لائٹ ایمیٹنگ ڈائیوڈ (ایل ای ڈی) بنیادی طور پر ایک پی این جنکشن سیمی کنڈکٹر ڈائیوڈ ہے جو آگے کی طرف متعصب سمت میں چلنے پر یک رنگی (سنگل رنگ) روشنی خارج کرتا ہے۔ ایل ای ڈی کا بنیادی ڈھانچہ ڈائی یا روشنی خارج کرنے والے سیمی کنڈکٹر مواد پر مشتمل ہوتا ہے، ایک لیڈ فریم جہاں ڈائی کو حقیقت میں رکھا جاتا ہے، اور انکیپسولیشن ایپوکسی جو ڈائی کو گھیر لیتی ہے اور اس کی حفاظت کرتی ہے (شکل 1)۔ پہلی تجارتی طور پر قابل استعمال ایل ای ڈی 1960 کی دہائی میں تین بنیادی عناصر کو ملا کر تیار کی گئی تھیں: گیلیم، آرسینک اور فاسفورس (GaAsP) تاکہ 655nm سرخ روشنی کا ذریعہ حاصل کیا جا سکے۔ اگرچہ روشنی کی شدت تقریباً 1-10mcd @ 20mA کی چمک کی سطح کے ساتھ بہت کم تھی، لیکن پھر بھی ان کا استعمال مختلف ایپلی کیشنز میں پایا جاتا ہے، بنیادی طور پر اشارے کے طور پر۔ GaAsP، GaP، یا گیلیم فاسفائیڈ کے بعد، سرخ ایل ای ڈی تیار کی گئیں۔ یہ آلات بہت زیادہ کوانٹم افادیت کی نمائش کے لیے پائے گئے، تاہم، انہوں نے ایل ای ڈی کے لیے نئی ایپلی کیشنز کی ترقی میں صرف ایک معمولی کردار ادا کیا۔ یہ دو وجوہات کی وجہ سے تھا: پہلی، 700nm طول موج کا اخراج ایک طیفی خطے میں ہوتا ہے جہاں انسانی آنکھ کی حساسیت کی سطح بہت کم ہوتی ہے (شکل 2) اور اس وجہ سے، کارکردگی کے باوجود یہ بہت روشن نظر نہیں آتی۔ زیادہ ہے (انسانی آنکھ پیلی سبز روشنی کے لیے سب سے زیادہ جوابدہ ہے)۔ دوسرا، یہ اعلی کارکردگی صرف کم کرنٹ پر حاصل کی جاتی ہے۔ جیسے جیسے کرنٹ بڑھتا ہے، کارکردگی کم ہوتی جاتی ہے۔ یہ آؤٹ ڈور میسج سائن مینوفیکچررز جیسے صارفین کے لیے ایک نقصان ثابت ہوتا ہے جو عام طور پر اپنے ایل ای ڈی کو زیادہ کرنٹ پر ملٹی پلیکس کرتے ہیں تاکہ چمک کی سطح DC مسلسل آپریشن کی طرح حاصل کی جا سکے۔ نتیجے کے طور پر، GaP ریڈ ایل ای ڈی فی الحال صرف محدود تعداد میں ایپلی کیشنز میں استعمال ہوتے ہیں۔ جیسا کہ ایل ای ڈی ٹیکنالوجی نے 1970 کی دہائی میں ترقی کی، اضافی رنگ اور طول موج دستیاب ہوئیں۔ سب سے عام مواد GaP سبز اور سرخ، GaAsP نارنجی یا اعلی کارکردگی والے سرخ اور GaAsP پیلے رنگ کے تھے، یہ سب آج بھی استعمال ہوتے ہیں (ٹیبل 3)۔ مزید عملی ایپلی کیشنز کی طرف رجحان بھی تیار ہونے لگا تھا۔ ایل ای ڈی کیلکولیٹر، ڈیجیٹل گھڑیاں اور ٹیسٹ کے آلات جیسی مصنوعات میں پائی گئیں۔ اگرچہ LEDs کی وشوسنییتا تاپدیپت، نیین وغیرہ سے ہمیشہ برتر رہی ہے، لیکن ابتدائی آلات کی ناکامی کی شرح موجودہ ٹیکنالوجی سے کہیں زیادہ تھی۔ یہ جزوی طور پر اصل جزو اسمبلی کی وجہ سے تھا جو بنیادی طور پر دستی نوعیت کا تھا۔ انفرادی آپریٹرز نے اس طرح کے کام انجام دیئے جیسے ایپوکسی کو تقسیم کرنا، ڈائی کو پوزیشن میں رکھنا، اور ایپوکسی کو ہاتھ سے ملانا۔ اس کے نتیجے میں "ایپوکسی سلوپ" جیسے نقائص پیدا ہوئے جس کی وجہ سے VF (فارورڈ وولٹیج) اور VR (ریورس وولٹیج) لیکیج یا PN جنکشن کی کمی واقع ہوئی۔ اس کے علاوہ، ترقی کے طریقے اور استعمال شدہ مواد اتنے بہتر نہیں تھے جتنے کہ وہ آج ہیں۔ کرسٹل، سبسٹریٹ اور اپیٹیکسیل تہوں میں نقائص کی زیادہ تعداد کے نتیجے میں کارکردگی میں کمی اور آلے کی زندگی کم ہو گئی۔
گیلیم ایلومینیم آرسنائیڈ
یہ 1980 کی دہائی تک نہیں تھا جب ایک نیا مواد، GaAlAs (گیلیم ایلومینیم آرسنائیڈ) تیار کیا گیا تھا، کہ ایل ای ڈی کے استعمال میں تیزی سے اضافہ ہونا شروع ہوا۔ GaAlAs ٹیکنالوجی نے پہلے سے دستیاب ایل ای ڈی کے مقابلے بہتر کارکردگی فراہم کی۔ زیادہ کارکردگی اور ملٹی لیئر، ہیٹروجنکشن قسم کے ڈھانچے کی وجہ سے چمک معیاری LEDs سے 10 گنا زیادہ تھی۔ آپریشن کے لیے درکار وولٹیج کم تھا جس کے نتیجے میں بجلی کی کل بچت ہوئی۔ ایل ای ڈی کو آسانی سے پلس یا ملٹی پلیکس بھی کیا جا سکتا ہے۔ اس نے متغیر پیغام اور بیرونی علامات میں ان کے استعمال کی اجازت دی۔ ایل ای ڈی کو بار کوڈ اسکینرز، فائبر آپٹک ڈیٹا ٹرانسمیشن سسٹم، اور طبی آلات جیسی ایپلی کیشنز میں بھی ڈیزائن کیا گیا تھا۔ اگرچہ یہ LED ٹیکنالوجی میں ایک اہم پیش رفت تھی، تاہم GaAlAs مواد میں اب بھی نمایاں خرابیاں تھیں۔ سب سے پہلے، یہ صرف سرخ 660nm طول موج میں دستیاب تھا۔ دوسرا، GaAlAs کی لائٹ آؤٹ پٹ انحطاط معیاری ٹیکنالوجی سے زیادہ ہے۔ ایل ای ڈی کے بارے میں یہ ایک طویل عرصے سے غلط فہمی ہے کہ 100,000 گھنٹے کے آپریشن کے بعد لائٹ آؤٹ پٹ میں 50 فیصد کمی واقع ہو جائے گی۔ درحقیقت، کچھ GaAlAs LEDs صرف 50,000 -70,000 گھنٹے کے آپریشن کے بعد 50% تک کم ہو سکتے ہیں۔ یہ خاص طور پر اعلی درجہ حرارت اور/یا زیادہ نمی والے ماحول میں سچ ہے۔ اس وقت کے دوران، پیلے، سبز اور نارنجی میں چمک اور کارکردگی میں صرف معمولی بہتری دیکھی گئی جو بنیادی طور پر کرسٹل کی ترقی اور آپٹکس ڈیزائن میں بہتری کی وجہ سے تھی۔ مواد کی بنیادی ساخت نسبتاً کوئی تبدیلی نہیں رہی۔
ان مشکل مسائل پر قابو پانے کے لیے نئی ٹیکنالوجی کی ضرورت تھی۔ ایل ای ڈی ڈیزائنرز نے حل کے لیے لیزر ڈائیوڈ ٹیکنالوجی کا رخ کیا۔ ایل ای ڈی ٹیکنالوجی میں تیز رفتار ترقی کے ساتھ ساتھ لیزر ڈائیوڈ ٹیکنالوجی بھی ترقی کر رہی تھی۔ 1980 کی دہائی کے اواخر میں لیزر ڈائیوڈز جن کی آؤٹ پٹ مرئی سپیکٹرم میں تھی تجارتی طور پر ایپلی کیشنز جیسے بار کوڈ ریڈرز، پیمائش اور سیدھ کے نظام اور اگلی نسل کے اسٹوریج سسٹمز کے لیے تیار کیے جانے لگے۔ ایل ای ڈی ڈیزائنرز اعلی چمک اور اعلی قابل اعتماد ایل ای ڈی تیار کرنے کے لئے اسی طرح کی تکنیکوں کا استعمال کرتے ہوئے دیکھتے ہیں۔ اس کی وجہ سے InGaAlP (انڈیم گیلیم ایلومینیم فاسفائیڈ) دکھائی دینے والی ایل ای ڈی کی ترقی ہوئی۔ InGaAlP کو چمکدار مواد کے طور پر استعمال کرنے سے صرف انرجی بینڈ گیپ کے سائز کو ایڈجسٹ کرکے LED آؤٹ پٹ کلر کے ڈیزائن میں لچک پیدا ہوتی ہے۔ اس طرح، سبز، پیلا، نارنجی اور سرخ ایل ای ڈی سب ایک ہی بنیادی ٹیکنالوجی کا استعمال کرتے ہوئے تیار کیے جاسکتے ہیں۔ مزید برآں، بلند درجہ حرارت اور نمی میں بھی InGaAlP مواد کی ہلکی پیداوار میں کمی نمایاں طور پر بہتر ہوتی ہے۔
LED ٹیکنالوجی کی موجودہ ترقی InGaAlP LEDs نے LEDs بنانے والی معروف کمپنی توشیبا کی ایک نئی ترقی کے ساتھ چمک میں مزید چھلانگ لگائی ہے۔ توشیبا، MOCVD (میٹل آکسائیڈ کیمیکل وانپ ڈیپوزیشن) کے نمو کے عمل کا استعمال کرتے ہوئے، ایک آلہ کا ڈھانچہ تیار کرنے کے قابل تھا جو فعال پرت سے سبسٹریٹ تک جانے والی 90% یا اس سے زیادہ روشنی کو مفید روشنی کی پیداوار کے طور پر منعکس کرتا ہے (شکل 4)۔ اس نے روایتی آلات کے مقابلے ایل ای ڈی کی روشنی میں تقریباً دو گنا اضافے کی اجازت دی۔ ایل ای ڈی ڈھانچہ (شکل 5) میں موجودہ بلاک کرنے والی پرت کو متعارف کروا کر ایل ای ڈی کی کارکردگی کو مزید بہتر کیا گیا۔ یہ مسدود کرنے والی تہہ بنیادی طور پر ڈیوائس کے ذریعے کرنٹ کو چینل کرتی ہے تاکہ ڈیوائس کی بہتر کارکردگی کو حاصل کیا جا سکے۔ ان پیشرفتوں کے نتیجے میں، 1990 کی دہائی میں ایل ای ڈی کی ترقی کا زیادہ تر حصہ تین اہم شعبوں پر مرکوز ہوگا: پہلا ٹریفک کنٹرول ڈیوائسز جیسے کہ اسٹاپ لائٹس، پیدل چلنے والوں کے سگنلز، بیریکیڈ لائٹس اور سڑک کے خطرے کے نشانات۔ دوسرا متغیر پیغام کے نشانات میں ہے جیسے کہ ٹائمز اسکوائر نیو یارک میں واقع ہے جو اشیاء، خبریں اور دیگر معلومات دکھاتا ہے۔ تیسرا ارتکاز آٹوموٹو ایپلی کیشنز میں ہوگا۔ نظر آنے والی ایل ای ڈی نے تقریباً 40 سال پہلے متعارف ہونے کے بعد سے ایک طویل سفر طے کیا ہے اور ابھی تک اس میں سست روی کے کوئی آثار نظر نہیں آئے ہیں۔ ایک بلیو ایل ای ڈی، جو 1990 کی دہائی میں پیداواری مقدار میں دستیاب ہوئی، اس کے نتیجے میں نئی ایپلی کیشنز کی ایک پوری نسل سامنے آئی۔ بلیو ایل ای ڈی اپنی اعلیٰ فوٹوون توانائیوں (>؛ 2.5eV) اور نسبتاً کم آنکھوں کی حساسیت کی وجہ سے ہمیشہ سے تیار کرنا مشکل رہا ہے۔ اس کے علاوہ ان ایل ای ڈی کو بنانے کے لیے ضروری ٹیکنالوجی معیاری ایل ای ڈی مواد سے بہت مختلف اور بہت کم جدید ہے۔ آج دستیاب نیلے LEDs GaN (گیلیم نائٹرائڈ) اور SiC (سلیکون کاربائیڈ) کی تعمیر پر مشتمل ہے جس میں چمک کی سطح 10,000mcd @ 20mA سے زیادہ ہے GaN آلات کے لیے۔ چونکہ نیلا بنیادی رنگوں میں سے ایک ہے، (باقی دو سرخ اور سبز ہیں)، فل کلر ٹھوس حالت کے LED نشانات، TV وغیرہ تجارتی طور پر دستیاب ہو گئے ہیں۔ بلیو ایل ای ڈی کے لیے دیگر ایپلی کیشنز میں طبی تشخیصی آلات اور فوٹو لیتھوگرافی شامل ہیں۔
ایل ای ڈی رنگ اسی بنیادی GaN ٹیکنالوجی اور ترقی کے عمل کا استعمال کرتے ہوئے دوسرے رنگوں کو تیار کرنا بھی ممکن ہے۔ مثال کے طور پر، ایک ہائی برائٹنس گرین (تقریباً 500nm) LED تیار کی گئی ہے جس نے ٹریفک لائٹس میں سبز بلب کی جگہ لے لی ہے۔ جامنی اور سفید سمیت دیگر رنگ بھی ممکن ہیں۔ نیلی ایل ای ڈی متعارف کرانے سے سرخ، سبز اور نیلی روشنی کے مناسب امتزاج کو منتخب کرکے سفید رنگ پیدا کرنا ممکن ہے۔ تاہم، اس عمل کو لاگو کرنے کے لیے جدید ترین سافٹ ویئر اور ہارڈویئر ڈیزائن کی ضرورت ہوتی ہے۔ اس کے علاوہ، چمک کی سطح کم ہے اور استعمال ہونے والے ہر RGB ڈائی کی مجموعی لائٹ آؤٹ پٹ مختلف شرح سے کم ہوتی ہے جس کے نتیجے میں رنگ میں عدم توازن پیدا ہوتا ہے۔ سفید روشنی کی پیداوار حاصل کرنے کے لیے ایک اور طریقہ اختیار کیا جاتا ہے، یہ ہے کہ نیلے رنگ کی ایل ای ڈی کی سطح پر فاسفر پرت (یٹریئم ایلومینیم گارنیٹ) کا استعمال کیا جائے۔ خلاصہ طور پر، LEDs بچپن سے نوجوانی تک چلے گئے ہیں اور اپنی زندگی میں مارکیٹ کی تیز ترین ترقی کا سامنا کر رہے ہیں۔ MOCVD کے ساتھ InGaAlP مواد کو ترقی کے عمل کے طور پر استعمال کرتے ہوئے، پیدا ہونے والی روشنی کی موثر ترسیل اور انجکشن شدہ کرنٹ کے موثر استعمال کے ساتھ، کچھ روشن ترین، سب سے زیادہ موثر اور قابل اعتماد LEDs اب دستیاب ہیں۔ یہ ٹیکنالوجی دوسرے نئے ایل ای ڈی ڈھانچے کے ساتھ مل کر ایل ای ڈی کے وسیع اطلاق کو یقینی بنائے گی۔ نیلے رنگ کے سپیکٹرم اور سفید روشنی کی پیداوار میں نئی پیش رفت بھی ان اقتصادی روشنی کے ذرائع کے استعمال میں مسلسل اضافے کی ضمانت دے گی۔
