奥林巴斯显微镜LED光源原理

chgenet1 · 2026-08-04T11:00:11+08:00

过去几十年带来了持续且快速发展的技术革命序列，特别是在数字领域，这极大地改变了我们日常生活的许多方面。发光二极管（LED）制造商之间的发展竞争有望产生迄今为止和最深远的过渡。这些微型半导体器件的设计和制造的进展可能导致普通灯泡的过时，这可能是现代社会使用的的装置。白炽灯是托马斯爱迪生的主要发明中最着名的，也是一个坚持使用（并且几乎以其原始形式）至今，现在已经推出一个多世纪的白炽灯。在过去的几十年里，留声机，纸巾机和油印机已经被数字技术取代，最近，全光谱发光二极管设备正在变得普及，并且可能迫使白炽灯和荧光灯熄灭。虽然LED技术的一些应用可能与将一个灯泡替换为另一个灯泡一样简单，但更有远见的变化可能涉及利用光的戏剧性新机制。由于预测的演变，墙壁，天花板甚至整个建筑物都可能成为专业照明场景的目标，室内设计的变化可能是通过照明效果而不是通过重新粉刷或重新装修来实现的。至少，从白炽灯到LED照明的广泛变化将导致巨大的节能效果。虽然发光二极管在我们周围的视频盒式录像机，时钟收音机和微波炉中运行，但它们的使用主要限于电子设备上的显示功能。计算机和其他设备上的微小红色和绿色指示灯非常熟悉，个LED限于暗红色输出的事实可能没有被广泛认可。实际上，即使是绿色发光二极管的可用性也代表了该技术的重要发展步骤。在过去15年左右的时间里，LED变得更加，并且有多种颜色可供选择。在20世纪90年代早期制造个蓝色LED的突破，在红色可见光谱的另一端发光，开辟了创造几乎任何颜色的光的可能性。更重要的是，这一发现使得从微小的半导体器件产生白光在技术上是可行的。廉价的大众市场白光LED是研究人员和制造商的目标，也是可能结束百年对低效白炽灯的依赖的设备。用于普通照明的二极管器件的广泛使用还需要几年时间，但LED在许多应用中开始取代白炽灯。用现代半导体替代品代替传统白炽光源有许多原因。发光二极管比白炽灯泡在将电能转换为可见光方面效率更高，它们坚固耐用且结构紧凑，使用寿命通常可达100,000小时，比白炽灯泡长约100倍。LED基本上是单色发射器，并且需要高亮度单色灯的应用在当前一代改进的器件中经历了最多的应用。对于汽车尾灯，转向灯和侧标志灯，LED的使用正在增加。作为汽车应用之一，汽车和卡车上的高位制动灯是整合LED的一个特别吸引人的地方。长LED寿命允许制造商更自由地将制动灯集成到车辆设计中，而无需提供频繁（和容易）更换，如使用白炽灯泡时所需。现在，美国约有10％的红色交通信号灯被LED灯取代。LED的较高初始成本可以在短短一年内恢复，因为它们在产生红光方面具有更高的效率，这是在不需要过滤的情况下完成的。红色交通灯中的LED消耗大约10至25瓦特，而相似亮度的红色滤光白炽灯消耗大约50至150瓦特。LED的寿命在减少昂贵的信号维护方面是一个明显的优势。单色LED也被用作机场的跑道灯和无线电和电视传输塔的警示灯。随着制造效率和生产几乎任何输出颜色的发光二极管的能力的提高，研究人员和工业的主要焦点已成为白光二极管。正在采用两种主要机制从基本上是单色的装置产生白光，并且这两种技术很可能继续用于不同的应用。一种方法涉及混合来自多个LED的不同颜色的光，或来自单个LED中的不同材料的光，其比例导致呈现白色的光。第二种技术依赖于使用LED发射（通常是不可见的紫外线）来提供激发另一种物质（例如磷光体）的能量，该另一种物质又产生白光。在随后的讨论中提出了发光二极管功能的基本过程的细节，以及在其构造中使用的材料。然而，可以通过简单的概念描述来概括LED产生光的基本机制。熟悉的灯泡依靠温度通过称为白炽的过程发出可见光（以及以热量形式显着更不可见的辐射）。相反，发光二极管采用电致发光的形式，其由半导体材料的电子激发产生。基本的LED由的结在两种不同的半导体材料之间（如图2所示），其中施加的电压产生电流，当在结上注入的电荷载流子重新结合时伴随着光的发射。 LED的基本元件是半导体芯片（类似于集成电路），其安装在由连接到两根电线的引线框支撑的反射杯中，然后嵌入固体环氧树脂透镜中（见图1）。包括芯片中的结的两个半导体区域之一由负电荷（n型区域;图2））支配，而另一个由正电荷（p型区域）支配。当向电引线施加足够的电压时，电流流动并且电子从n区域移动到p区域带负电的电子与正电荷结合的区域。每种电荷组合与能量水平降低相关联，能量水平降低可以以光子的形式释放一定量的电磁能量。发射光子的频率和感知颜色是半导体材料的特征，因此，通过改变芯片的半导体组成可以实现不同的颜色。发光二极管的功能细节基于半导体材料（例如硅）的共同特性，其具有可变的传导特性。为了使固体导电，其电阻必须足够低，以使电子在整个材料中或多或少地自由移动。半导体表现出介于导体和绝缘体之间的电阻值，并且它们的行为可以根据固体的能带理论建模。在结晶固体中，组成原子的电子占据大量的能级，这些能级在能量或量子数方面可能差别很小。广泛的能量水平倾向于组合成几乎连续的能带，随着能量水平逐渐升高，从核向外进行，可以定义两个不同的能带，称为价带和导带（图3）。价带由比内电子更高能级的电子组成，并且它们具有一些成对相互作用的自由度，以在固体原子之间形成一种局部键。在更高的能级下，导带的电子表现得与单个原子中的电子或在基态以上激发的分子中的电子相似，在固体内移动的自由度很高。价带和导带之间的能量差异被定义为特定材料的带隙。在导体中，价带和导带在能量上部分重叠（见图3），因此一部分价电子总是位于导带中。对于这些材料，带隙基本上为零，并且部分价电子自由地移动到导带中，在价带中出现空位或空穴。电子以很少的能量输入移动到相邻原子带中的空穴中，并且空穴在相反方向上自由移动。与这些材料相比，绝缘体具有占据的价带和更大的带隙，并且电子可以从原子移动到原子的机制是使价电子移位到导带中，需要大的能量消耗。半导体具有小但有限的带隙，并且在常温下，热搅动足以将一些电子移动到导带中，在那里它们可以促进导电。可以通过提高温度来降低电阻，但是许多半导体器件以这样的方式设计：电压的施加在价带和导带之间产生所需的电子分布变化以使电流流动。尽管所有半导体的带排列相似，但在特定温度条件下带隙（以及带间电子分布）存在很大差异。元素硅是的本征半导体，并且通常用作描述这些材料的行为的模型。在其纯净形式中，硅不具有足够的电荷载流子或适当的带隙结构，可用于发光二极管结构，但广泛用于制造其他半导体器件。硅（和其他半导体）的传导特性可以通过向晶体中引入少量杂质来改善，其用于在结构中提供额外的电子或空位（空穴）。通过这种被称为掺杂的过程，集成电路的生产者已经开发出相当大的能力来定制半导体的特性以适应特定的应用。通过考虑相对简单的硅晶体结构，最容易理解掺杂以改变半导体的电子特性的过程。硅是元素周期表中的第IV族成员，具有四个电子，可以参与与固体中的相邻原子的键合。在纯形式中，每个硅原子与四个邻居共享电子，没有超过晶体结构所需的电子的缺陷或过量。如果少量的第III组将元素（在其最外层能级具有三个电子的元素）添加到硅结构中，存在不足数量的电子以满足键合要求。电子缺陷在结构中产生空位或空穴，并且所得到的正电特性将材料分类为p型。硼是通常用于掺杂纯硅以实现p型特性的元素之一。掺杂以产生具有负的总电荷特性（n型）的相反类型的材料是通过添加诸如磷的V族元素来实现的，其在其最外层能级中具有“额外”电子。得到的半导体结构在共价硅键合所需的数量上具有过量的可用电子，这赋予了作为电子供体（n型材料的特征）的能力。尽管硅和锗通常用于半导体制造，但是这两种材料都不适用于发光二极管结构，因为采用这些元件的结产生大量的热量，但仅产生少量的红外或可见光发射。光子发射二极管pn结通常基于III族和V族元素的混合物，例如砷化镓，磷化镓砷和磷化镓。仔细控制这些化合物的相对比例，以及掺入铝和铟的其他化合物，以及添加诸如碲和镁的掺杂剂，使制造商和研究人员能够生产发出红色，橙色，黄色或绿色光的二极管。最近，使用碳化硅和氮化镓已经允许引入蓝色发光二极管，并且以各种组合组合几种颜色提供了产生白光的机制。包括器件结的p型和n型侧面的材料的性质，以及由此产生的能带结构，确定在结区域中的电荷重组期间可用的能级，并因此确定作为光子释放的能量子的大小。结果，由特定二极管发射的光的颜色取决于pn结的结构和组成。操纵固态电子器件特性的基本关键是pn结的性质。当不同的掺杂材料彼此接触时，结的区域中的电流流动不同于单独的两种材料中的任一种。电流将很容易在一个方向上流过结，而不是在另一个方向上，构成基本二极管配置。可以根据两种材料类型中的电子和空穴的移动以及跨越结的这种行为来理解这种行为。n型材料中的额外自由电子倾向于从带负电的区域移动到带正电的区域，或朝向p型材料。在具有空位电子位置（空穴）的p型区域中，晶格电子可以从一个孔跳到另一个孔，并将倾向于远离带负电的区域。这种迁移的结果是孔看起来沿相反方向移动，或者远离带正电的区域并朝向带负电的区域移动（图4）。来自n型区域的电子和来自p型区域的空穴在结的附近复合，形成a耗尽区（或层），其中不存在电荷载流子。在耗尽区中，建立静电荷，其抑制任何额外的电子转移，并且除非由外部偏置电压辅助，否则没有明显的电荷可以流过结。在二极管配置中，器件相对端上的电极使得能够以能够克服耗尽区的影响的方式施加电压。将二极管的n型区域连接到电路的负侧，将p型区域连接到正侧，将使电子从n型材料向p型移动，并使空穴移入相反的方向。通过施加足够高的电压，耗尽区中的电子能量升高以与空穴解离，并开始自由移动。用这种电路极性操作，称为正向偏置在pn结中，耗尽区消失，电荷可以在二极管上移动。孔从p型材料驱动到结，并且电子从n型材料被驱动到结。结处的空穴和电子的组合允许在二极管上保持连续电流。如果电路极性相对于p型和n型区域反转，则电子和空穴将被拉向相反的方向，伴随着结的耗尽区域的扩大。在反向偏置的 pn结中不会发生连续的电流流动，尽管最初瞬态电流将随着电子和空穴被拉离结而流动。一旦增长的耗尽区产生等于施加电压的电位，电流将停止。在pn结处操纵电子和空穴之间的相互作用是所有半导体器件设计的基础，并且对于发光二极管，主要的设计目标是有效地产生光。跨越pn结注入载流子伴随着从导带到较低轨道的电子能级下降。该过程在任何二极管中进行，但仅在具有特定材料成分的光子中产生可见光光子。在标准硅二极管中，能级差相对较小，并且仅发生低频发射，主要发生在光谱的红外区域。红外二极管在许多设备中都很有用，包括遥控器，但是可见光发光二极管的设计需要使用在价带的导带和轨道之间表现出更宽间隙的材料来制造。所有半导体二极管都释放某种形式的光，但大部分能量被吸收到二极管材料本身，除非该器件专门设计用于从外部释放光子。另外，为了用作光源，二极管必须将光发射集中在特定方向上。半导体芯片的组成和结构以及LED外壳的设计都有助于从器件发射能量的性质和效率。但是大部分能量都被吸收到二极管材料中，除非该器件专门设计用于从外部释放光子。另外，为了用作光源，二极管必须将光发射集中在特定方向上。半导体芯片的组成和结构以及LED外壳的设计都有助于从器件发射能量的性质和效率。但是大部分能量都被吸收到二极管材料中，除非该器件专门设计用于从外部释放光子。另外，为了用作光源，二极管必须将光发射集中在特定方向上。半导体芯片的组成和结构以及LED外壳的设计都有助于从器件发射能量的性质和效率。发光二极管的基本结构包括半导体材料（通常称为管芯），其上放置管芯的引线框架，以及围绕组件的封装环氧树脂（参见图1）。LED半导体芯片被支撑在反射器杯中，该反射器杯被压印到一个电极（阴极）的端部中，并且在典型配置中，芯片的顶面通过金键合线连接到第二电极（阳极）。）。几种结结构设计需要两根键合线，每根电极一根。除了不同LED的辐射波长的明显变化之外，还存在形状，尺寸和...