LED Basics

1. LED: The photonic device
Presented by:
Amit Kumar Tagore
M.Tech. 1st year(1411NT02)
Nanoscience & Technology
IIT Patna

2. FFllooww ooff PPrreesseennttaattiioonn
IInnttrroodduuccttiioonn
WWhhaatt iiss LLEEDD??
BBrriieeff HHiissttoorryy
MMeecchhaanniissmm bbeehhiinndd pphhoottoonn eemmiissssiioonn iinn LLEEDDss??
MMaatteerriiaallss ffoorr LLEEDDss
AApppplliiccaattiioonnss
RReeffeerreenncceess

3. IInnttrroodduuccttiioonn
 PPhhoottoonniicc ddeevviicceess aarree tthhoossee iinn wwhhiicchh tthhee bbaassiicc ppaarrttiiccllee ooff
lliigghhtt--tthhee PPhhoottoonn,, ppllaayyss aa mmaajjoorr rroollee..
 PPhhoottoonniicc ddeevviicceess ccaann bbee ddiivviiddeedd iinnttoo tthhrreeee ggrroouuppss::
11.. DDeevviicceess tthhaatt ccoonnvveerrtt eelleeccttrriiccaall eenneerrggyy iinnttoo ooppttiiccaall
rraaddiiaattiioonn-- tthhee LLEEDD ((LLiigghhtt EEmmiittttiinngg DDiiooddee))
22.. DDeevviicceess tthhaatt ddeetteecctt ooppttiiccaall ssiiggnnaallss tthhrroouugghh eelleeccttrroonniicc
pprroocceesssseess-- PPhhoottoo ddeetteeccttoorrss,, aanndd
33.. DDeevviicceess tthhaatt ccoonnvveerrtt ooppttiiccaall rraaddiiaattiioonn iinnttoo eelleeccttrriiccaall
eenneerrggyy-- tthhee pphhoottoovvoollttaaiicc ddeevviiccee oorr ssoollaarr cceellll..

4. WWhhaatt iiss LLEEDD??
 LL-- LLiigghhtt
EE-- EEmmiittttiinngg
DD-- DDiiooddee
 SSeemmiiccoonndduuccttoorr lliigghhtt ssoouurrccee..
 UUsseedd aass iinnddiiccaattoorr llaammppss ,, aaddvveerrttiissiinngg,,
ttrraaffffiicc ssiiggnnaallss,, tteelleevviissiioonn,, eettcc..
 EEaarrllyy LLEEDDss eemmiitttteedd llooww--iinntteennssiittyy rreedd
lliigghhtt,, bbuutt mmooddeerrnn vveerrssiioonnss aarree aavvaaiillaabbllee
aaccrroossss tthhee vviissiibbllee,, uullttrraavviioolleett,, aanndd
iinnffrraarreedd wwaavveelleennggtthhss,, wwiitthh vveerryy hhiigghh
bbrriigghhttnneessss..

6. BBrriieeff HHiissttoorryy
 EElleeccttrroolluummiinneesscceennccee aass aa pphheennoommeennoonn wwaass
ddiissccoovveerreedd iinn 11990077..
-- BByy HH.. JJ.. RRoouunndd
--uussiinngg aa ccrryyssttaall ooff ssiilliiccoonn ccaarrbbiiddee
 CCrreeaattiioonn ooff ffiirrsstt LLEEDD iinn 11992277..
--BByy OOlleegg LLoosseevv
TThhee ffiirrsstt pprraaccttiiccaall vviissiibbllee--ssppeeccttrruumm ((rreedd)) LLEEDD wwaass
ddeevveellooppeedd iinn 11996622..
--BByy NNiicckk HHoolloonnyyaakk ((""ffaatthheerr ooff tthhee lliigghhtt--
eemmiittttiinngg ddiiooddee""))

7. CB
VB
WWhheenn tthhee eelleeccttrroonn ffaallllss
ddoowwnn ffrroomm ccoonndduuccttiioonn
bbaanndd aanndd ffiillllss iinn aa hhoollee
iinn vvaalleennccee bbaanndd,, tthheerree
iiss aann oobbvviioouuss lloossss ooff
eenneerrggyy..
TThhee qquueessttiioonn iiss;;
wwhheerree ddooeess tthhaatt eenneerrggyy ggoo??

8. IInn oorrddeerr ttoo aacchhiieevvee aa
rreeaassoonnaabbllee eeffffiicciieennccyy
ffoorr pphhoottoonn eemmiissssiioonn,, tthhee
sseemmiiccoonndduuccttoorr mmuusstt
hhaavvee aa ddiirreecctt bbaanndd ggaapp.. CB
VB
TThhee qquueessttiioonn iiss;;
wwhhaatt iiss tthhee mmeecchhaanniissmm
bbeehhiinndd pphhoottoonn eemmiissssiioonn iinn LLEEDDss??

9. FFoorr eexxaammppllee;;
SSiilliiccoonn iiss kknnoowwnn aass aann iinnddiirreecctt bbaanndd--ggaapp
mmaatteerriiaall..
aass aann eelleeccttrroonn ggooeess ffrroomm tthhee bboottttoomm ooff tthhee
ccoonndduuccttiioonn bbaanndd ttoo tthhee ttoopp ooff tthhee vvaalleennccee
bbaanndd;;
iitt mmuusstt aallssoo uunnddeerrggoo aa
ssiiggnniiffiiccaanntt cchhaannggee iinn
mmoommeennttuumm..
CB
VB
WWhhaatt tthhiiss mmeeaannss iiss tthhaatt
E
k

10.  w As wee aallll kknnooww,, wwhheenneevveerr ssoommeetthhiinngg cchhaannggeess
ssttaattee,, oonnee mmuusstt ccoonnsseerrvvee nnoott oonnllyy eenneerrggyy,, bbuutt aallssoo
mmoommeennttuumm..
 IInn tthhee ccaassee ooff aann eelleeccttrroonn ggooiinngg ffrroomm ccoonndduuccttiioonn
bbaanndd ttoo tthhee vvaalleennccee bbaanndd iinn ssiilliiccoonn,, bbootthh ooff tthheessee
tthhiinnggss ccaann oonnllyy bbee ccoonnsseerrvveedd::
The transition also creates a quantized
set of lattice vibrations,
called phonons, or "heat“ .

11.  PPhhoonnoonnss ppoosssseessss bbootthh eenneerrggyy aanndd mmoommeennttuumm..
 TThheeiirr ccrreeaattiioonn uuppoonn tthhee rreeccoommbbiinnaattiioonn ooff aann eelleeccttrroonn
aanndd hhoollee aalllloowwss ffoorr ccoommpplleettee ccoonnsseerrvvaattiioonn ooff bbootthh
eenneerrggyy aanndd mmoommeennttuumm..
 AAllll ooff tthhee eenneerrggyy wwhhiicchh tthhee eelleeccttrroonn ggiivveess uupp iinn ggooiinngg
ffrroomm tthhee ccoonndduuccttiioonn bbaanndd ttoo tthhee vvaalleennccee bbaanndd ((11..11 eeVV))
eennddss uupp iinn pphhoonnoonnss,, wwhhiicchh iiss aannootthheerr wwaayy ooff ssaayyiinngg
tthhaatt tthhee eelleeccttrroonn hheeaattss uupp tthhee ccrryyssttaall..

12. In aa ccllaassss ooff mmaatteerriiaallss ccaalllleedd ddiirreecctt bbaanndd--ggaapp
sseemmiiccoonndduuccttoorrss;;
tthhee ttrraannssiittiioonn ffrroomm ccoonndduuccttiioonn bbaanndd ttoo
vvaalleennccee bbaanndd iinnvvoollvveess eesssseennttiiaallllyy nnoo
cchhaannggee iinn mmoommeennttuumm..
PPhhoottoonnss,, iitt ttuurrnnss oouutt,, ppoosssseessss aa ffaaiirr
aammoouunntt ooff eenneerrggyy (( sseevveerraall eeVV//pphhoottoonn iinn
ssoommee ccaasseess )) bbuutt tthheeyy hhaavvee vveerryy lliittttllee
mmoommeennttuumm aassssoocciiaatteedd wwiitthh tthheemm..

13.  Thus, for a direct bbaanndd ggaapp mmaatteerriiaall,, tthhee eexxcceessss
eenneerrggyy ooff tthhee eelleeccttrroonn--hhoollee rreeccoommbbiinnaattiioonn ccaann eeiitthheerr
bbee ttaakkeenn aawwaayy aass hheeaatt,, oorr mmoorree lliikkeellyy,, aass aa pphhoottoonn ooff
lliigghhtt..
 TThhiiss rraaddiiaattiivvee ttrraannssiittiioonn tthheenn
ccoonnsseerrvveess eenneerrggyy aanndd mmoommeennttuumm
bbyy ggiivviinngg ooffff lliigghhtt wwhheenneevveerr aann
eelleeccttrroonn aanndd hhoollee rreeccoommbbiinnee.. CB
VB
TThhiiss ggiivveess rriissee ttoo
((ffoorr uuss)) aa nneeww ttyyppee
ooff ddeevviiccee;;
tthhee lliigghhtt eemmiittttiinngg ddiiooddee ((LLEEDD))..

14. MMeecchhaanniissmm bbeehhiinndd pphhoottoonn
eemmiissssiioonn iinn LLEEDDss??
MMeecchhaanniissmm iiss ““iinnjjeeccttiioonn
EElleeccttrroolluummiinneesscceennccee””..
LLuummiinneesscceennccee
ppaarrtt tteellllss uuss tthhaatt wwee aarree pprroodduucciinngg pphhoottoonnss..
EElleeccttrroo ppaarrtt tteellllss uuss tthhaatt
tthhee pphhoottoonnss aarree bbeeiinngg pprroodduucceedd
bbyy aann eelleeccttrriicc ccuurrrreenntt..
e-
IInnjjeeccttiioonn tteellllss uuss tthhaatt
pphhoottoonn pprroodduuccttiioonn iiss bbyy
tthhee iinnjjeeccttiioonn ooff ccuurrrreenntt ccaarrrriieerrss..
e-

15. PPrroodduucciinngg pphhoottoonn
EElleeccttrroonnss rreeccoommbbiinnee wwiitthh hhoolleess..
EEnneerrggyy ooff pphhoottoonn iiss tthhee eenneerrggyy ooff
bbaanndd ggaapp..
CB
VB
e-h

16. MMeetthhoodd ooff iinnjjeeccttiioonn
WWee nneeeedd ppuuttttiinngg aa lloott ooff ee--’’ss wwhheerree tthheerree aarree lloottss ooff
hhoolleess..
 SSoo eelleeccttrroonn--hhoollee rreeccoommbbiinnaattiioonn ccaann ooccccuurr..
WWhheenn ffoorrwwaarrdd bbiiaass iiss aapppplliieedd ttoo aa pp--nn jjuunnccttiioonn,, tthhee
iinnjjeeccttiioonn ooff mmiinnoorriittyy ccaarrrriieerrss aaccrroossss tthhee jjuunnccttiioonn ccaann
ggiivvee rriissee ttoo eeffffiicciieenntt rraaddiiaattiivvee rreeccoommbbiinnaattiioonn,, ssiinnccee
eelleeccttrriicc eenneerrggyy ccaann bbee ccoonnvveerrtteedd pphhoottoonnss..
n-side
p-side
-
+
I

17. MMaatteerriiaallss ffoorr LLEEDDss
 SSiinnccee,, tthhee eeyyee iiss oonnllyy sseennssiittiivvee ttoo
lliigghhtt ooff eenneerrggyy hhvv≥≥11..88eeVV ((~~00..77μμmm))..
 TThhee sseemmiiccoonndduuccttoorr bbaannddggaapp eenneerrggyy
ddeeffiinneess tthhee eenneerrggyy ooff tthhee eemmiitttteedd
pphhoottoonnss iinn aa LLEEDD..
 TToo ffaabbrriiccaattee LLEEDDss tthhaatt ccaann eemmiitt
pphhoottoonnss ffrroomm tthhee iinnffrraarreedd ttoo tthhee
uullttrraavviioolleett ppaarrttss ooff tthhee ee..mm.. ssppeeccttrruumm,,
tthheenn wwee mmuusstt ccoonnssiiddeerr sseevveerraall
ddiiffffeerreenntt mmaatteerriiaall ssyysstteemmss..
 NNoo ssiinnggllee ssyysstteemm ccaann ssppaann tthhiiss
eenneerrggyy bbaanndd aatt pprreesseenntt,, aalltthhoouugghh tthhee
33--55 nniittrriiddeess ccoommee cclloossee..
CB
VB

18. Unfortunately, many ooff ppootteennttiiaallllyy uusseeffuull 22--66
ggrroouupp ooff ddiirreecctt bbaanndd--ggaapp sseemmiiccoonndduuccttoorrss ccoommee
nnaattuurraallllyy ddooppeedd eeiitthheerr pp--ttyyppee,, oorr nn--ttyyppee,, bbuutt
tthheeyy ddoonn’’tt lliikkee ttoo bbee ttyyppee--ccoonnvveerrtteedd bbyy
oovveerrddooppiinngg..
TThhee mmaatteerriiaall rreeaassoonnss bbeehhiinndd tthhiiss aarree
ccoommpplliiccaatteedd aanndd nnoott eennttiirreellyy wweellll--kknnoowwnn..
TThhee ssaammee pprroobblleemm iiss eennccoouunntteerreedd iinn tthhee 33--55
nniittrriiddeess aanndd tthheeiirr aallllooyyss IInnNN,, GGaaNN,, AAllNN,,
IInnGGaaNN,, AAllGGaaNN,, aanndd IInnAAllGGaaNN.. TThhee aammaazziinngg
tthhiinngg aabboouutt 33--55 nniittrriiddee aallllooyy ssyysstteemmss iiss tthhaatt
aappppeeaarr ttoo bbee ddiirreecctt ggaapp tthhrroouugghhoouutt..

19.  When we talk about light ,,iitt iiss ccoonnvveennttiioonnaall ttoo ssppeecciiffyy
iittss wwaavveelleennggtthh,, λλ,, iinnsstteeaadd ooff iittss ffrreeqquueennccyy..
 VViissiibbllee lliigghhtt hhaass aa wwaavveelleennggtthh oonn tthhee oorrddeerr ooff
nnaannoommeetteerrss..
nm hc
l =
( )
E eV
( )
 TThhuuss,, aa sseemmiiccoonndduuccttoorr wwiitthh aa 22 eeVV bbaanndd--ggaapp sshhoouulldd
ggiivvee aa lliigghhtt aatt aabboouutt 662200 nnmm ((iinn tthhee rreedd)).. AA 33 eeVV bbaanndd--
ggaapp mmaatteerriiaall wwoouulldd eemmiitt aatt 441144 nnmm,, iinn tthhee vviioolleett..
 TThhee hhuummaann eeyyee,, ooff ccoouurrssee,, iiss nnoott eeqquuaallllyy rreessppoonnssiivvee
ttoo aallll ccoolloorrss..

20. Relative rreessppoonnssee ooff tthhee hhuummaann eeyyee ttoo vvaarriioouuss
ccoolloorrss
GGaaNN
ZZnnSSee
violet blue
GGaaPP::NN
PP
8866
GGaaAAss..1144
pp
6655
GGaaAAss..3355
green yellow
pp
44
GGaaAAss.6
orange red
350 400 450 500 550 600 650 700 750
100
10-1
10-2
10-3
10-4
RReellaattiivvee eeyyee rreessppoonnssee
Wavelength in nanometers
The materials which are used for important light emitting
diodes (LEDs) for each of the different spectral regions.

21. A number of the important LEDs are based on the GaAsP system.
GGaaAAss is a direct band-gap S/C with a band gap of 11..4422 eeVV (in the
infrared).
GGaaPP is an indirect band-gap material with a band gap of 22..2266 eeVV
(550nm, or green).
GaAs
GaP
1.42 eV

22. MMaatteerriiaallss ffoorr vviissiibbllee wwaavveelleennggtthh LLEEDDss
 WWee sseeee tthheemm aallmmoosstt eevveerryyddaayy,, eeiitthheerr oonn ccaallccuullaattoorr
ddiissppllaayyss oorr iinnddiiccaattoorr ppaanneellss..
 RReedd LLEEDD uussee aass ““ ppoowweerr oonn”” iinnddiiccaattoorr
 YYeellllooww,, ggrreeeenn aanndd oorraannggee LLEEDDss aarree aallssoo wwiiddeellyy aavvaaiillaabbllee
bbuutt vveerryy ffeeww ooff wwee wwiillll hhaavvee sseeeenn aa bblluuee LLEEDD..

23. RReedd LLEEDDss
 ccaann bbee mmaaddee iinn tthhee GGaaAAssPP
((ggaalllliiuumm aarrsseenniiddee pphhoosspphhiiddee))..
 GGaaAAss11--xxPPxx
 ffoorr 00<<xx<<00..4455 hhaass ddiirreecctt--ggaapp
 ffoorr xx>>00..4455 tthhee ggaapp ggooeess
iinnddiirreecctt aanndd
 ffoorr xx==00..4455 tthhee bbaanndd ggaapp
eenneerrggyy iiss 11..9988 eeVV..
 HHeennccee iitt iiss uusseeffuull ffoorr rreedd
LLEEDDss..
p-GaAsP region
N-GaAsP P = 40 %
N-GaAs substrate
Ohmic Contacts
Dielectric
(oxide or nitride)
Fig. GaAsP RED LED on a GaAs sub.

24. CCoolloorr NNaammee WWaavveelleennggtthh
((NNaannoommeetteerrss))
SSeemmiiccoonndduuccttoorr
CCoommppoossiittiioonn
IInnffrraarreedd 888800 GGaaAAllAAss//GGaaAAss
UUllttrraa RReedd 666600 GGaaAAllAAss//GGaaAAllAAss
SSuuppeerr RReedd 663333 AAllGGaaIInnPP
SSuuppeerr OOrraannggee 661122 AAllGGaaIInnPP
OOrraannggee 660055 GGaaAAssPP//GGaaPP
YYeellllooww 558855 GGaaAAssPP//GGaaPP
PPuurree GGrreeeenn 555555 GGaaPP//GGaaPP
SSuuppeerr BBlluuee 447700 GGaaNN//SSiiCC
BBlluuee VViioolleett 443300 GGaaNN//SSiiCC
UUllttrraavviioolleett 339955 IInnGGaaNN//SSiiCC

25. AApppplliiccaattiioonnss
 LLaarrggee--aarreeaa LLEEDD ddiissppllaayyss aarree uusseedd aass ssttaaddiiuumm
ddiissppllaayyss aanndd aass ddyynnaammiicc ddeeccoorraattiivvee ddiissppllaayyss..
 OOnnee--ccoolloorr lliigghhtt iiss wweellll ssuuiitteedd ffoorr ttrraaffffiicc lliigghhttss aanndd
ssiiggnnaallss,, eexxiitt ssiiggnnss,, eemmeerrggeennccyy vveehhiiccllee lliigghhttiinngg,,
sshhiippss'' nnaavviiggaattiioonn lliigghhttss
 LLEEDDss aarree uusseedd aass ssttrreeeett lliigghhttss aanndd iinn ootthheerr
aarrcchhiitteeccttuurraall lliigghhttiinngg wwhheerree ccoolloorr cchhaannggiinngg iiss uusseedd..
TThhee mmeecchhaanniiccaall rroobbuussttnneessss aanndd lloonngg lliiffeettiimmee iiss
uusseedd iinn aauuttoommoottiivvee lliigghhttiinngg oonn ccaarrss,, mmoottoorrccyycclleess,,
aanndd bbiiccyyccllee lliigghhttss..
 SSccrreeeennss ffoorr TTVV aanndd ccoommppuutteerr ddiissppllaayyss ccaann bbee
mmaaddee tthhiinnnneerr uussiinngg LLEEDDss ffoorr bbaacckklliigghhttiinngg..

26. CCoonntt……
LLEEDDss aarree uusseedd ffoorr iinnffrraarreedd iilllluummiinnaattiioonn iinn
nniigghhtt vviissiioonn uusseess iinncclluuddiinngg sseeccuurriittyy
ccaammeerraass..
lliigghhtt ffrroomm LLEEDDss ccaann bbee mmoodduullaatteedd vveerryy
qquuiicckkllyy ssoo tthheeyy aarree uusseedd eexxtteennssiivveellyy iinn
ooppttiiccaall ffiibbeerr aanndd ffrreeee ssppaaccee ooppttiiccss
ccoommmmuunniiccaattiioonnss.. TThhiiss iinncclluuddeess rreemmoottee
ccoonnttrroollss,, ssuucchh aass ffoorr TTVVss,, VVCCRRss,, aanndd LLEEDD
CCoommppuutteerrss..

28. RReeffeerreenncceess
 PPhhyyssiiccss ooff SSeemmiiccoonndduuccttoorr DDeevviicceess
--BByy SS..MM..SSzzee
 ggooooggllee..ccoomm
 ggoooogglleeiimmaaggeess..ccoomm
 wwiikkiippeeddiiaa..ccoomm

29. TThhaannkk YYoouu