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貨真價實 坦誠無欺
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奧林巴斯顯微鏡LED光源發光原理

2014-11-06  發布者:admin 

在過去的幾十年中都帶來了持續和快速發展的技術革命的順序,特別是在數字領域,這極大地改變了AG亚游集团的日常生活的許多方麵。發光二極管(製造商之間的發展競賽發光二極管),有望產生,從字麵上看,最明顯和最深遠的過渡日期。在設計和製造這些小型半導體器件的最新進展,可能會導致在普通的電燈泡的報廢,或許通過現代社會中使用的最普遍的裝置。

白熾燈是最有名的托馬斯·愛迪生的主要發明的,也是唯一一個已經堅持使用(並在近其原始形式)到今天,現在比它的介紹後,一個世紀以上。留聲機,紙條,並且油印機器已經被替換為數字技術在過去的幾十年中,並且最近,全光譜的發光二極管器件正變得普遍,並且可能迫使白熾燈和熒光燈被滅絕。而LED技術的一些應用可以是直截了當的,與另一個替換一個燈泡,更有遠見的變化可能涉及利用光引人注目的新機製。如所預測的進化的結果,牆壁,天花板,甚至是整個建築物可能成為專門的照明場景的目標,和室內設計的變化可能會通過照明效果,而不是通過重新油漆或refurnishing來完成。最起碼,從白熾燈廣泛變化到LED照明將導致巨大的節能效果。

雖然發光二極管在操作中AG亚游集团周圍的盒式磁帶錄像機,時鍾收音機和微波爐,例如,它們的使用受到了限製主要是為了對電子設備顯示功能。計算機和其他設備上的微小的紅色和綠色的指示燈都是那麽的熟悉,但事實上,第一個LED被限製在一個昏暗的紅色輸出可能是沒有得到廣泛的認可。事實上,綠色發光二極管,即使可用性表示在技術顯著發育步驟。在過去的15年左右的時間,LED已經變得更加強大,並且可以在很寬的顏色範圍。一個突破,使第一個藍色在90年代初的LED製造,在可見光譜的紅光的另一端發光,開辟了創建幾乎任何光線顏色的可能性。更重要的是,該發現使得它在技術上可行,從微小的半導體器件產生白光。一種廉價的,麵向大眾市場的白光LED的版本是研究人員和廠商的最搶手的目標,是設備最有可能結束於低效的白熾燈一百年的依賴。

普通照明二極管器件的廣泛運用還是有些年的時間,但是LED指示燈會開始取代白熾燈在許多應用中。有許多的原因,與現代半導體的替代品替代常規白熾燈的光源。發光二極管遠比白熾燈更高效的轉換電能轉化為可見光,它們堅固耐用,結構緊湊,而且可以經常過去100000小時使用,或約100倍,比白熾燈泡長。LED是從根本上單色發射器和應用程序需要高亮度,單色燈正在經曆的一代提高了設備內的應用程序數量最多。LED的使用正在增加用於汽車尾燈,轉向燈和側標誌燈。作為第一汽車應用之一,在汽車和卡車的高安裝刹車燈是一個特別有吸引力的位置,結合LED燈。長的LED壽命允許製造更自由地製動燈集成到車輛的設計,而不提供對常見的(易)更換的必要性,當白熾燈被用作是必需的。

近似的紅色交通燈在美國10%的人現在被替換為基於LED的燈。LED的高初始成本可以回收在短短的一年由於生產紅光,這是完成的,而不需要過濾他們的更高的效率。在一個紅色交通燈的LED的消耗約10至25瓦,50至150為相似亮度的紅色濾白熾燈相比較。LED的壽命是降低昂貴的維護信號的一個明顯的優點。單色LED也被用作跑道燈在機場和作為警示燈在廣播和電視發射塔。

作為改進已經進行了製造效率和朝向,以產生光的發光二極管與幾乎所有的輸出顏色,研究的主要焦點和產業的能力已成為白色光的二極管。兩種主要機理被用來從該基本上是單色的設備產生白光,並且這兩種技術很可能將繼續被用於不同的應用。一種方法包括混合不同顏色的光從多個發光二極管,或由不同的材料在一個單一的LED的,特別是造成在顯示白色的光的比例。第二技術依賴於使用的LED發射(通常不可見的紫外線),以對激發另一種物質,如熒光體,這反過來又產生白光提供能量。每種方法都有其優勢和缺點,很可能是在不斷變化中發生的LED技術的進一步發展。

半導體二極管(LED)的基本原理

發光二極管的功能所依據的基本流程,並且在它們的結構中使用的材料的細節,都在隨後的討論中。由發光二極管產生光的基本機製然而,可以概括,通過一個簡單的概念性描述。熟悉的燈泡依靠溫度通過稱為白熾一個過程以發射可見光(和以熱的形式顯著更不可見輻射)。與此相反,發光二極管采用電致發光的形式,這是由於半導體材料的電子激發。基本的LED由一個的交界處兩個不同的半導體材料之間(在圖2中示出),其中所施加的電壓產生的電流,伴隨著光的發光時穿過結注入的電荷載流子重新結合。

LED的基本元件是一個半導體芯片(類似於集成電路),其被安裝在由連接到兩個電引線的引線框架支承的反射杯,然後嵌在固體的環氧樹脂透鏡(見圖1)。一個包括在所述芯片接合兩個半導體區域由負電荷為主的(n型區域;圖2)),而另一個是由正電荷(支配p型區域)。當足夠的電壓施加到電引線,電流和電子跨過該結移動從Ñ區到P區,其中所述帶負電荷的電子結合正電荷。收費每一種組合都與可能釋放的電磁能量量子的光的光子的形式的能量水平下降有關。的頻率,以及感知的顏色,發射的光子的半導體材料的特性,因此,不同的顏色通過改變在該芯片的半導體組合物來實現的。

發光二極管的功能細節是基於共同的半導體材料,如矽,其具有可變的導通特性的特性。為了使固體進行發電,其電阻必須足夠低,使電子在整個批量的材料的更多或更少的自由移動。半導體顯示出電阻值的那些的導體和絕緣體之間的中間,並且它們的行為所用的帶理論為固體計進行建模。在結晶固體中,構成原子的電子占據了大量的能量水平可以相差很小或者在能量或在量子數。能級的寬光譜往往組在一起成為幾乎連續的能帶,其中有很大不同對於不同的材料和條件的寬度和間距。

在逐漸升高的能量水平,從細胞核出發向外,兩個不同的能帶可以被定義,這被稱為在價帶導帶(圖3)。價帶中的電子由以比內層電子較高的能級,而這些有一定的自由度對相互作用以形成固體的原子之間的一種類型的局部粘結的。在靜止更高的能量水平,導帶的電子的行為類似於在單個原子或分子的電子已被激發的地麵以上的狀態,與自由的高度內的固體移動。在價帶和導帶之間的能量差被定義為帶隙的特定材料。

在導體的價帶和導帶部 分重疊的能量(參見圖3),從而使價電子的一部分總是駐留在導帶中。帶隙基本上為零對這些材料,並且與價電子自由移動到導帶的一部分,空缺或發生在價帶中。電子移動,用很少的輸入能量,進入孔中相鄰原子的頻段,並且所述孔在相反方向上自由地遷移。相對於這些材料,絕緣體具有全滿價帶和較大的帶隙,並且通過電子可以從原子移動到原子是一個價電子可位移到導帶中,需要大的能量消耗的唯一機製。

半導體具有帶隙,其體積小但有限的,並且在常溫下,熱攪動足以一些電子移動到導帶,他們可以向電傳導。性可通過提高溫度來減輕,但許多半導體器件的設計中,一個電壓的施加產生的價帶和導帶之間的電子分布所要求的變化,使電流流動的方式。雖然帶布置是類似的所有半導體器件,有在帶隙(和在電子的頻帶中的分配),在特定溫度條件下的大的差異。

元素矽是最簡單的本征半導 體,以及通常用作一個模型,用於描述這些材料的行為。在其純的形式存在,矽不具有足夠的電荷載體,或適當的帶隙結構,是在發光二極管結構是有用的,但被廣泛用於製造其它半導體器件。矽(和其他半導體)的傳導特性可以通過在少量晶體,其用於提供任何額外的電子或空位(空穴)在結構中引入雜質來改善。通過這個過程,被稱為摻雜,集成電路生產商已開發了定製半導體的性質以適合特定應用相當大的能力。

摻雜修改半導體的電子性能的方法是最容易通過考慮相對簡單的矽晶體結構的理解。矽是一種Ⅳ族元素周期表的部件,具有四個電子可能參與鍵合與相鄰原子中的固體。以純的形式中,每個矽原子共用電子與四個相鄰,具有超出在晶體結構中所需的電子的無赤字或過量。如果少量的Ⅲ族元素(那些具有3電子在其最外麵的能量電平)被添加到矽結構,電子的數量不足存在滿足粘接要求。電子不足造成一個空缺,或孔,在結構上,將得到的正極的電性質的材料作為p型進行分類。硼是通常用於摻雜純矽,實現p型特性的元素之一。

摻雜,以產生材料相反的類型,具有負的總電荷的字符(n型),通過添加來實現的V族元素,如磷,其具有在其最外能級一個“額外”的電子。所得到的半導體結構具有過量所需的共價鍵合的矽的數量,這賦予充當電子供體(n型材料的特征)的能力,可用的電子。

雖然矽和鍺,通常用於半導體製造中,既不材料適合於發光二極管結構,因為結采用這些元件產生一個顯著量的熱量,但隻有少量的紅外線或可見光發射。光子的發光二極管的pn結通常是基於第III族和V族元素,如砷化镓,磷砷化镓,磷化镓的混合物。小心控製這些化合物的相對比例,以及其他摻入鋁和銦,以及在加入的摻雜劑,如碲,鎂,使製造商和研究人員產生二極管發射的紅色,橙色,黃色或綠色的光。最近的使用碳化矽和氮化镓已準許的藍色發射被引入二極管,並以各種組合結合了多種顏色提供,以產生白色光的機構。的材料,包括該裝置結的p型和n型側,並將得到的能帶結構的性質,決定了能量水平是在在該結區電荷重組可用,並且因此,能量子的大小釋放為光子。其結果是,光通過一個特定的二極管發出的光的顏色取決於pn結的結構和組成。

基本鍵操作的固態電子器件的性能是pn結的性質。當不同的摻雜材料被放置在彼此接觸,電流的交界的區域中的流動是不同的比在單獨使用這兩種材料。電流將容易地在一個方向跨過該結流動,而不在其他中,構成了基本的二極管結構。這種行為可以理解電子和空穴兩者的材料類型和穿過結的運動方麵。額外的自由電子在n型材料傾向於從帶正電荷的區域,或向p型材料中的帶負電荷的區域移動。在p型區域,它具有懸空的電子位點(孔),晶格的電子可從孔跳轉到孔中,並且將趨向於遠離所述帶負電荷的區域。這種遷移的結果是,該孔出現移動在相反的方向,或遠離正電荷區和朝向帶負電荷的區域(圖4)。從p型區的n型區和空穴的電子重新結合在結附近形成一個耗盡區(或層),其中沒有電荷載流子保持。在耗盡區中,靜電電荷被建立,抑製任何額外的電子轉移,並且沒有明顯的電荷可以穿過結流動,除非輔助通過外部偏壓。

在二極管結構中,在裝置的相對端的電極使電壓在可克服耗盡區的影響的方式被應用。連接二極管至電源電路的負極側,而p型區到正側的n型區域將導致電子從n型材料向p型移動,並且空穴移動至在相反的方向。與應用足夠高的電壓時,在耗盡區中的電子被升高,能量解離與孔,並開始再次自由地移動。操作與該電路的極性,稱為正向偏置的PN結的,耗盡區消失,電荷可以通過二極管移動。空穴從p型材料驅動到結點和電子驅動,以從n型材料的交界處。空穴和電子在路口的組合能夠維持一個連續的電流通過二極管。

如果電路的極性是相反的相對於所述p型和n型區,電子和空穴將被拉向相反方向,與耗盡區的交界處的伴隨擴大。不連續的電流流動發生在反向偏置的 pn結,雖然最初一過電流流過的電子和空穴被拉離的交界處。作為生長耗盡區產生的電勢等於所施加的電壓的電流流動,會盡快停止。

發光二極管施工

在pn結的電子和空穴之間的相互作用的操作是在所有的半導體器件的設計基礎,以及用於發光二極管中,主要的設計目的是高效地生成光。注射跨越pn結的載流子是伴隨著在電子能級的降低,從導帶至下軌道。這個過程發生在任何二極管,但隻產生可見光的光子在那些具有特定的材料組合物。在一個標準的矽二極管,所述能量水平的差異是相對小的,並且隻有低頻發射發生,主要是在光譜的紅外區域。紅外二極管是在很多設備,包括遠程控製是有用的,但對可見光發光二極管的設計,需要製造具有呈現的導帶和價帶中的軌道之間有較寬的間隙材料。所有半導體二極管釋放某種形式的光,但大部分的能量被吸收到二極管材料本身,除非設備被專門設計用於從外部釋放光子。此外,對可用作光源,二極管必須集中在一個特定方向的光發射。兩者的組成和結構的半導體芯片,並在LED外殼的設計中,向從設備的性質和能量發射的效率。

發光二極管的基本結構是由半導體材料(通常被稱為一個的管芯),在其上的管芯被放置在一個引線框架,包封環氧樹脂組裝周圍(參見圖1)。在LED半導體芯片被支撐在反射杯鑄造成一個電極(在結束時陰極),並且在典型的配置中,芯片的頂麵與一金接合線的第二電極(連接陽極)。幾個結結構的設計需要兩個鍵合線,1至各電極。除了 在不同的LED的輻射波長的明顯變化,有變化的形狀,尺寸和輻射模式。典型的LED半導體芯片的麵積約為0.25毫米方,環氧基體為2至直徑約10毫米。最常見的是,在LED的身體是圓形的,但它們也可以是矩形,正方形或三角形。

雖然光從半導體管芯發射的色彩是由芯片的材料在它們被組裝的方式組合,並確定LED的某些光學特性可以通過在芯片封裝的其他變量來控製。射束角可以是窄或寬的(見圖5),並且由反射杯的形狀來確定,所述LED芯片的尺寸,從芯片到環氧殼體或透鏡的頂部的距離,和幾何環氧鏡頭。環氧透鏡的色調並不確定LED的發光顏色,但通常被用作燈的顏色的一種方便的指示時,它是不活動的。指示燈用於那些需要較高的強度,並在關斷狀態無彩色,具有清晰的鏡片,沒有色調或擴散。這種類型的產生最大的光輸出,並且可以被設計成具有最窄的光束,或觀看角度。非漫射透鏡通常表現出的加或減10到12度(圖5)的視角。它們的強度允許它們被用於背光照明應用,如顯示麵板的電子設備上的照明。

用於創建擴散的LED透鏡,分玻璃顆粒包埋在環氧樹脂包封。通過包含該玻璃所造成的擴散價差光由二極管發射的,在中心軸的任一側上產生的大約35度的視角。此透鏡樣式通常采用在將LED被直接觀察時,如對設備的麵板顯示燈的應用程序。

材料的係統和在LED結構的製造技術的選擇是由兩個主要目標最大化的光產生的芯片材料,並將所產生的光的高效提取引導。在正向偏壓的pn結,空穴穿過結的p區注入到n區,並且電子從n區注入到p區。該材料中的平衡電荷載流子分布由該注射的過程,這被稱為少數載流子注入改變。少數載流子與多數載流子發生重組以重新建立熱平衡,並持續電流流動保持了少數載流子注入。當重組率等於噴射率,穩態載流子分布被建立。少數載流子的重組可發生在一個輻射的方式,與光子的發射,但對此進行適當的條件下,必須建立為能量和動量守恒。滿足這些條件不是瞬時過程,並且注入的少數載流子的輻射複合之前的時間延遲的結果才能進行。這一延遲,少數載流子壽命,是必須在LED材料的設計被認為是主要的變量之一。

雖然輻射複合過程是可取的LED的設計,這不是唯一的重組機製,該機製能夠在半導體。半導體材料不能在沒有一些雜質產生,位錯的結構,以及其他結晶缺陷,而這些都可以阱注入的少數載流子。這種類型的重新組合可以或可以不產生光的光子。再結合不產生輻射是由運營商合適位點的擴散速度減慢,並且其特征在於一個非輻射過程的壽命,其可相對於輻射過程的壽命。

在LED設計目標顯而易見,鑒於上述的因素,是最大化的電荷載流子相對於所述非輻射的輻射複合。這兩個過程的相對效率確定注入的電荷載體,結合對輻射相比,噴射出的總數量,這可以解釋成這樣的材料係統的內部量子效率的分數。的材料用於LED製造的選擇依賴於半導體的能帶結構的理解和通過該能量水平,可以選擇或操縱,以產生良好的量子效率的值的裝置。有趣的是,第III-V族化合物的某些基團具有近100%的內部量子效率,而在半導體使用的其他化合物可具有內部量子效率低達1%。

該輻射壽命為特定的半導體很大程度上決定之前,無輻射是否會發生輻射再結合。大多數半導體具有類似的簡單的價帶結構與位於圍繞特定晶體學方向上的能量峰,但與在導帶中的結構更加變異。在導帶中存在能量的山穀,和電子占據的最低能量的波穀被定位成更容易參與重組與在價帶中的少數載流子。半導體可以被分類為直接間接依賴於導帶能量的山穀的相對定位,並在能量/動量空間中的價帶的能量頂點。直接半導體具有空穴和電子的位置直接相鄰的相同動量的坐標,從而使電子和空穴複合相對容易,同時保持動量守恒。在間接半導體,導帶能量的山穀和孔,允許動量守恒之間的匹配是不理想,大部分的躍遷被禁止,並且將得到的輻射壽命長。

矽和鍺是間接的半導體,其中注入的載流子的輻射複合是極不可能的例子。的輻射壽命這樣的材料會發生在秒的範圍內,並且幾乎所有的注入載流子結合非輻射通過在晶體中的缺陷。直接半導體,諸如氮化镓或镓砷化物,具有短的輻射壽命(大約1到100毫微秒),並且材料可具有足夠低的缺陷密度來製造該輻射過程是可能象非輻射性。對於重組事件發生在間接帶隙材料中,電子必須有一個孔在一個顯著降低重組概率相結合,造成了能帶 - 能帶間躍遷的發生之前改變其動量。由這兩種類型的半導體材料構成的發光二極管顯示出的量子效率明顯地反映了這一事實。氮化镓LED的量子效率高達12%,而典型的碳化矽LED的0.02%左右。圖6給出的能帶圖的直接帶隙GaN和間接帶隙的SiC示出了兩種類型的材料的能帶 - 能帶的能量躍遷的性質。

光的載流子跨越pn結注入的放射性複合發射的波長(和顏色)是由重組的電子-空穴對的價帶和導帶之間的能量差來確定。載流子的近似能量對應於價帶的上端的能級和導帶的能量最低時,由於電子和空穴的傾向,平衡在這些水平。因此,波長(λ發射的光子的)近似由下式:

λ= HC / E BG

其中ħ代表普朗克常數,Ç是光的速度,而E(血糖)是帶隙能量。以改變發射的輻射的波長,用於製造LED的半導體材料的帶隙必須改變。砷化镓是一種常見的二極管材料,並且可以被用作表示在一個半導體的能帶結構可以被改變以改變該裝置的發光波長的方式的一個例子。砷化镓具有大約1.4電子伏特的帶隙,且發出的紅外線,在900納米的波長。為了增加發射的頻率轉換成可見光的紅色區域(約650納米),帶隙必須增加到約1.9電子伏特。這可通過將砷化镓與具有大的帶隙相容的材料來實現。磷化镓,具有2.3電子伏特的帶隙,是此混合物的最可能的候選者。與化合物製備的LED 的GaAsP(镓砷磷)可定製以產生任何值的帶隙1.4和2.3電子伏特之間,通過調整砷與磷的含量。

如先前所討論的,光產生的二極管的半導體材料的最大化是在LED的製造中主要設計目標。另一個要求是從芯片的光的有效提取。由於全內反射,光的僅僅是在半導體芯片內各向同性地產生一小部分可以逃逸到外部。根據斯涅耳定律,光可以從更高的折射率的介質行進到較低折射率的介質中,隻有當它相交的兩種介質之間的界麵上以一定的角度小於臨界角為兩種介質。在通過LED(取決於具體的芯片和pn結的幾何形狀)的上表麵具有一個典型的發光半導體立方體形狀,僅約1至所產生的光逃逸的2%,餘量由所述半導體材料中的吸收。

圖7示出了光從折射率的層狀半導體芯片的逃逸N(S)為環氧低指數(N(五))。由逃逸錐對著的角度是由臨界角,定義θ(三),對兩種材料。光線出現的來自LED的角度小於θ(三)逃逸到環氧樹脂具有最小反射損耗(虛線射線線),而這些光線傳播的角度大於θ(三)經曆全內反射邊界處,並做不直接逃芯片。因為環氧圓頂的曲率,最光線離開半導體材料滿足環氧/空氣界麵處幾乎成直角,並從同一點反射損失殼體出現。

光從LED芯片到周圍環境發出的光的比例依賴於表麵,通過它光可被發射的,以及如何有效地發生這種情況,在每個表麵的數量。幾乎所有的LED的結構依賴於某種形式,其中外延生長工藝被用來沉積在彼此頂部幾個晶格匹配的材料來定製芯片的特性層狀排列的。各種各樣的結構的情況下,與需要不同的層體係結構以便優化性能特性的每種材料係統。

大多數的LED的結構安排依賴於二次生長步驟以沉積單晶層上的單晶塊狀生長的基片材料的頂部上。這種多層化的方法使設計人員能夠滿足看似矛盾或不一致的要求。所有的結構類型中的一個共同特征是,該pn結,在光發射時,它幾乎不會位於上述大量生長襯底的晶體中。其中一個原因是,本體 - 生長材料通常具有高的缺陷密度,從而降低了光的產生效率。此外,最常見的批量生長的材料,包括砷化镓,磷化镓,和磷化銦,不具有相應的帶隙為所期望的發射波長。在許多LED應用的另一要求是,可以通過適當的底物的選擇必須滿足,即使在在pn結區所要求的低的摻雜將不能提供足夠的導通情況下的低串聯電阻。

外延晶體生長的技術涉及一種材料上的另一個,這是密切在原子晶格常數和熱膨脹係數相匹配,以減少在分層材料中的缺陷的沉積。許多技術都在使用中產生的外延層。這些包括液相外延(LPE),氣相外延(VPE),金屬-有機外延化學氣相沉積(MOCVD)和分子束外延(MBE)。每個生長技術,在特定材料係統或生產環境中的優點,而這些因素在文獻中有廣泛的討論。

在LED的製造中使用的各種外延結構的細節這裏不再給出,但在許多出版物中進行了討論。然而,一般來說,這種結構是最常見類別的生長擴散的同質結單禁閉雙限製異質結。不同層安排的應用程序背後的戰略是多不勝數。這些包括的結構Pñ區域和反射層,以提高係統的內部量子效率,分級的組合物緩衝層,以克服層之間的晶格失配,局部變化的能帶間隙來實現載流子限製,並且載流子注入的橫向約束控製光發射區或準直的排放。

即使它通常不包含pn結區域,在LED基板材料成為功能的一個組成部分,並且被選擇為適合於所需的外延層的沉積,以及用於它的透光性和其它性能。如前所述,所產生的光的一部分,實際上是從一個LED芯片發射的表麵,有效地發射的光的數量的函數。大多數LED芯片被歸類為吸收襯底AS)的設備,其中,所述基片材料具有窄的帶隙和吸收具有能量大於帶隙的所有排放。因此,光行進朝向側麵或向下被吸收,並且這樣的芯片隻能通過其頂表麵發射光。

所述透明襯底TS)芯片的設計通過將基片是透明的,發射光的波長,以增加光提取。在一些係統中,在上部外延層的透明度將允許一定角度範圍內的光發射向側麵,要被提取為好。混合設計,具有襯底屬性的AS和TS設備之間的中間體,也被利用,並且顯著增加提取效率可以通過就業從LED芯片到空氣中的折射率梯度變化來實現。有留在LED結構,以減少排放和難以克服,如前麵和芯片上的背麵接觸,晶體缺陷眾多其他的吸收機製。然而,芯片上製成透明的,而不是吸收,底物可表現出在提取效率的近-五倍改善。

的多顏色LED的發展

第一個商業化的發光二極管,在20世紀60年代開發的,所用的主成分镓,砷,磷,產生紅光(655納米的波長)。一個附加的紅色發光材料,磷化镓,後來被用於生產二極管發射700納米的光。後者版本已經看到有限的應用,盡管效率高,由於從人眼在該光譜區域的相對不敏感性而產生的低表觀亮度。在整個20世紀70年代,技術的發展使附加二極管的顏色被引入,並且生產的改進提高了設備的質量控製和可靠性。

變化的元素比例,摻雜,並且基底材料造成的镓-砷化物-磷(發展的GaAsP)二極管產生的橙色和黃色發射,以及更高的效率紅色發光體。基於綠色二極管的GaP還開發芯片。采用镓鋁砷(的引進和完善的GaAlAs),在20世紀80年代,導致了對發光二極管的應用數量快速增長,主要是因為數量級的提高亮度相比,以前的設備。這個增益中性能通過在芯片製造中使用的多層異質結構的實現,雖然這些砷化镓鋁二極管被限定於紅色(660納米)的發光,又開始在室外的標誌可,條形碼掃描儀,醫療器械和光纖數據傳輸。

發光二極管的顏色變化
顏色名稱波長
(納米)
半導體
組成
紅外線880砷化镓鋁/砷化镓
超紅660砷化镓鋁/砷化镓鋁
超紅633的AlGaInP
超級橙色612的AlGaInP
605的GaAsP /間隙
585的GaAsP /間隙
白熾燈
4500K(CT)的的InGaN / SiC複合材料
淡白色6500K(CT)的的InGaN / SiC複合材料
冷白8000K(CT)的的InGaN / SiC複合材料
純綠555的GaP /間隙
超級藍470氮化镓/碳化矽
藍紫色430氮化镓/碳化矽
紫外線395的InGaN / SiC複合材料
表1

一個主要的發展發生在上世紀80年代末,當LED設計師的迅速發展激光二極管產業借來的技術,導致高亮度可見光二極管基於銦镓鋁磷(對生產的AlGaInP)係統。這種材料可以改變由調節的帶隙的發光顏色。因此,在相同的生產技術可用於產生紅,橙,黃,綠的LED。表1列出了一些常用的LED芯片的材料(外延層,並且在一些情況下,該基片)和它們的發射波長(或者相應的顏色溫度為白光LED燈)。

最近,基於氮化镓和碳化矽的材料的藍色LED已經被開發出來。生產光在該較短波長的,在可見光譜的更有力的區域中,長期以來一直難以實現對LED的設計。高光子能量通常會增加半導體器件的故障率,並且人眼對藍光的靈敏度低增加了亮度為一個有用的藍色二極管。一項所述的藍色發光二極管的最重要的方麵是,它完成了紅,綠,藍(RGB)原色家庭提供生產固態白光,通過對這些部件的顏色混合的附加 機製。

固態研究者已經尋求開發由於第一發光二極管的發展產生了明亮的藍色光源。雖然利用碳化矽的LED可產生藍光,它們具有非常低的發光效率,並且不能夠產生所必需的實際應用中的亮度。在III族氮化物基半導體的最新發展已經導致在二極管技術的一次革命。特別是,镓銦氮化物(的GaInN)係統已成為用於生產藍色LED的主要候選人,並且也是在顯影的白色LED市場的主要材料。起源於1990與實現對摻雜GaN中的材料的GaInN係統,以後接著的的GaInN / GaN的雙異質結構用於LED製造的利用率,然後通過高亮度的藍色和綠色的GaInN的LED中的商業可用性20世紀90年代末。

白光LED燈

镓銦氮化物半導體材料係統的作用延伸到白光二極管的發展。加入明亮的藍色發光LED與早期開發的紅色和綠色的裝置使得有可能使用三個LED,調諧到適當的輸出電平,以產生在可見光光譜中,包括白色的任何顏色。其他可能的方法來產生白光,使用一台設備,是基於熒光染料波長轉換器或半導體波長轉換器。白色LED的概念是用於普通照明特別有吸引力的,原因是固態器件的可靠性,以及用於遞送非常高的發光效率比傳統的白熾燈和熒光燈的來源的可能性。

而傳統光源表現出每瓦15至100流明的平均產量,白光LED的效率,預計通過持續的發展,以達到每瓦超過300流明。圖8示出了發光效率值的數目的LED類型和傳統的光源,並包括CIE為可見光波長範圍(委員會國際歌DE L'Eclairage)發光度曲線。這條曲線代表了人眼響應的100%效率的發射極。一些當前的LED材料係統的顯示出更高的發光性能比大多數的傳統光源,很快發光二極管預計是最高效的發射器可用。

白色LED是肯定適於顯示和標牌應用,但為了對普通照明有用(如希望的),而對於應用要求的準確和美觀的顯色性(包括照明光學顯微鏡),以何種方式“白色”光實現必須認真考慮的。人眼感知光線作為是白色的,如果三種photosensory視錐細胞位於視網膜,特別是比刺激。三錐類型表現出的響應曲線,在靈敏度為代表的紅色,綠色和藍色,以及響應信號的組合產生不同的色彩感覺在大腦中的波長峰。多種不同顏色的混合物能夠產生類似的感知顏色的,特別是在白顯示的情況下,其可以通過兩種或更多種顏色的許多組合來實現。

甲色度圖是表示從混合顏色所得到的結果的圖形手段。單色的顏色出現在該圖的邊緣,以及一係列代表白色的位於圖中的中心區域的混合物的(參見圖9)。可以通過不同的機製來產生被感知為白色光。一種方法是在適當的功率比光的兩個互補色組合。產生在視網膜上的三色激勵響應(引起的白色的知覺)之比改變為不同的顏色組合。一個選擇互補波長列於表2中,隨著功率比為每個產生指定為標準光源的色度 坐標對D(65)由國際委員會照明委員會(CIE,委員會國際歌DE L'Eclairage) 。

產生白色光的另一種手段是通過組合三種顏色的發光,將產生的白色光的感知當它們被組合以適當的功率比。白色光,也可以通過從發射在可見光譜的一個大的區域的物質的寬帶發射產生的。這種類型的發射的接近太陽光,並且被認為是白色的。此外,寬帶發射可以與發射在離散頻譜線,以產生感知的白色,其可具有從這些白色光通過其他技術產生不同的特定期望的顏色特性進行組合。

的紅色,綠色和藍色二極管芯片的組合成一個離散的包,或者在一個燈組件殼體二極管的集群,使得白光或任何的256色的產生通過利用電路,獨立地驅動所述三個二極管。在需要的顏色從單點源的全光譜應用中,這種類型的RGB二極管格式是優選的技術。

最白光二極管使用的半導體芯片的發光在短波長(藍色,紫色或紫外)及波長轉換元件,其吸收的光從所述二極管和經受在更長的波長的二次發射。這樣的二極管,因此,發射的兩個或更多個波長的光,即在組合時,顯示為白色。將合並的發射的質量和光譜特性隨不同的設計變型是可能的。最常見的波長轉換元件的材料被稱為熒光體,其表現出的發光時,它們吸收能量從另一個輻射源。在通常使用的熒光體是由含有光學活性的摻雜劑的無機主物質。釔鋁石榴石(YAG)是一種常見的基質材料,並且對二極管的應用中,通常摻雜有稀土元素或稀土類化合物中的一個。鈰是在設計用於白色發光二極管的YAG熒光體的共同摻雜元素。

補色波長
波長互補功率比
λ 1(nm)λ 2(nm)P(λ 2)/ P(λ 1
390560.90.00955
410561.30.356
430562.21.42
450564.01.79
470570.41.09
480584.60.562
484602.10.440
486629.60.668
表2

第一市售的白色LED(製造並且由Nichia公司分布)是基於一個藍色發光镓銦氮化物(上的GaInN由黃色熒光體包圍的部分)的半導體器件。圖1示出該裝置的剖麵結構。磷光體的Ce摻雜的YAG,生產的粉末形式,並懸浮於用於封裝管芯的環氧樹脂。磷光體-環氧混合物填充支撐在引線框架上的芯片的反射杯,和從芯片的藍色發光的一部分被熒光體吸收並重新發射的較長波長的磷光。下的藍色光照的黃色光激發的組合是理想的要求,隻有一個轉換器的種類。互補的藍色和黃色波長通過添加劑組合混合,以產生所需的白色光。該LED(圖10)中所得到的發光光譜表示熒光體發射的組合,與藍色的發光穿過所述熒光粉塗層未被吸收。

兩個發光帶的相對貢獻可以被修改,以優化LED的發光效率,和總的發射的顏色特征。這些調整可以通過改變含熒光劑的環氧包圍著模具的厚度,或通過改變熒光體懸浮在環氧樹脂的濃度來實現。從所述二極管的帶藍色的白色發光被合成時,在效果上由加色混合,它的色度 特性是由在CIE色度圖上的中心位置,(0.25,0.25)所表示的(圖9; 帶藍色的白光LED)。

白光二極管,可以通過其他機製產生的排放,采用廣譜熒光粉是由紫外線輻射光激發。在這種器件中,紫外線發光二極管被用來傳輸能量給熒光體,並在整個可見光發射被熒光體生成的。發射在一個寬範圍的波長,產生白色光的熒光體,是容易得到如熒光燈和陰極射線管製造中使用的材料。雖然熒光管從氣體放電過程中獲得的紫外發光,熒光體發射階段產生白色光的輸出是相同的在紫外泵浦白色二極管。磷光體已公知的顏色特性和這種類型的二極管具有它們可以被設計用於需要臨界顯色性的應用程序的優點。紫外線泵浦二極管的顯著缺點,然而,相對於白色二極管采用藍色光的熒光激發是其較低的發光效率。這是由於相對高的能量損失下轉換紫外光為更長的可見光波長。

染料是另一種合適類型的波長轉換器,用於白光二極管的應用,並且可以摻入環氧樹脂密封劑或在透明的聚合物。可商購的染料通常是有機的化合物,其通過考慮它們的吸收光譜和發射光譜的被選擇的特定的LED設計。由二極管產生的光必須在轉換的染料,其進而發射的光在所希望的較長波長的吸收特性相匹配。染料的量子效率可以接近100%,如在磷光體轉換,但它們具有比熒光體較差的長期運行的穩定性的缺點。這是一個嚴重的缺點,因為該染料的分子不穩定致使他們後吸收躍遷的有限數量的失去光學活性,並且在發光二極管的顏色所產生的變化會限製它的壽命。

奧林巴斯顯微鏡基於半導體波長轉換器的白光LED已經證明,原則上在對磷光體轉換的類型相似,但其中使用發射不同波長的響應於來自所述主源晶片發射的第二半導體材料。這些裝置已被稱為光子循環半導體(或PRS-LED的),並包含藍色發光LED管芯鍵合到該響應的藍色光通過發射光具有互補波長的另一個模。兩個波長然後結合以產生白光。一種可能的結構,這種類型的設備利用的GaInN二極管耦合到的AlGaInP光學受激有源區的電流注入有源區。的藍色光由主光源發出的一部分由次級有源區域吸收,而“回收”作為低能量的再發射的光子。一個光子循環半導體的結構被示意性地在圖11中示出為了使合並的發射,以產生白光,這兩個源的強度比必須具有可以被計算為特定的二色分量的特定值。材料的選擇和該結構中的各個層的厚度可以改變,以改變所述設備的輸出的顏色。

因為白色光可通過幾種不同的機製來創建,利用白色LED在一個特定的應用程序需要考慮用於產生光的方法的適合性。雖然光的感知顏色通過各種技術發射的可能是類似的,其上的顯色性,或光的過濾的結果的效果,例如,可以是完全不同的。通過寬帶發射產生白色光,通過兩種互補色的兩色源的混合,或由三種顏色的三色源混合,可以位於不同的坐標的色度圖上,並具有不同的色溫相對於被指定為光源由CIE標準。然而認識到,即使不同的發光體具有相同的色度坐標,它們可能仍然有顯著不同的顯色性(表3),由於變型中的每個源的輸出譜的細節是很重要的。

LED發光效率和顯色指數
LED的類型發光
效率(流明/瓦)
色度
坐標(x,y)的
一般顯色指數

雙色LED


336(0.31,0.32)10
拓寬輸出雙色LED306(0.31,0.32)26

三基色LED


283(0.31,0.32)60
磷光體的基於發光二極管280(0.31,0.32)57
表3

兩個因素,前麵提到的,是最重要的評價由LED產生白光:發光效率和顯色能力。的屬性被稱為顯色指數(CRI)被用在測光比較的光源,並且被定義為相對於該標準的參考光源的光源的顯色能力。可以證明,存在發光效率和光發射器件的顯色能力之間存在著根本的權衡,如表3所示的值,對於一個應用程序,例如標牌,其利用單色光的塊,其發光效率是最重要的,而現色性指數是無關緊要的。對於一般照明,這兩個因素必須進行優化。

從一個裝置發出的照明的光譜性質在其顯色能力產生深遠的影響。雖然盡可能高的發光效率可以通過混合兩種單色補色而獲得,這樣的二色性的光源具有低的顯色指數。在實際意義上,這是合乎邏輯的,如果一個紅色的物體被照亮與二極管發光通過組合隻有藍色和黃色的光產生白光,則紅色物體的外觀也不會很悅目。同樣的二極管將是非常適合背光透明或白色的麵板,但是。有廣譜白色光源模擬陽光中的可見光光譜具有最高的顯色指數,但不具有二色性發射器的發光效率。

基於熒光體的發光二極管,其中任一組合的藍色發光波長具有較長波長的磷光色彩,或者僅由熒光體發射(如紫外泵浦LED)的製造的光,可以被設計為具有顯色能力,是相當高的。它們具有彩色字符,該字符在許多方麵類似於熒光燈管。在的GaInN LED的使用藍色發光的半導體激發熒光粉,並在結合了不同數量的熒光粉,芯片周圍的冷白,淡白色,而白熾燈的白色版本。清涼的白色是最亮的,利用最少的熒光粉,並產生光最藍的顏色。白熾白色版圍繞藍色發光芯片的最熒光粉,具有最暗輸出和yellowest(最暖的)顏色。淡白色的有亮度和色調特性的另外兩個版本之間。

白光LED的期待已久的可用性產生了在運用這些設備一般照明的要求極大的興趣。作為照明設計師熟悉新設備的特點,一些誤解會被驅散。其中之一是,從白色LED的光能夠被用於照亮任何顏色的透鏡或過濾器,並且保持顏色的精確度和飽和度。在一些白光LED的版本,沒有紅色存在於白色輸出部件,或者有在光譜的其他的不連續性。這些LED不能被用作一般的來源提供背光多色顯示板或彩色鏡片,雖然它們的功能以及後麵透明或白色麵板。如果藍色為主的GaInN白光LED采用後麵的紅色鏡片,發射的光將是粉紅色的顏色。同樣,當用相同的LED點亮為橙色透鏡或過濾器將顯示為黃色。雖然在應用LED的潛在利益是巨大的,是必要的,以取代較熟悉的傳統能源將這些設備整合到照明方案考慮其獨特的特點。



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