過去幾十年帶來了持續(xù)且快速發(fā)展的技術(shù)革命序列，特別是在數(shù)字領(lǐng)域，這極大地改變了我們?nèi)粘Ｉ畹脑S多方面。發(fā)光二極管（led）制造商之間的發(fā)展競爭有望產(chǎn)生迄今為止和深遠的過渡。這些微型半導(dǎo)體器件的設(shè)計和制造的進展可能導(dǎo)致普通燈泡的過時，這可能是現(xiàn)代社會使用的的裝置。
白熾燈是托馬斯愛迪生的主要發(fā)明中著名的，也是一個堅持使用（并且?guī)缀跻云湓夹问剑┲两?，現(xiàn)在已經(jīng)推出一個多世紀的白熾燈。在過去的幾十年里，留聲機，紙巾機和油印機已經(jīng)被數(shù)字技術(shù)取代，近，全光譜發(fā)光二極管設(shè)備正在變得普及，并且可能迫使白熾燈和熒光燈熄滅。雖然led技術(shù)的一些應(yīng)用可能與將一個燈泡替換為另一個燈泡一樣簡單，但更有遠見的變化可能涉及利用光的戲劇性新機制。由于預(yù)測的演變，墻壁，天花板甚至整個建筑物都可能成為專業(yè)照明場景的目標，室內(nèi)設(shè)計的變化可能是通過照明效果而不是通過重新粉刷或重新裝修來實現(xiàn)的。至少，從白熾燈到led照明的廣泛變化將導(dǎo)致巨大的節(jié)能效果。
雖然發(fā)光二極管在我們周圍的視頻盒式錄像機，時鐘收音機和微波爐中運行，但它們的使用主要限于電子設(shè)備上的顯示功能。計算機和其他設(shè)備上的微小紅色和綠色指示燈非常熟悉，個led限于暗紅色輸出的事實可能沒有被廣泛認可。實際上，即使是綠色發(fā)光二極管的可用性也代表了該技術(shù)的重要發(fā)展步驟。在過去15年左右的時間里，led變得更加強大，并且有多種顏色可供選擇。在20世紀90年代早期制造個藍色led的突破，在紅色可見光譜的另一端發(fā)光，開辟了創(chuàng)造幾乎任何顏色的光的可能性。更重要的是，這一發(fā)現(xiàn)使得從微小的半導(dǎo)體器件產(chǎn)生白光在技術(shù)上是可行的。廉價的大眾市場白光led是研究人員和制造商的目標，也是可能結(jié)束百年對低效白熾燈的依賴的設(shè)備。
用于普通照明的二極管器件的廣泛使用還需要幾年時間，但led在許多應(yīng)用中開始取代白熾燈。用現(xiàn)代半導(dǎo)體替代品代替?zhèn)鹘y(tǒng)白熾光源有許多原因。發(fā)光二極管比白熾燈泡在將電能轉(zhuǎn)換為可見光方面效率更高，它們堅固耐用且結(jié)構(gòu)緊湊，使用壽命通?？蛇_100,000小時，比白熾燈泡長約100倍。led基本上是單色發(fā)射器，并且需要高亮度單色燈的應(yīng)用在當前一代改進的器件中經(jīng)歷了多的應(yīng)用。對于汽車尾燈，轉(zhuǎn)向燈和側(cè)標志燈，led的使用正在增加。作為*汽車應(yīng)用之一，汽車和卡車上的高位制動燈是整合led的一個特別吸引人的地方。長led壽命允許制造商更自由地將制動燈集成到車輛設(shè)計中，而無需提供頻繁（和容易）更換，如使用白熾燈泡時所需。
現(xiàn)在，美國約有10％的紅色交通信號燈被led燈取代。led的較高初始成本可以在短短一年內(nèi)恢復(fù)，因為它們在產(chǎn)生紅光方面具有更高的效率，這是在不需要過濾的情況下完成的。紅色交通燈中的led消耗大約10至25瓦特，而相似亮度的紅色濾光白熾燈消耗大約50至150瓦特。led的壽命在減少昂貴的信號維護方面是一個明顯的優(yōu)勢。單色led也被用作機場的跑道燈和無線電和電視傳輸塔的警示燈。
隨著制造效率和生產(chǎn)幾乎任何輸出顏色的發(fā)光二極管的能力的提高，研究人員和工業(yè)的主要焦點已成為白光二極管。正在采用兩種主要機制從基本上是單色的裝置產(chǎn)生白光，并且這兩種技術(shù)很可能繼續(xù)用于不同的應(yīng)用。一種方法涉及混合來自多個led的不同顏色的光，或來自單個led中的不同材料的光，其比例導(dǎo)致呈現(xiàn)白色的光。第二種技術(shù)依賴于使用led發(fā)射（通常是不可見的紫外線）來提供激發(fā)另一種物質(zhì)（例如磷光體）的能量，該另一種物質(zhì)又產(chǎn)生白光。
半導(dǎo)體二極管的基礎(chǔ)知識在隨后的討論中提出了發(fā)光二極管功能的基本過程的細節(jié)，以及在其構(gòu)造中使用的材料。然而，可以通過簡單的概念描述來概括led產(chǎn)生光的基本機制。熟悉的燈泡依靠溫度通過稱為白熾的過程發(fā)出可見光（以及以熱量形式顯著更不可見的輻射）。相反，發(fā)光二極管采用電致發(fā)光的形式，其由半導(dǎo)體材料的電子激發(fā)產(chǎn)生?；镜膌ed由的結(jié)在兩種不同的半導(dǎo)體材料之間（如圖2所示），其中施加的電壓產(chǎn)生電流，當在結(jié)上注入的電荷載流子重新結(jié)合時伴隨著光的發(fā)射。
led的基本元件是半導(dǎo)體芯片（類似于集成電路），其安裝在由連接到兩根電線的引線框支撐的反射杯中，然后嵌入固體環(huán)氧樹脂透鏡中（見圖1）。包括芯片中的結(jié)的兩個半導(dǎo)體區(qū)域之一由負電荷（n型區(qū)域;圖2））支配，而另一個由正電荷（p型區(qū)域）支配。當向電引線施加足夠的電壓時，電流流動并且電子從n區(qū)域移動到p區(qū)域帶負電的電子與正電荷結(jié)合的區(qū)域。每種電荷組合與能量水平降低相關(guān)聯(lián)，能量水平降低可以以光子的形式釋放一定量的電磁能量。發(fā)射光子的頻率和感知顏色是半導(dǎo)體材料的特征，因此，通過改變芯片的半導(dǎo)體組成可以實現(xiàn)不同的顏色。
發(fā)光二極管的功能細節(jié)基于半導(dǎo)體材料（例如硅）的共同特性，其具有可變的傳導(dǎo)特性。為了使固體導(dǎo)電，其電阻必須足夠低，以使電子在整個材料中或多或少地自由移動。半導(dǎo)體表現(xiàn)出介于導(dǎo)體和絕緣體之間的電阻值，并且它們的行為可以根據(jù)固體的能帶理論建模。在結(jié)晶固體中，組成原子的電子占據(jù)大量的能級，這些能級在能量或量子數(shù)方面可能差別很小。廣泛的能量水平傾向于組合成幾乎連續(xù)的能帶，
隨著能量水平逐漸升高，從核向外進行，可以定義兩個不同的能帶，稱為價帶和導(dǎo)帶（圖3）。價帶由比內(nèi)電子更高能級的電子組成，并且它們具有一些成對相互作用的自由度，以在固體原子之間形成一種局部鍵。在更高的能級下，導(dǎo)帶的電子表現(xiàn)得與單個原子中的電子或在基態(tài)以上激發(fā)的分子中的電子相似，在固體內(nèi)移動的自由度很高。價帶和導(dǎo)帶之間的能量差異被定義為特定材料的帶隙。
在導(dǎo)體中，價帶和導(dǎo)帶在能量上部分重疊（見圖3），因此一部分價電子總是位于導(dǎo)帶中。對于這些材料，帶隙基本上為零，并且部分價電子自由地移動到導(dǎo)帶中，在價帶中出現(xiàn)空位或空穴。電子以很少的能量輸入移動到相鄰原子帶中的空穴中，并且空穴在相反方向上自由移動。與這些材料相比，絕緣體具有*占據(jù)的價帶和更大的帶隙，并且電子可以從原子移動到原子的機制是使價電子移位到導(dǎo)帶中，需要大的能量消耗。
半導(dǎo)體具有小但有限的帶隙，并且在常溫下，熱攪動足以將一些電子移動到導(dǎo)帶中，在那里它們可以促進導(dǎo)電?？梢酝ㄟ^提高溫度來降低電阻，但是許多半導(dǎo)體器件以這樣的方式設(shè)計：電壓的施加在價帶和導(dǎo)帶之間產(chǎn)生所需的電子分布變化以使電流流動。盡管所有半導(dǎo)體的帶排列相似，但在特定溫度條件下帶隙（以及帶間電子分布）存在很大差異。
元素硅是的本征半導(dǎo)體，并且通常用作描述這些材料的行為的模型。在其純凈形式中，硅不具有足夠的電荷載流子或適當?shù)膸督Y(jié)構(gòu)，可用于發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，但廣泛用于制造其他半導(dǎo)體器件。硅（和其他半導(dǎo)體）的傳導(dǎo)特性可以通過向晶體中引入少量雜質(zhì)來改善，其用于在結(jié)構(gòu)中提供額外的電子或空位（空穴）。通過這種被稱為摻雜的過程，集成電路的生產(chǎn)者已經(jīng)開發(fā)出相當大的能力來定制半導(dǎo)體的特性以適應(yīng)特定的應(yīng)用。
通過考慮相對簡單的硅晶體結(jié)構(gòu)，容易理解摻雜以改變半導(dǎo)體的電子特性的過程。硅是元素周期表中的第iv族成員，具有四個電子，可以參與與固體中的相鄰原子的鍵合。在純形式中，每個硅原子與四個鄰居共享電子，沒有超過晶體結(jié)構(gòu)所需的電子的缺陷或過量。如果少量的第iii組將元素（在其外層能級具有三個電子的元素）添加到硅結(jié)構(gòu)中，存在不足數(shù)量的電子以滿足鍵合要求。電子缺陷在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生空位或空穴，并且所得到的正電特性將材料分類為p型。硼是通常用于摻雜純硅以實現(xiàn)p型特性的元素之一。
摻雜以產(chǎn)生具有負的總電荷特性（n型）的相反類型的材料是通過添加諸如磷的v族元素來實現(xiàn)的，其在其外層能級中具有“額外”電子。得到的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在共價硅鍵合所需的數(shù)量上具有過量的可用電子，這賦予了作為電子供體（n型材料的特征）的能力。
盡管硅和鍺通常用于半導(dǎo)體制造，但是這兩種材料都不適用于發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，因為采用這些元件的結(jié)產(chǎn)生大量的熱量，但僅產(chǎn)生少量的紅外或可見光發(fā)射。光子發(fā)射二極管pn結(jié)通?；趇ii族和v族元素的混合物，例如砷化鎵，磷化鎵砷和磷化鎵。仔細控制這些化合物的相對比例，以及摻入鋁和銦的其他化合物，以及添加諸如碲和鎂的摻雜劑，使制造商和研究人員能夠生產(chǎn)發(fā)出紅色，橙色，黃色或綠色光的二極管。近，使用碳化硅和氮化鎵已經(jīng)允許引入藍色發(fā)光二極管，并且以各種組合組合幾種顏色提供了產(chǎn)生白光的機制。包括器件結(jié)的p型和n型側(cè)面的材料的性質(zhì)，以及由此產(chǎn)生的能帶結(jié)構(gòu)，確定在結(jié)區(qū)域中的電荷重組期間可用的能級，并因此確定作為光子釋放的能量子的大小。結(jié)果，由特定二極管發(fā)射的光的顏色取決于pn結(jié)的結(jié)構(gòu)和組成。
操縱固態(tài)電子器件特性的基本關(guān)鍵是pn結(jié)的性質(zhì)。當不同的摻雜材料彼此接觸時，結(jié)的區(qū)域中的電流流動不同于單獨的兩種材料中的任一種。電流將很容易在一個方向上流過結(jié)，而不是在另一個方向上，構(gòu)成基本二極管配置。可以根據(jù)兩種材料類型中的電子和空穴的移動以及跨越結(jié)的這種行為來理解這種行為。n型材料中的額外自由電子傾向于從帶負電的區(qū)域移動到帶正電的區(qū)域，或朝向p型材料。在具有空位電子位置（空穴）的p型區(qū)域中，晶格電子可以從一個孔跳到另一個孔，并將傾向于遠離帶負電的區(qū)域。這種遷移的結(jié)果是孔看起來沿相反方向移動，或者遠離帶正電的區(qū)域并朝向帶負電的區(qū)域移動（圖4）。來自n型區(qū)域的電子和來自p型區(qū)域的空穴在結(jié)的附近復(fù)合，形成a耗盡區(qū)（或?qū)樱?，其中不存在電荷載流子。在耗盡區(qū)中，建立靜電荷，其抑制任何額外的電子轉(zhuǎn)移，并且除非由外部偏置電壓輔助，否則沒有明顯的電荷可以流過結(jié)。
在二極管配置中，器件相對端上的電極使得能夠以能夠克服耗盡區(qū)的影響的方式施加電壓。將二極管的n型區(qū)域連接到電路的負側(cè)，將p型區(qū)域連接到正側(cè)，將使電子從n型材料向p型移動，并使空穴移入相反的方向。通過施加足夠高的電壓，耗盡區(qū)中的電子能量升高以與空穴解離，并開始自由移動。用這種電路極性操作，稱為正向偏置在pn結(jié)中，耗盡區(qū)消失，電荷可以在二極管上移動?？讖膒型材料驅(qū)動到結(jié)，并且電子從n型材料被驅(qū)動到結(jié)。結(jié)處的空穴和電子的組合允許在二極管上保持連續(xù)電流。
如果電路極性相對于p型和n型區(qū)域反轉(zhuǎn)，則電子和空穴將被拉向相反的方向，伴隨著結(jié)的耗盡區(qū)域的擴大。在反向偏置的 pn結(jié)中不會發(fā)生連續(xù)的電流流動，盡管初瞬態(tài)電流將隨著電子和空穴被拉離結(jié)而流動。一旦增長的耗盡區(qū)產(chǎn)生等于施加電壓的電位，電流將停止。
發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)在pn結(jié)處操縱電子和空穴之間的相互作用是所有半導(dǎo)體器件設(shè)計的基礎(chǔ)，并且對于發(fā)光二極管，主要的設(shè)計目標是有效地產(chǎn)生光?？缭絧n結(jié)注入載流子伴隨著從導(dǎo)帶到較低軌道的電子能級下降。該過程在任何二極管中進行，但僅在具有特定材料成分的光子中產(chǎn)生可見光光子。在標準硅二極管中，能級差相對較小，并且僅發(fā)生低頻發(fā)射，主要發(fā)生在光譜的紅外區(qū)域。紅外二極管在許多設(shè)備中都很有用，包括遙控器，但是可見光發(fā)光二極管的設(shè)計需要使用在價帶的導(dǎo)帶和軌道之間表現(xiàn)出更寬間隙的材料來制造。所有半導(dǎo)體二極管都釋放某種形式的光，但大部分能量被吸收到二極管材料本身，除非該器件專門設(shè)計用于從外部釋放光子。另外，為了用作光源，二極管必須將光發(fā)射集中在特定方向上。半導(dǎo)體芯片的組成和結(jié)構(gòu)以及l(fā)ed外殼的設(shè)計都有助于從器件發(fā)射能量的性質(zhì)和效率。但是大部分能量都被吸收到二極管材料中，除非該器件專門設(shè)計用于從外部釋放光子。另外，為了用作光源，二極管必須將光發(fā)射集中在特定方向上。半導(dǎo)體芯片的組成和結(jié)構(gòu)以及l(fā)ed外殼的設(shè)計都有助于從器件發(fā)射能量的性質(zhì)和效率。但是大部分能量都被吸收到二極管材料中，除非該器件專門設(shè)計用于從外部釋放光子。另外，為了用作光源，二極管必須將光發(fā)射集中在特定方向上。半導(dǎo)體芯片的組成和結(jié)構(gòu)以及l(fā)ed外殼的設(shè)計都有助于從器件發(fā)射能量的性質(zhì)和效率。
發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體材料（通常稱為管芯），其上放置管芯的引線框架，以及圍繞組件的封裝環(huán)氧樹脂（參見圖1）。led半導(dǎo)體芯片被支撐在反射器杯中，該反射器杯被壓印到一個電極（陰極）的端部中，并且在典型配置中，芯片的頂面通過金鍵合線連接到第二電極（陽極）。）。幾種結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計需要兩根鍵合線，每根電極一根。除了不同led的輻射波長的明顯變化之外，還存在形狀，尺寸和輻射圖案的變化。典型的led半導(dǎo)體芯片尺寸約為0.25平方毫米，環(huán)氧樹脂體的直徑范圍為2至約10毫米。見的是，led的主體是圓形的，但它們可以是矩形，正方形或三角形。
盡管從半導(dǎo)體管芯發(fā)射的光的顏色由芯片材料的組合以及它們的組裝方式確定，但是led的某些光學(xué)特性可以通過芯片封裝中的其他變量來控制。光束角度可以是窄的或?qū)挼模ㄒ妶D5），并且由反射杯的形狀，led芯片的尺寸，芯片到環(huán)氧樹脂外殼或透鏡頂部的距離以及幾何形狀決定。環(huán)氧樹脂鏡片。環(huán)氧樹脂鏡片的色調(diào)并不決定led的發(fā)光顏色，但通常用作燈泡不活動時方便指示燈的顏色。用于需要高強度且在關(guān)閉狀態(tài)下無顏色的應(yīng)用的led具有透明透鏡，沒有色調(diào)或擴散。這種類型產(chǎn)生大的光輸出，并且可以設(shè)計成具有窄的光束或視角。非漫射透鏡通常呈現(xiàn)正或負10至12度的視角（圖5）。它們的強度允許它們用于背光應(yīng)用，例如電子設(shè)備上的顯示面板的照明。
為了產(chǎn)生漫射led透鏡，將微小玻璃顆粒嵌入封裝環(huán)氧樹脂中。通過包含玻璃產(chǎn)生的擴散擴散了二極管發(fā)出的光，在中心軸的兩側(cè)產(chǎn)生大約35度的視角。這種透鏡類型通常用于直接觀察led的應(yīng)用中，例如用于設(shè)備面板上的指示燈。
led構(gòu)造中的材料系統(tǒng)和制造技術(shù)的選擇由兩個主要目標指導(dǎo) - 芯片材料中光產(chǎn)生的大化以及所產(chǎn)生的光的有效提取。在正向偏置的pn結(jié)中，空穴從p區(qū)域注入到n區(qū)域的結(jié)中，并且電子從n區(qū)域注入p區(qū)域。通過該注入過程改變材料中的平衡電荷載流子分布，這被稱為少數(shù)載流子注入。用多數(shù)載流子重組少數(shù)載流子以重建熱平衡，并且持續(xù)的電流保持少數(shù)載流子注入。當重組率等于注入速率時，建立穩(wěn)態(tài)載流子分布。少數(shù)載流子復(fù)合可以以輻射方式發(fā)生，伴隨著光子的發(fā)射，但為此必須建立適當?shù)臈l件以保持能量和動量。滿足這些條件不是瞬時過程，并且在注入的少數(shù)載流子的輻射復(fù)合可以發(fā)生之前產(chǎn)生時間延遲。這種延遲，即少數(shù)載流子壽命，是led材料設(shè)計中必須考慮的主要變量之一。
雖然輻射復(fù)合工藝在led設(shè)計中是理想的，但它不是半導(dǎo)體中可能的復(fù)合機制。如果沒有一些雜質(zhì)，結(jié)構(gòu)位錯和其他晶體缺陷，則不能生產(chǎn)半導(dǎo)體材料，并且這些都可以捕獲注入的少數(shù)載流子。這種類型的重組可以產(chǎn)生或不產(chǎn)生光子。通過載體擴散到合適的位置減慢了不產(chǎn)生輻射的重組，并且其特征在于非輻射過程壽命，其可以與輻射過程壽命相比較。
考慮到剛才描述的因素，led設(shè)計中的一個明顯目標是大化電荷載流子相對于非輻射的輻射復(fù)合。這兩個過程的相對效率決定了與注入總數(shù)相比輻射組合的注入電荷載流子的比例，這可以表示為材料系統(tǒng)的內(nèi)部量子效率。用于led制造的材料的選擇依賴于對半導(dǎo)體帶結(jié)構(gòu)的理解以及可以選擇或操縱能級以產(chǎn)生有利的量子效率值的手段。有趣的是，某些iii-v族化合物的內(nèi)部量子效率接近100％，而半導(dǎo)體中使用的其他化合物的內(nèi)部量子效率可低至1％。
特定半導(dǎo)體的輻射壽命很大程度上決定了輻射復(fù)合是否在非輻射之前發(fā)生。大多數(shù)半導(dǎo)體具有相似的簡單價帶結(jié)構(gòu)，能量峰位于特定的晶體結(jié)構(gòu)方向附近，但導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)的變化更大。能帶谷存在于導(dǎo)帶中，并且占據(jù)低能量谷的電子被定位成更容易參與價帶中的少數(shù)載流子的再結(jié)合。半導(dǎo)體可分為直接或間接取決于導(dǎo)帶能量谷的相對位置和價帶在能量/動量空間中的能量頂點。直接半導(dǎo)體具有在相同動量坐標處直接相鄰的空穴和電子，因此電子和空穴可以相對容易地重新組合，同時保持動量守恒。在間接半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶能量谷和允許動量守恒的空穴之間的匹配是不利的，大多數(shù)轉(zhuǎn)變是被禁止的，并且所產(chǎn)生的輻射壽命很長。
硅和鍺是間接半導(dǎo)體的例子，其中注入載流子的輻射復(fù)合極不可能。這種材料中的輻射壽命發(fā)生在幾秒的范圍內(nèi)，并且?guī)缀跛凶⑷氲妮d流子都通過晶體中的缺陷非輻射地結(jié)合。直接半導(dǎo)體，例如氮化鎵或砷化鎵，具有短的輻射壽命（約1至100納秒），并且可以以足夠低的缺陷密度生產(chǎn)材料，使得輻射過程與非輻射過程一樣可能。對于在間接間隙材料中發(fā)生的重組事件，電子必須在與空穴結(jié)合之前改變其動量，導(dǎo)致出現(xiàn)帶 - 帶轉(zhuǎn)變的重組概率顯著降低。由兩種類型的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的led所呈現(xiàn)的量子效率清楚地反映了這一事實。與典型的碳化硅led的0.02％相比，氮化鎵led的量子效率高達12％。圖6給出了直接帶隙gan和間接帶隙sic的能帶圖，說明了兩種材料的帶間能量躍遷的性質(zhì)。
在pn結(jié)上注入的載流子的輻射復(fù)合中發(fā)射的光的波長（和顏色）由價帶和導(dǎo)帶的復(fù)合電子 - 空穴對之間的能量差確定。由于電子和空穴在這些水平上平衡的趨勢，載流子的近似能量對應(yīng)于價帶的上能級和導(dǎo)帶的低能量。因此，發(fā)射光子的波長（λ）近似為以下表達式：
λ= hc / ebg
其中h代表普朗克常數(shù)，c代表光速，e（bg）是帶隙能量。為了改變發(fā)射輻射的波長，必須改變用于制造led的半導(dǎo)體材料的帶隙。砷化鎵是常見的二極管材料，并且可以用作示例，其說明可以改變半導(dǎo)體的帶結(jié)構(gòu)以改變器件的發(fā)射波長的方式。砷化鎵的帶隙約為1.4電子伏特，并以900納米的波長發(fā)射紅外線。為了增加發(fā)射到可見紅色區(qū)域（約650納米）的頻率，帶隙必須增加到大約1.9電子伏特。這可以通過將砷化鎵與具有較大帶隙的相容材料混合來實現(xiàn)。磷化鎵，帶隙為2.3電子伏特，是這種混合物可能的候選者。用該化合物生產(chǎn)的led通過調(diào)節(jié)砷對磷的含量，可以定制gaasp（砷化鎵磷化物）以產(chǎn)生1.4至2.3電子伏特之間的任何值的帶隙。
如前所述，二極管半導(dǎo)體材料中光產(chǎn)生的大化是led制造中的主要設(shè)計目標。另一個要求是從芯片中有效地提取光。由于全內(nèi)反射，在半導(dǎo)體芯片內(nèi)各向同性地產(chǎn)生的光的一部分可以逃逸到外部。根據(jù)斯涅爾定律，只有當光以小于臨界角的角度與兩種介質(zhì)之間的界面相交時，光才能從折射率較高的介質(zhì)傳播到折射率較低的介質(zhì)中對于這兩個媒體。在具有立方體形狀的典型發(fā)光半導(dǎo)體中，僅約1％至2％的所產(chǎn)生的光通過led的頂表面逸出（取決于特定的芯片和pn結(jié)幾何形狀），其余部分在半導(dǎo)體材料內(nèi)被吸收。
圖7示出了光從折射率為n（s）的分層半導(dǎo)體芯片逃逸到較低折射率（n（e））的環(huán)氧樹脂中。逃逸錐所對應(yīng)的角度由兩種材料的臨界角θ（c）定義。以小于θ（c）的角度從led出射的光線以小的反射損耗（虛線光線）逃逸到環(huán)氧樹脂中，而以大于θ（c）的角度傳播的那些光線在邊界處經(jīng)歷全內(nèi)反射，并且不要直接逃避芯片。由于環(huán)氧樹脂圓頂?shù)那剩x開半導(dǎo)體材料的大多數(shù)光線以幾乎直角與環(huán)氧樹脂/空氣界面相遇，并且從殼體中出來而幾乎沒有反射損失。
從led芯片發(fā)射到周圍環(huán)境中的光的比例取決于可以通過其發(fā)射光的表面的數(shù)量，以及在每個表面處如何有效地發(fā)生這種光。幾乎所有l(wèi)ed結(jié)構(gòu)都依賴于某種形式的分層布置，其中利用外延生長工藝將多個晶格匹配材料彼此堆疊以定制芯片的特性。采用各種各樣的結(jié)構(gòu)，每種材料系統(tǒng)需要不同的層結(jié)構(gòu)以優(yōu)化性能特性。
大多數(shù)led結(jié)構(gòu)布置依賴于二次生長步驟以在單晶體生長襯底材料的頂部沉積單晶層。這種多層化方法使設(shè)計者能夠滿足看似矛盾或不一致的要求。所有結(jié)構(gòu)類型的共同特征是發(fā)生光發(fā)射的pn結(jié)幾乎從不位于體生長襯底晶體中。其中一個原因是體生長材料通常具有高缺陷密度，這降低了光產(chǎn)生效率。此外，見的體生長材料，包括砷化鎵，磷化鎵和磷化銦，對于所需的發(fā)射波長沒有合適的帶隙。
外延晶體生長技術(shù)涉及將一種材料沉積在另一種材料上，其在原子晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)上緊密匹配，以減少層狀材料中的缺陷。許多技術(shù)用于制造外延層。這些包括液相外延（lpe），氣相外延（vpe），金屬有機外延化學(xué)氣相沉積（mocvd）和分子束外延（mbe）。每種生長技術(shù)在特定材料系統(tǒng)或生產(chǎn)環(huán)境中具有優(yōu)勢，并且這些因素在文獻中被廣泛討論。
這里沒有介紹led制造中采用的各種外延結(jié)構(gòu)的細節(jié)，但是在許多出版物中進行了討論。然而，通常，這種結(jié)構(gòu)的見類別是生長和擴散的同質(zhì)結(jié)，以及單限制或雙限制異質(zhì)結(jié)。應(yīng)用各種層布置背后的策略很多。這些包括p和n的結(jié)構(gòu)區(qū)域和反射層，以提高系統(tǒng)的內(nèi)部量子效率，漸變組合緩沖層，以克服層之間的晶格失配，局部改變能帶隙以實現(xiàn)載流子限制，以及載流子注入的橫向約束，以控制發(fā)光區(qū)域或準直排放。
即使它通常不包含pn結(jié)區(qū)域，led基板材料也成為該功能的組成部分，并且被選擇為適合于所需外延層的沉積，以及其透光性和其他性質(zhì)。如前所述，從led芯片實際發(fā)射的所產(chǎn)生的光的分數(shù)是有效透射光的表面的數(shù)量的函數(shù)。大多數(shù)led芯片被歸類為吸收襯底（as）器件，其中襯底材料具有窄帶隙并且吸收具有大于帶隙的能量的所有發(fā)射。因此，朝向側(cè)面或向下行進的光被吸收，并且這種芯片只能通過它們的頂面發(fā)光。
的透明基板（ts芯片被設(shè)計成通過結(jié)合對發(fā)射光的波長透明的基板來增加光提取。在一些系統(tǒng)中，上外延層中的透明度將允許在一定角度內(nèi)朝向側(cè)表面?zhèn)鬏數(shù)墓庖脖惶崛?。還利用具有介于as和ts器件之間的襯底特性的混合設(shè)計，并且通過采用從led芯片到空氣的折射率的分級變化可以實現(xiàn)提取效率的顯著提高。在led結(jié)構(gòu)中仍然存在許多其他吸收機制，其減少發(fā)射并且難以克服，例如芯片上的前接觸和后接觸，以及晶體缺陷。然而，芯片是透明的，而不是吸收，
開發(fā)多種led顏色
20世紀60年代開發(fā)的個商用發(fā)光二極管利用鎵，砷和磷的主要成分產(chǎn)生紅光（655納米波長）。另外一種紅色發(fā)光材料磷化鎵后來被用來制造發(fā)射700納米光的二極管。盡管效率很高，但由于人眼在該光譜區(qū)域的相對不敏感性導(dǎo)致的低表觀亮度，后一版本的應(yīng)用受到限制。在整個20世紀70年代，技術(shù)發(fā)展使得能夠引入額外的二極管顏色，并且生產(chǎn)改進提高了設(shè)備的質(zhì)量控制和可靠性。
元素比例，摻雜和襯底材料的變化導(dǎo)致產(chǎn)生橙色和黃色發(fā)射的砷化鎵 - 磷（gaasp）二極管的發(fā)展，以及更高效的紅色發(fā)射體。還開發(fā)了基于gap芯片的綠色二極管。引入和改進鎵 - 鋁 - 砷化物（gaalas在20世紀80年代，導(dǎo)致發(fā)光二極管應(yīng)用數(shù)量的快速增長，這主要是由于與先前器件相比亮度有一個數(shù)量級的改善。通過在芯片制造中使用多層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了性能的提高，盡管這些gaalas二極管僅限于紅色（660納米）發(fā)射，但它們開始用于戶外標志，條形碼掃描儀，醫(yī)療設(shè)備，以及光纖數(shù)據(jù)傳輸。
發(fā)光二極管顏色變化 顏色名稱 波長 （納米） 半導(dǎo)體 組成
紅外線 880 砷化鎵鋁/砷化鎵
超紅 660 砷化鎵鋁/砷化鎵鋁
超級紅 633 algainp
超級橙 612 algainp
橙子 605 gaasp / gap
黃色 585 gaasp / gap
白熾燈 白 4500k（ct） ingan /碳化硅
淡白色 6500k（ct） ingan /碳化硅
酷白 8000k（ct） ingan /碳化硅
純綠色 555 gap / gap
超級藍色 470 gan /碳化硅
紫羅蘭色 430 gan /碳化硅
紫外線 395 ingan /碳化硅
表格1
20世紀80年代末期，led設(shè)計人員借鑒了快速發(fā)展的激光二極管行業(yè)的技術(shù)，開發(fā)出了一項重大發(fā)展，從而生產(chǎn)出基于銦 - 鎵 - 鋁 - 磷化物（algainp）的高亮度可見光二極管）系統(tǒng)。該材料允許通過調(diào)節(jié)帶隙來改變發(fā)光顏色。因此，可以采用相同的生產(chǎn)技術(shù)來生產(chǎn)紅色，橙色，黃色和綠色led。表1列出了許多常見的led芯片材料（外延層，在某些情況下，基板）及其發(fā)射波長（或白光leds的相應(yīng)色溫）。
近，已經(jīng)基于氮化鎵和碳化硅材料開發(fā)了藍色led。在這種可見光譜的較短波長，更高能量區(qū)域中產(chǎn)生光，長期以來一直難以被led設(shè)計者所接受。高光子能量通常會增加半導(dǎo)體器件的故障率，并且人眼對藍光的低靈敏度增加了對有用藍色二極管的亮度要求。藍色發(fā)光二極管重要的一個方面是它完成紅色，綠色和藍色（rgb）原色系列，通過混合這些組分顏色提供產(chǎn)生固態(tài)白光的附加機制。
自個發(fā)光二極管發(fā)展以來，固態(tài)研究人員一直在尋求開發(fā)一種亮藍光源。盡管利用碳化硅的led可以產(chǎn)生藍光，但是它們具有極低的發(fā)光效率，并且不能產(chǎn)生實際應(yīng)用所需的亮度。iii族氮化物基半導(dǎo)體的發(fā)展導(dǎo)致了二極管技術(shù)的革命。特別是，鎵 - 氮化銦（gainn）系統(tǒng)已成為生產(chǎn)藍色led的主要候選者，也是發(fā)展中的白光led市場的主要材料。gainn材料系統(tǒng)在20世紀90年代發(fā)展，在gan中實現(xiàn)p摻雜，隨后利用gainn / gan雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)用于led制造，然后通過商業(yè)上可獲得的高亮度藍色和綠色gainn led 90年代后期。
白光led鎵 - 氮化銦半導(dǎo)體材料系統(tǒng)的作用延伸到白光二極管的發(fā)展。向早期開發(fā)的紅色和綠色設(shè)備添加亮藍色發(fā)光led使得可以使用三個led，調(diào)整到適當?shù)妮敵鲭娖?，以產(chǎn)生可見光譜中的任何顏色，包括白色。利用單個器件產(chǎn)生白光的其他可能方法基于磷光體或染料波長轉(zhuǎn)換器或半導(dǎo)體波長轉(zhuǎn)換器。由于固態(tài)器件的可靠性，白色led的概念對于普通照明特別有吸引力，并且與傳統(tǒng)的白熾燈和熒光源相比，具有提供非常高的發(fā)光效率的潛力。
傳統(tǒng)光源的平均輸出功率為每瓦15至100流明，而白光led的效率預(yù)計將通過持續(xù)開發(fā)達到每瓦300流明以上。圖8示出了許多l(xiāng)ed類型和傳統(tǒng)光源的發(fā)光效率值，并且包括可見波長范圍的cie（commission internationale de l'eclairage）發(fā)光度曲線。該曲線表示人眼對100％效率的發(fā)射器的響應(yīng)。一些當前的led材料系統(tǒng)表現(xiàn)出比大多數(shù)傳統(tǒng)光源更高的發(fā)光性能，并且很快發(fā)光二極管將成為可用的效的發(fā)射器。
白光led當然適用于顯示和標牌應(yīng)用，但為了對普通照明（如所希望的）有用，并且對于要求精確和美觀的色彩渲染（包括光學(xué)顯微鏡照明）的應(yīng)用，“白色”的方式實現(xiàn)光是必須認真考慮的。如果位于視網(wǎng)膜中的三種類型的光敏錐細胞以特定比率被刺激，則人眼將光感知為白色。三種錐形類型表現(xiàn)出響應(yīng)曲線，其在表示紅色，綠色和藍色的波長處的靈敏度達到峰值，并且響應(yīng)信號的組合在腦中產(chǎn)生各種顏色感覺。各種不同的顏色混合物能夠產(chǎn)生類似的感知顏色，特別是在白色的情況下，
色度圖是表示從混合顏色獲得的結(jié)果的圖形手段。單色出現(xiàn)在圖的外圍，代表白色的一系列混合物位于圖的中心區(qū)域（見圖9）。被感知為白色的光可以通過不同的機制產(chǎn)生。一種方法是以適當?shù)墓β时冉M合兩種互補色的光。在視網(wǎng)膜中產(chǎn)生三刺激反應(yīng)的比率（導(dǎo)致白色的感知）因不同的顏色組合而變化。表2列出了一系列互補波長，以及每對產(chǎn)生為d（65）的標準光源的色度坐標的功率比。 照明委員會（cie，commission internationale de l'eclairage）。
產(chǎn)生白光的另一種方法是通過組合三種顏色的發(fā)射，當它們以適當?shù)墓β时冉M合時將產(chǎn)生白光的感知。白光也可以通過從可見光譜的大區(qū)域發(fā)射的物質(zhì)的寬帶發(fā)射產(chǎn)生。這種類型的發(fā)射近似于陽光，并被認為是白色。另外，寬帶發(fā)射可以與離散譜線處的發(fā)射組合以產(chǎn)生感知白色，其可以具有與由其他技術(shù)產(chǎn)生的白光不同的特定期望顏色特性。
將紅色，綠色和藍色二極管芯片組合成一個分立封裝，或者在容納一組二極管的燈組件中，通過利用獨立驅(qū)動三個二極管的電路，可以產(chǎn)生白光或256種顏色中的任何一種。在需要來自單點光源的全光譜顏色的應(yīng)用中，這種rgb二極管格式是技術(shù)。
大多數(shù)白光二極管采用以短波長（藍色，紫色或紫外線）發(fā)射的半導(dǎo)體芯片和波長轉(zhuǎn)換器，其吸收來自二極管的光并經(jīng)歷較長波長的二次發(fā)射。因此，這種二極管發(fā)射兩種或更多種波長的光，當組合時，它們看起來是白色的。組合發(fā)射的質(zhì)量和光譜特性隨著可能的不同設(shè)計變化而變化。見的波長轉(zhuǎn)換器材料被稱為磷光體（phosphors，當它們從另一個輻射源吸收能量時表現(xiàn)出發(fā)光。通常使用的磷光體由含有光學(xué)活性摻雜劑的無機主體物質(zhì)組成。釔鋁石榴石（yag）是一種常見的主體材料，對于二極管應(yīng)用，它通常摻雜有一種稀土元素或稀土化合物。鈰是yag熒光粉中常見的摻雜元素，設(shè)計用于白光發(fā)光二極管。
互補色波長 互補波長
功率比
λ1 (nm)
λ2 (nm)
p(λ2) / p(λ1)
390
560.9
0.00955
410
561.3
0.356
430
562.2
1.42
450
564.0
1.79
470
570.4
1.09
480
584.6
0.562
484
602.1
0.440
486
629.6
0.668
表2
個商用白色led（由nichia corporation制造和銷售）基于藍光發(fā)射的鎵 - 氮化銦（gainn））由黃色磷光體包圍的半導(dǎo)體器件。圖1示出了該裝置的橫截面結(jié)構(gòu)。磷光體是ce摻雜的yag，以粉末形式生產(chǎn)并懸浮在用于封裝管芯的環(huán)氧樹脂中。磷光體 - 環(huán)氧樹脂混合物填充支撐引線框架上的管芯的反射杯，并且來自芯片的藍色發(fā)射的一部分被磷光體吸收并以較長的磷光波長重新發(fā)射。藍色照射下的黃色光激發(fā)的組合是理想的，因為僅需要一種轉(zhuǎn)換器物質(zhì)。互補的藍色和黃色波長通過添加劑混合組合以產(chǎn)生所需的白光。由此產(chǎn)生的led發(fā)射光譜（圖10）代表了熒光粉發(fā)射的組合，
可以修改兩個發(fā)射帶的相對貢獻以優(yōu)化led的發(fā)光效率和總發(fā)射的顏色特性。這些調(diào)節(jié)可以通過改變模具周圍的含磷光體環(huán)氧樹脂的厚度，或通過改變懸浮在環(huán)氧樹脂中的磷光體的濃度來實現(xiàn)。實際上，來自二極管的藍色白色發(fā)射通過加色混合合成，并且其色度特性由cie色度圖上的中心位置（0.25,0.25）表示（圖9; 藍白色led）。
白光二極管可利用另一種機制產(chǎn)生發(fā)射，利用由紫外輻射光學(xué)激發(fā)的廣譜磷光體。在這種裝置中，采用紫外發(fā)光二極管將能量轉(zhuǎn)移到磷光體，并且由磷光體產(chǎn)生整個可見光發(fā)射。作為熒光燈和陰極射線管制造中使用的材料，可容易地獲得在寬波長范圍內(nèi)發(fā)射并產(chǎn)生白光的熒光體。盡管熒光管從氣體放電過程獲得其紫外發(fā)射，但產(chǎn)生白光輸出的熒光發(fā)射級與紫外泵浦白色二極管中的相同。磷光體具有*的顏色特性，并且這種類型的二極管具有的優(yōu)點是它們可以設(shè)計用于需要關(guān)鍵顏色再現(xiàn)的應(yīng)用。然而，紫外泵浦二極管的顯著缺點是，與采用藍光用于磷光體激發(fā)的白色二極管相比，它們的發(fā)光效率較低。這是由于紫外光向下轉(zhuǎn)換為較長可見波長的相對高的能量損失。
染料是用于白色二極管應(yīng)用的另一種合適類型的波長轉(zhuǎn)換器，并且可以結(jié)合到環(huán)氧樹脂密封劑或透明聚合物中。市售染料通常是有機化合物，通過考慮它們的吸收和發(fā)射光譜來選擇它們用于特定的led設(shè)計。二極管產(chǎn)生的光必須與轉(zhuǎn)換染料的吸收曲線相匹配，而轉(zhuǎn)換染料又以所需的較長波長發(fā)光。染料的量子效率可以接近100％，如在磷光體轉(zhuǎn)換中，但是它們具有比磷光體更差的長期操作穩(wěn)定性的缺點。這是一個嚴重的缺點，因為染料的分子不穩(wěn)定性導(dǎo)致它們在有限數(shù)量的吸收轉(zhuǎn)變后失去光學(xué)活性，
已經(jīng)證明基于半導(dǎo)體波長轉(zhuǎn)換器的白光led在原理上類似于磷光體轉(zhuǎn)換類型，但是其采用響應(yīng)于來自主光源晶片的發(fā)射而發(fā)射不同波長的第二半導(dǎo)體材料。這些器件被稱為光子再循環(huán)半導(dǎo)體（或prs-led）并且，將發(fā)藍光的led管芯結(jié)合到另一個管芯上，該管芯通過發(fā)射互補波長的光來響應(yīng)藍光。然后兩個波長組合產(chǎn)生白色。這種類型器件的一種可能結(jié)構(gòu)利用gainn二極管作為耦合到algainp光激勵有源區(qū)的電流注入有源區(qū)。主光源發(fā)出的藍光部分地被次級有源區(qū)域吸收，并且“再循環(huán)”為較低能量的再發(fā)射光子。圖11中示意性地示出了光子再循環(huán)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)。為了使組合發(fā)射產(chǎn)生白光，兩個光源的強度比必須具有可以針對特定二色分量計算的特定值。
因為白光可以通過幾種不同的機制產(chǎn)生，所以在特定應(yīng)用中利用白光led需要考慮用于產(chǎn)生光的方法的適用性。盡管通過各種技術(shù)發(fā)出的光的感知顏色可以是相似的，但是其對顯色性的影響或者例如光的過濾的結(jié)果可能*不同。通過寬帶發(fā)射產(chǎn)生的白光，通過在二色光源中混合兩種互補色，或者通過在三色光源中混合三種顏色，可以位于色度圖上的不同坐標處，并且相對于為的光源具有不同的色溫。 cie的標準。然而，重要的是要意識到，即使不同的光源具有相同的色度坐標
led效率和顯色指數(shù) led的類型 發(fā)光 效率（lm / w） 色度 坐標（x，y） 一般cri
二色led 336 （0.31,0.32） 10
擴展輸出二色led 306 （0.31,0.32） 26
三基色led 283 （0.31,0.32） 60
基于熒光粉的led 280 （0.31,0.32） 57
表3
前面提到的兩個因素對于評估led產(chǎn)生的白光至關(guān)重要：發(fā)光效率和顯色能力。被稱為顯色指數(shù)的屬性（cri在光度測定中用于比較光源，并且被定義為相對于標準參考照明光源的光源的顯色能力?？梢宰C明，發(fā)光器件的發(fā)光效率和顯色能力之間存在基本的折衷，如表3中的值所示。對于諸如標牌的應(yīng)用，其利用單色光塊，發(fā)光效率是重要的，而顯色指數(shù)是無關(guān)緊要的。對于一般照明，必須優(yōu)化這兩個因素。
從器件發(fā)射的光的光譜性質(zhì)對其顯色能力具有深遠的影響。盡管通過混合兩種單色互補色可以獲得可能的發(fā)光效率，但是這種二色光源具有低的顯色指數(shù)。在實際意義上，合乎邏輯的是，如果用通過僅組合藍光和黃光產(chǎn)生的白光發(fā)射的二極管照射紅色物體，則紅色物體的外觀將不會非常令人愉悅。然而，相同的二極管非常適合于對透明或白色面板進行背光照明。模擬太陽可見光譜的廣譜白光源具有的顯色指數(shù)，但不具有二色發(fā)光體的發(fā)光效率。
基于磷光體的led，或者將藍色發(fā)射波長與更長波長的磷光色結(jié)合，或者僅通過磷光體發(fā)射產(chǎn)生光（如在紫外泵浦的led中），可以被設(shè)計為具有相當高的顯色能力。它們具有在許多方面與熒光燈管類似的顏色特征。gainn led利用半導(dǎo)體的藍光發(fā)射激發(fā)熒光粉，并提供冷白色，淺白色和白熾燈白色版本，其中包含芯片周圍不同數(shù)量的熒光粉。冷白色是亮的，利用少的熒光粉，并產(chǎn)生藍色的光。白熾燈白色版本環(huán)繞著發(fā)光量的藍光芯片，具有暗的輸出和黃（溫暖）的顏色。
長期以來白光led的可用性引起了人們對將這些器件應(yīng)用于一般照明要求的極大興趣。隨著照明設(shè)計師逐漸熟悉新設(shè)備的特性，必須消除一些誤解。其中之一是來自白色led的光可用于照亮任何顏色的鏡頭或濾鏡，并保持顏色的準確度和飽和度。在許多版本的白光led中，白色輸出中不存在紅色成分，或者光譜中存在其他不連續(xù)性。這些led不能用作背光多色顯示面板或彩色鏡片的一般光源，盡管它們在透明或白色面板后面能夠很好地工作。如果在紅色鏡頭后面使用藍色gainn白色led，則透射的光將呈粉紅色。同樣，當使用相同的led照明時，橙色鏡頭或濾鏡會顯示為黃色。雖然led應(yīng)用的潛在好處是巨大的，但是在將這些裝置結(jié)合到照明方案中代替更熟悉的傳統(tǒng)光源時需要考慮它們的*特性。