Điốt phát quang (LED) – Công nghệ mới cho nguồn sáng trong kính hiển vi

Hoạt động của điốt phát quang

Trong số những công nghệ mới để chiếu sáng trong kính hiển vi huỳnh quang là điốt phát quang (LED). Các thiết bị bán dẫn đa năng này sở hữu tất cả các tính năng mong muốn mà đèn sợi đốt (vonfram-halogen) và đèn hồ quang thiếu, đồng thời hiện đủ hiệu quả để cung cấp năng lượng bằng pin điện áp thấp hoặc nguồn điện có thể chuyển đổi tương đối rẻ tiền. Công suất quang đa dạng do đèn LED cung cấp giúp có thể chọn nguồn sáng đi-ốt riêng lẻ để cung cấp dải bước sóng kích thích tối ưu cho huỳnh quang trải dài trong vùng tử ngoại, khả kiến ​​và cận hồng ngoại. Hướng dẫn tương tác này khám phá cách hai chất bán dẫn pha tạp khác nhau có thể tạo ra ánh sáng khi đặt một điện áp vào vùng tiếp giáp giữa các vật liệu.

Các mối nối pn điốt phát quang thường dựa trên hỗn hợp các nguyên tố Nhóm III và Nhóm V, chẳng hạn như gali, asen, phốt pho, indi và nhôm. Việc bổ sung cacbua silic và gali nitrit vào bảng chất bán dẫn này đã mang lại điốt phát quang màu xanh lam, có thể kết hợp với các màu khác hoặc phốt pho thứ cấp để tạo ra đèn LED phát ra ánh sáng trắng. Điểm cơ bản để điều khiển các đặc tính của đèn LED là bản chất điện tử của điểm nối pn giữa hai vật liệu bán dẫn khác nhau. Khi các chất bán dẫn pha tạp khác nhau được hợp nhất, dòng điện chạy vào điểm nối và đặc tính bước sóng của ánh sáng phát ra được xác định bởi đặc tính điện tử của từng vật liệu. Nói chung, dòng điện sẽ dễ dàng chạy theo một hướng qua điểm nối nhưng không chạy theo hướng khác, tạo thành cấu hình diode cơ bản. Điều này được hiểu rõ nhất dưới dạng sự chuyển tiếp của các electron và lỗ trống trong hai vật liệu và qua lớp tiếp giáp. Các electron từ chất bán dẫn loại n chuyển sang chất bán dẫn dương (loại p), chất bán dẫn này có các lỗ trống, cho phép các electron có thể di chuyển. Kết quả của sự di chuyển này là các lỗ trống dường như di chuyển theo hướng ngược lại hoặc ra xa chất bán dẫn tích điện dương về phía chất bán dẫn tích điện âm. Các electron từ vùng loại n và các khoảng trống từ vùng loại p tái hợp trong vùng lân cận của điểm nối để tạo thành vùng không còn hạt mang điện nào. Do đó, một điện tích tĩnh được hình thành trong vùng hao tổn có chức năng ngăn cản dòng điện trừ khi đặt một điện áp bên ngoài vào.

Để cấu hình một diode, các điện cực được đặt ở hai đầu đối diện của thiết bị bán dẫn pn để tạo ra một điện áp có khả năng khắc phục ảnh hưởng của vùng không mang điện. Thông thường, vùng loại n được kết nối với cực âm và vùng loại p được kết nối với cực dương (được gọi là đường nối phân cực thuận) để các electron sẽ di chuyển từ vật liệu loại n về phía loại p và lỗ trống sẽ di chuyển theo hướng ngược lại. Hiệu ứng thực sự là vùng hao tổn biến mất và điện tích di chuyển qua diode với các electron được dẫn đến điểm nối từ vật liệu loại n, trong khi các lỗ trống được dẫn đến điểm nối từ vật liệu loại p. Sự kết hợp của các lỗ trống và các electron chảy vào điểm nối cho phép duy trì dòng điện liên tục qua diode. Mặc dù việc kiểm soát sự tương tác giữa các electron và lỗ trống tại điểm nối pn là yếu tố cơ bản trong thiết kế của tất cả các điốt bán dẫn, mục tiêu chính của đèn LED là tạo ra ánh sáng hiệu quả. Việc tạo ra ánh sáng khả kiến ​​do đưa các hạt mang điện qua điểm nối pn chỉ diễn ra trong các điốt bán dẫn có thành phần vật liệu cụ thể, điều này dẫn đến việc tìm kiếm các tổ hợp mới có dải khoảng cách cần thiết giữa dải dẫn và dải hóa trị. Hơn nữa, nghiên cứu đang được tiến hành để thiết kế các cấu trúc LED giúp giảm thiểu sự hấp thụ ánh sáng của vật liệu đi-ốt và mạnh mẽ hơn trong việc tập trung phát xạ ánh sáng theo một hướng cụ thể.

Hình 1 trình bày chi tiết thiết kế của hai đèn LED. Đèn LED bán cầu 5 mm có khung chì thông thường được mô tả trong Hình 1(a) thường được sử dụng làm đèn chỉ báo cho các thiết bị điện tử. Nhựa epoxy được sử dụng cho hệ thống đóng gói trong các đèn LED này, chúng cũng có dạng hình học thấu kính hình trụ và hình chữ nhật. Khuôn được cố định trong một thiết bị phản xạ hình nón được hàn vào cực âm và cực dương được nối với khuôn bằng dây liên kết. Ánh sáng phát ra từ các cạnh của đèn LED được nó phản chiếu vào epoxy. Vật đúc phẳng vào đế của epoxy đóng vai trò là dấu hiệu cho thấy độ phân cực của chì. Thông thường, các đèn LED chỉ báo này có khuôn có kích thước 0,25 đến 0,3 mm ở cạnh, trong khi đường kính ống kính dao động từ 2 đến 10 mm. Mặt cắt ngang của GaInN flip chip công suất cao được minh họa trong Hình 1(b) được chế tạo trên một sên tản nhiệt bằng nhôm hoặc đồng có thể được hàn vào bo mạch in để loại bỏ nhiệt hiệu quả hơn. Lớp silicon bảo vệ khuôn được thiết kế để khắc phục sự phản xạ toàn phần bên trong của các mặt sóng phát ra và hướng chúng qua thấu kính nhựa lớn hơn. Một sợi dây vàng dùng để kết nối cực âm lớn với khuôn, được gắn trên một con chip silicon để bảo vệ chống phóng tĩnh điện. Cực dương có cấu hình tương tự như cực âm, nhưng nhô ra theo hướng ngược lại. Đèn LED có thiết kế này hiện là lựa chọn ưu tiên để chiếu sáng trong kính hiển vi huỳnh quang.

Nguồn: https://zeiss-campus.magnet.fsu.edu/tutorials/leddiagram/indexflash.html