersial awal
Hingga tahun 1968, LED tampak dan inframerah sangat mahal, sekitar US$200 per unit, sehingga tidak banyak digunakan secara praktis. LED panjang gelombang tampak komersial pertama menggunakan semikonduktor GaAsP dan umumnya digunakan sebagai pengganti lampu indikator pijar dan neon, dan pada tampilan tujuh segmen, pertama pada peralatan mahal seperti peralatan uji laboratorium dan elektronik, kemudian pada peralatan seperti kalkulator, TV, radio, telepon, dan jam tangan.
Perusahaan Hewlett-Packard (HP) terlibat dalam penelitian dan pengembangan (R&D) pada LED praktis antara tahun 1962 dan 1968, oleh tim peneliti di bawah Howard C. Borden, Gerald P. Pighini di HP Associates dan HP Labs. Selama masa ini, HP berkolaborasi dengan Monsanto Company dalam mengembangkan produk LED pertama yang dapat digunakan. Produk LED pertama yang dapat digunakan adalah layar LED HP dan lampu indikator LED Monsanto, keduanya diluncurkan pada tahun 1968.
Monsanto adalah organisasi pertama yang memproduksi LED yang dapat dilihat secara massal, menggunakan Gallium arsenide phosphide (GaAsP) pada tahun 1968 untuk menghasilkan LED merah yang cocok untuk indikator. Monsanto sebelumnya telah menawarkan untuk memasok GaAsP ke HP, tetapi HP memutuskan untuk mengembangkan GaAsP sendiri. Pada bulan Februari 1969, Hewlett-Packard memperkenalkan HP Model 5082-7000 Numeric Indicator, perangkat LED pertama yang menggunakan teknologi sirkuit terintegrasi (sirkuit LED terintegrasi). Ini adalah tampilan LED cerdas pertama, dan merupakan revolusi dalam teknologi tampilan digital, menggantikan tabung Nixie dan menjadi dasar untuk tampilan LED selanjutnya.
Pada tahun 1970-an, perangkat LED yang sukses secara komersial dengan harga kurang dari lima sen, masing-masing diproduksi oleh Fairchild Optoelektronik. Perangkat ini menggunakan chip semikonduktor majemuk yang dibuat dengan proses planar (dikembangkan oleh Jean Hoerni). Kombinasi pemrosesan planar untuk fabrikasi chip dan metode pengemasan yang inovatif memungkinkan tim di Fairchild yang dipimpin oleh pelopor optoelektronika Thomas Brandt untuk mencapai pengurangan biaya yang dibutuhkan. Produsen LED terus menggunakan metode ini.
LED merah awal cukup terang untuk digunakan sebagai indikator, karena output cahaya tidak cukup untuk menerangi suatu area. Pembacaan pada kalkulator sangat kecil sehingga lensa plastik dipasang di atas setiap angka agar dapat terbaca. Kemudian, warna lain menjadi tersedia secara luas dan muncul dalam peralatan dan perlengkapan.
LED awal dikemas dalam wadah logam yang mirip dengan transistor, dengan jendela kaca atau lensa untuk membiarkan cahaya keluar. LED indikator modern dikemas dalam wadah plastik cetakan transparan, berbentuk tabung atau persegi panjang, dan sering kali diwarnai agar sesuai dengan warna perangkat. Perangkat inframerah dapat diwarnai, untuk memblokir cahaya tampak. Paket yang lebih kompleks telah diadaptasi untuk pembuangan panas yang efisien pada LED berdaya tinggi. LED yang dipasang di permukaan semakin mengurangi ukuran paket. LED yang dimaksudkan untuk digunakan dengan kabel serat optik dapat dilengkapi dengan konektor optik.
LED biru
LED biru-ungu pertama yang menggunakan gallium nitrida yang didoping magnesium dibuat di Universitas Stanford pada tahun 1972 oleh Herb Maruska dan Wally Rhines, mahasiswa doktoral di bidang ilmu dan teknik material. Pada saat itu Maruska sedang cuti dari RCA Laboratories, di mana ia berkolaborasi dengan Jacques Pankove dalam pekerjaan terkait. Pada tahun 1971, setahun setelah Maruska pergi ke Stanford, rekan-rekannya di RCA, Pankove dan Ed Miller mendemonstrasikan electroluminescence biru pertama dari gallium nitrida yang didoping dengan seng, meskipun perangkat berikutnya yang dibuat oleh Pankove dan Miller, yaitu dioda pemancar cahaya gallium nitrida yang sebenarnya, memancarkan cahaya hijau. Pada tahun 1974, Kantor Paten AS memberikan paten kepada Maruska, Rhines, dan profesor Stanford, David Stevenson, atas karya mereka pada tahun 1972 (Paten AS US3819974 A). Saat ini, doping magnesium galium nitrida tetap menjadi dasar untuk semua LED biru komersial dan dioda laser. Pada awal tahun 1970-an, perangkat ini terlalu redup untuk penggunaan praktis, dan penelitian terhadap perangkat galium nitrida melambat.
Pada bulan Agustus 1989, Cree memperkenalkan LED biru pertama yang tersedia secara komersial berdasarkan semikonduktor celah pita tidak langsung, silikon karbida (SiC). LED SiC memiliki efisiensi yang sangat rendah, tidak lebih dari sekitar 0,03%, tetapi memancarkan bagian biru dari spektrum cahaya tampak.
Pada akhir 1980-an, terobosan utama dalam pertumbuhan epitaxial GaN dan doping tipe-p mengantarkan era modern perangkat optoelektronik berbasis GaN. Berdasarkan fondasi ini, Theodore Moustakas dari Boston University mematenkan metode untuk memproduksi LED biru dengan kecerahan tinggi menggunakan proses dua langkah baru pada tahun 1991. Pada tahun 2015, pengadilan AS memutuskan bahwa tiga perusahaan Taiwan telah melanggar paten Moustakas sebelumnya, dan memerintahkan mereka untuk membayar biaya lisensi tidak kurang dari US $ 13 juta.
Dua tahun kemudian, pada tahun 1993, LED biru dengan kecerahan tinggi didemonstrasikan oleh Shuji Nakamura dari Nichia Corporation dengan menggunakan proses pertumbuhan gallium nitride (GaN). LED ini memiliki efisiensi 10%. Secara paralel, Isamu Akasaki dan Hiroshi Amano dari Universitas Nagoya sedang mengerjakan pengembangan deposisi GaN yang penting pada substrat safir dan demonstrasi doping tipe-p GaN. Perkembangan baru ini merevolusi pencahayaan LED, membuat sumber cahaya biru berdaya tinggi menjadi praktis, yang mengarah pada pengembangan teknologi seperti Blu-ray.
Nakamura dianugerahi Penghargaan Teknologi Milenium 2006 untuk penemuannya. Nakamura, Hiroshi Amano, dan Isamu Akasaki dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 2014 untuk "penemuan dioda pemancar cahaya biru yang efisien, yang memungkinkan sumber cahaya putih yang terang dan hemat energi."
Pada tahun 1995, Alberto Barbieri di Laboratorium Universitas Cardiff (GB) menyelidiki efisiensi dan keandalan LED dengan kecerahan tinggi dan mendemonstrasikan LED "kontak transparan" yang menggunakan indium timah oksida (ITO) pada (AlGaInP/GaAs).
Pada tahun 2001 dan 2002, proses untuk menumbuhkan LED gallium nitride (GaN) pada silikon berhasil didemonstrasikan. Pada bulan Januari 2012, Osram mendemonstrasikan LED InGaN berdaya tinggi yang ditumbuhkan pada substrat silikon secara komersial, dan LED GaN-on-silikon sedang diproduksi di Plessey Semiconductors. Pada tahun 2017, beberapa produsen menggunakan SiC sebagai substrat untuk produksi LED, tetapi safir lebih umum digunakan, karena memiliki sifat yang paling mirip dengan galium nitrida, sehingga mengurangi kebutuhan untuk memola wafer safir (wafer berpola dikenal sebagai wafer epi). Samsung, University of Cambridge, dan Toshiba sedang melakukan penelitian tentang GaN pada LED Si. Toshiba telah menghentikan penelitian, mungkin karena hasil yang rendah. Beberapa memilih epitaksi, yang sulit dilakukan pada silikon, sementara yang lain, seperti University of Cambridge, memilih struktur multi-lapisan, untuk mengurangi ketidakcocokan kisi (kristal) dan rasio ekspansi termal yang berbeda, untuk menghindari keretakan chip LED pada suhu tinggi (mis. Selama pembuatan), mengurangi pembentukan panas dan meningkatkan efisiensi bercahaya. Pemolaan substrat safir dapat dilakukan dengan litografi nanoimprint.
GaN-on-Si sulit tetapi diinginkan karena memanfaatkan infrastruktur manufaktur semikonduktor yang ada. Hal ini memungkinkan pengemasan tingkat wafer dari cetakan LED yang menghasilkan paket LED yang sangat kecil.
GaN sering diendapkan menggunakan Metalorganic vapor-phase epitaksi (MOCVD), dan juga menggunakan Lift-off.
Disadur dari: en.wikipedia.org