發光二極體


發光二極體 （简体）

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三顆不同顏色的LED

發光二極體（Light Emitting Diode, LED），是一種半導體元件。初時多用作為指示燈、顯示板等；隨著白光發光二極體的出現，也被用作照明。它是21世紀的新型光源，具有效率高、壽命長、不易破損等傳統光源無法與之比較的優點。加正向電壓時，發光二極體能發出單色、不連續的光，這是電致發光效應的一種。改變所採用的半導體材料的化學組成成分，可使發光二極體發出在近紫外線、可見光或紅外線的光。

1955年，美國無線電公司（Radio Corporation of America）的魯賓·布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其他半導體合金的紅外放射作用。1962年，通用電氣公司的尼克·何倫亞克（Nick Holonyak Jr.）開發出第一種實際應用的可見光發光二極體。

目錄

優點

  • 發光效率高
  • 反應時間快
  • 使用壽命長
  • 不易破損
  • 耗電量少
  • 環保無汞
  • 體積小
  • 可應用在低溫環境
  • 光源具方向性
  • 造成光害少
  • 色域豐富[1]

缺點

  • 散熱問題，如果散熱不佳會大幅縮短壽命。
  • 除非購買高級產品、否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管，CCFL）、有些LED的省電性也輸給省電燈泡。
  • 初期成本較高。
  • 因光源屬於方向性，燈具設計需考量光學特性。

發光二極體技術

原理

結合藍色、黃綠（草綠）色，以及高亮度的紅色LED等三者的頻譜特性曲線，三原色在FWHM頻譜中的頻寬約24奈米─27奈米。

發光二極體是一種特殊的二極體。和普通的二極體一樣，發光二極體由半導體晶片組成，這些半導體材料會預先透過注入或攙雜等工藝以產生p、n架構。與其它二極體一樣，發光二極體中電流可以輕易地從p極（陽極）流向n極（負極），而相反方向則不能。兩種不同的載流子：電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向p、n架構。當電洞和電子相遇而產生複合，電子會跌落到較低的能階，同時以光子的模式釋放出能量。

它所發出的光的波長（決定顏色），是由組成p、n架構的半導體物料的禁帶能量決定。由於矽和鍺是間接帶隙材料，在這些材料在常溫下電子與電洞的複合是非輻射躍遷，此類躍遷沒有釋出光子，所以矽和鍺二極體不能發光。但在極低溫的特定溫度下則會發光，必須在特殊角度下才可發現，而該發光的亮度不明顯。發光二極體所用的材料都是直接帶隙型的，這些禁帶能量對應著近紅外線、可見光、或近紫外線波段的光能量。

發展初期，採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線或紅光。隨著材料科學的進步，各種顏色的發光二極體，現今皆可製造。

以下是發光二極體的無機半導體原料及發光顏色：

  • 鋁砷化鎵 (AlGaAs) - 紅色及紅外線
  • 鋁磷化鎵 (AlGaP) - 綠色
  • 磷化銦鎵鋁 (AlGaInP) - 高亮度的橘紅色、橙色、黃色、黃綠色
  • 磷砷化鎵 (GaAsP) - 紅色、橘紅色、黃色
  • 磷化鎵 (GaP) - 紅色、黃色、綠色
  • 氮化鎵 (GaN) - 綠色、翠綠色、藍色
  • 銦氮化鎵 (InGaN) - 近紫外線、藍綠色、藍色
  • 碳化矽 (SiC) (用作襯底) - 藍色
  • 矽 (Si) (用作襯底) - 藍色 (開發中)
  • 藍寶石 (Al2O3) (用作襯底) - 藍色
  • 硒化鋅 (ZnSe) - 藍色
  • 鑽石 (C) - 紫外線
  • 氮化鋁 (AlN), 鋁氮化鎵 (AlGaN) - 波長為遠至近的紫外線

藍光與白光發光二極體

用氮化鎵(GaN)形成的藍光LED

1993年，當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光LED，這類LED在1990年代後期得到廣泛應用。理論上藍光LED結合原有的紅光LED和綠光LED可產生白光，但現時生產的白光LED卻很少是這樣製造出來的。

現時生產的白光LED大部分是透過在藍光LED(near-UV，波長 450 nm 至 470 nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的，這種黃色磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+:YAG)晶體磨成粉末後，混合在一種稠密的黏合劑中而製成的。當LED晶片發出藍光時，部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較寬光譜（光譜中心約為580nm）。(實際上單晶的摻鈰(Ce)的YAG被視為閃爍器多於磷光體。)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受體，再混合LED本身的藍光，使它看起來就像白色光，而其所呈現的色澤常被稱作「月光的白色」。這種製作白光LED的方法是由日亞化工所開發，並從1996年開始用在生產白光LED上。 若要調校淡黃色光的顏色，可用其他稀釋金屬鋱或釓取代Ce3+:YAG 中摻入的鈰(Ce)，甚至可以以取代YAG中的部份或全部鋁的模式做到。

而基於其光譜的特性，紅色和綠色的物件在這種LED照射下看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明。

另外由於生產工藝的波動，這種LED的成品的色溫並不統一，從暖黃色的到冷的藍色都有，所以在生產過程中會以其出來的特性作出區分。

另一個製作的白光LED的方法則有點像日光燈，發出近紫外光的LED會被塗上兩種磷光體的混合物，一種是發紅光和藍光的銪，另一種是發綠光的，攙雜了硫化鋅(ZnS)的銅和鋁。但由於紫外線會使黏合劑中的環氧樹脂裂化變質，所以生產難度較高，而壽命亦較短。與第一種方法比較，它效率較低而產生較多熱(因為Stokes Shift前者較大)，但好處是光譜的特性較佳，產生的光比較好看。而由於紫外光的LED功率較高，所以其效率雖比較第一種方法低，出來的亮度卻相若。

最新一種製造白光LED的方法沒再用上磷光體。新的做法是在硒化鋅(ZnSe)基板上生長硒化鋅的磊晶層。通電時其活躍地帶會發出藍光而基板會發黃光，混合起來便是白色光。

其他顏色

近期開發出來的LED顏色包括粉紅色和紫色，都是在藍光LED上覆蓋上一至兩層的磷光體造成。粉紅色LED用的第一層磷光體能發黃光，而第二層則發出橙色或紅色光。而紫色LED用的磷光體發橙色光。 另外一些粉紅色LED的製造方法則存在一定的問題，例如有些粉紅色LED是在藍光LED塗上螢光漆或指甲油，但它們有可能會剝落；而有些則用上白光LED加上粉紅色磷光體或染料，可是在短時間內顏色會褪去。

價錢方面，紫外線、藍色、純綠色、白色、粉紅色和紫色LED是較紅色、橙色、綠色、黃色、紅外線LED貴的，所以前者在商業用途上比較遜色。

發光二極體是封裝在塑膠透鏡內的，比使用玻璃的燈泡或日光燈更堅固。而有時這些外層封裝會被上色，但這只是為了裝飾或增加對比度，實質上並不能改變發光二極體發光的顏色。

有機發光二極體，OLED

主條目：有機發光半導體

OLED 全名叫做有機發光二極體（Organic Light-Emitting Diode），與「薄膜電晶體液晶顯示器」（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display, TFT-LCD）是不同類型的產品。部分國外又稱 OLED 為有機電激光顯示（Organic Electroluminesence Display, OELD）。

OLED具有自發光性、廣視角、 高對比、低耗電、高反應速率、全彩化、製程簡單等優點，OLED顯示器的種類可分單色、多彩及全彩等種類，而其中以全彩製作技術最為困難，OLED顯示器依驅動方式的不同又可分為被動式（Passive Matrix，PMOLED）與主動式（active matrix，AMOLED）。

運作參數和效率

一般最常見的LED工作功率都是設定於30至60毫瓦電能以下。在1999年開始引入了可以在1瓦電力輸入下連續使用的商業品級LED。這些LED都以特大的半導體晶片來處理高電能輸入的問題，而那半導體晶片都是固定在金屬鐵片上，以助散熱。在2002年，在市場上開始有5瓦的LED的出現 ，而其效率大約是每瓦18至22流明。

2003年九月，Cree, Inc.公司展示了其新款的藍光LED，在20毫安下達到35%的照明效率。他們亦製造了一款達65流明每瓦的白光LED商品，這是當時市場上最亮的白光LED。在2005年他們展示了一款白光LED原型，在350毫安工作環境下，創下了每瓦70流明的記錄性效率。[2]

今天，OLED的工作效率比起一般的LED低得多，最高的都只是在10%左右。但OLED的生產成本低得多，例如可以用簡單的印製方法將特大的OLED陣列安放在螢幕上，用以製造彩色顯示幕。

失效模式

最常見的發光二極體（和鐳射二極體）的失效是逐漸降低光輸出和效率損失。然而，瞬間的失效也是有可能會發生。晶核成長過程中的差排可能導致光輻射在差排的結合形成使得活性區域衰減的機制；意味著晶格中有存在缺陷，並可以經由熱、高的電流密度及光的放射來加速其發生。

砷化鎵及砷化鋁鎵相較於砷磷化鎵、砷磷化銦鎵及磷化銦是比較容易受這個機制所影響，基於活性區域的不同性質，氮化鎵及氮化銦鎵則對這類的缺陷更為敏感，不管怎樣，高的電流密度可以導致原子的遷移電子跳離活性區域引出差排和點缺陷，看起來像是非光輻射的結合來產生熱而非光，電離輻射同樣的也會造成這樣的缺陷，使得LED存在輻射電路局限的問題（例如在光絕緣體中），早期的紅光因而有顯著的短壽命情況。

白光LED通常使用一或多種的螢光粉，螢光粉會受到熱跟壽命的影響而衰減並降低效率，導致產出的光色改變。

高的電子流在高的溫度下會使得金屬原子從電極擴散至活性區域，有些材料，尤其是氧化銦錫和銀就容易有電子遷移的情形；有些狀況，尤其是GaN/InGaN的二極體，阻擋層金屬被使用來阻礙電子的遷移，機械的應力、高的電流和腐蝕性的環境可能會使得細小的連結發生導致短路的情形。

高功率LED對電流的擁擠敏感，不均勻的電流密度分佈在接合點（junction）上，可能會產生局部的熱點，存在熱燒毀的風險，基板的不均勻導致熱傳導損失，使得問題變得更嚴重，常見的是來自於焊接材料的孔洞或是電子遷移效應和Kirkendall空洞，熱燒毀是LED常見的失效。

當光的輸出超出了臨界水準而導致琢面（facet）燒熔時，雷射二極體可能會有激烈的光學損壞。

有些塑膠封裝的材質會因為熱的緣故而變黃，導致局部波長的光被吸收而影響波長。

突然間的失效常常是因為熱應力所致，當環氧樹脂的封裝達到玻璃轉移溫度時，樹脂會很快速的膨脹，在半導體和焊點接觸的位置產生機械應力來弱化或扯斷它，而在非常低的溫度時則會讓封裝產生裂痕。

靜電的放電也可能產生半導體接合點（junction）立即的失效，特性的永久漂移及潛在的損壞都會導致衰減的速率增加，接合在藍寶石基板上的發光二極體及雷射，對ESD的損害更為敏感。

LED的使用

近看一顆典型的LED，可以看到其內部架構。

LED與沒有極性的白熾燈不同，只能在正向電流流過時才能發光。當加電壓為正向時，會有較大的電流流過，於是我們稱之為順向偏壓。如果電壓極性接反了，則被稱為逆向偏壓，這時只有很小電流流過器件，並且不發光。LED 可以工作在交流電壓下，但只有正向電壓能使它被點亮，這會導致LED 以該交流電的頻率閃爍。
可以參考下表來確定LED的極性:

符號: + −
極性: 正 負
端子: 陽極 陰極
連線: 紅 黑
管腳: 長 短
記號: 無 條紋
管腳號: 1 2
PCB: 方 圓
內部: 小 大
外部: 圓 平


不論是看內部架構還是看外觀，都不能百分之百準確確定發光二極體的極性。透過看管腳的長度來判斷極性是最為可靠的，但也不是百分之百。

因為發光二極體的電壓-電流特性與普通二極體是相似的(近似於指數曲線)，所以一個很小的電壓就會造成巨大的電流。進一步考慮到發光二極體生產工藝的離散性，因此很難用一個電壓源為發光二極體供電，因為這樣做很可能超過最大定額而使器件燒毀。
因為電壓與電流成對數相關，所以在發光二極體的整個工作區，電壓在基本上可以認為是恆定的，因此功率大致與電流成正比。為保證發光二極體功率的恆定，給它供電的應該是一個電流源。在不需要高效率的場合(例如指示燈)，一般可以用一個電壓源串連一個限流電阻，來作為電流源為發光二極體供電。
許多LED額定的反向擊穿電壓值一般比較低，因此加上幾伏特的反向電壓就可能損壞。由於一些製造商沒有遵守關於極性的規範，因此使用LED之前，儘可能先查找數據資料，或者先用一個低壓電源串連一個電阻測試出正確的極性來，以免器件被反向擊穿。如果需要用超過反向擊穿電壓的交流電供電的話，可以用反並聯一個二極體(或另一個LED)的方法進行保護。

有的LED在出廠時內部就已經集成了串連電阻。這樣可以節省印刷線路板的空間，這在搭建樣機或擴展印刷線路板時特別有用。然而由於串連電阻值在出廠時就已經確定，使得LED的一種主要的集成設置方法無法應用。為提升效率，(或者允許無須數模轉換的集成控制)，可以對LED進行週期性或交替的供電，只要閃爍頻率高於人眼的視覺暫留，LED看起來就象連續發光一樣。
只要有足夠高的電壓，多個LED可以與單個限流電阻串連起來。並聯的應用一般會有問題，LED必須是同一型號以便擁有相近的正向電壓。即便如此，生產工藝的波動也會讓這種並聯應用無法令人滿意。詳情請參考日亞應用手冊。
雙色LED單元包含兩個二極體，極性相反(即兩個二極體是反並聯的)，顏色不同(典型是紅色和綠色)，可以顯示兩種顏色，或者透過調整兩個二極體導通時間的比例來實現各種混合顏色。另一些LED單元裡的兩個或多個不同顏色的二極體是共陽極或共陰極架構，這樣無須改變極性就可以產生多種顏色的光。

可以用一個集成的多諧振蕩器電路使LED閃爍起來。

LED應用

Image:LED panel and plants.jpg
LED panel light source used in an experiment on plant growth. The findings of such experiments may be used to grow food in space on long duration missions.

已知的LED應用列表

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器：

  • 狀態指示燈
  • 連續指示燈
  • 應急車輛上的發光條
  • 機場和火車站的輕薄型消息顯示板，以及用於火車、汽車、電車以及渡輪的終點顯示牌
  • 紅光或黃光LED被用於需要保持夜間視覺環境下的指示器
  • 紅光LED的字母數字顯示器
  • 紅、黃、綠和藍光LED可用於鐵路建設模型
  • 白光可以應用於照明，如：路燈、隧道燈、手電筒

用於傳送數碼訊息：

由若干獨立的LED組成的單個光源

LED作為白熾燈和螢光燈的替代品，被稱為固態照明(SSL)──多個白光LED組合成一簇構成一個光源。LED的效率提升得很快：目前大功率白光平均光輸出為60~80流明每瓦(lm/W)，2008年底有望達到120 lm/W。LED的長壽命讓固態照明非常有吸引力。機械上SSL也比白熾燈和螢光燈更堅固。目前固態照明還未能實現家用，因為還需要電源轉換，而且比較昂貴，儘管成本正在下降。閃光LED目前已經被廣泛應用了。

白熾燈泡非常便宜，但效率也很低，家用鎢絲燈為16 lm/W，鹵素燈大約為22 lm/W。螢光燈效率很高，50到100 lm/W (平均 60 lm/W)，但是燈管易碎，並且需要起輝器和鎮流器，因而有時會產生聽覺噪音。節能燈裡面集成了一個安靜的鎮流器，相對比較堅固和高效，適用於標準燈座，目前是家用照明的最佳選擇。

隨著技術的發展，SSL的成本會不斷降低，並有望在2020年以前進入千家萬戶。現下LED主要用於信號指示，而在LED這一領域具有明顯的優勢。在世界各地，採用發光二極體發光的交通信號燈、汽車指示燈及道路狀況告示等已慢慢的變得普遍。

由於具有極好的單色性，在一些需要某種顏色的場合，發光二極體也比白色的光源更有優勢。與傳統白光光源不同，發光二極體無須表面塗覆用於吸收大部份光輸出的塗料，因為它們的顏色是與生俱來的，而且顏色多種多樣。最近剛推出的一種「碧綠」色(藍綠色，約500nm)，符合交通指示燈和導航燈的規範要 求。

有些應用場合要求光源不能帶藍色成份，比如暗室的安全照明，存放一些感光化學材料的實驗室的指示燈，以及一些必須保持暗夜適應性（夜景模式）的場合，諸如飛機尾部和橋樑的顯示和觀察。黃光發光二極體是滿足這種需求的最佳選擇，因為人眼對黃光比其他顏色光敏感得多。

照明應用例子

在香港地下鐵(MTR)列車中試驗的發光二極體照明。

台灣高雄市自由一路的路燈已經在2007年6月改用LED路燈並且正式驗收啟用，其燈具的發光效率以及光型皆達到現有的道路照明標準。

香港港鐵現時有一列行走荃灣綫的列車在最後一節車廂的照明都換成了發光二極體照明。另外，亦在羅湖站的新扶手電梯上面的天花板安裝一組試驗性的LED日光燈。根據前九鐵的刊物，這一組發光二極體日光燈預計可每年節省66%的電力消耗[3]。

發光二極體顯示屏

在美國內華達州拉斯維加斯Fremont Street Experience的LED顯示板，是目前在世界上最大的，長度為1,500 英尺。

發光二極體顯示板所使用的LED有兩種形式：傳統砲彈型發光二極體和表貼型(SMD)，大部分戶外、室內顯示屏都由多顆個別封裝的發光二極體所構成，紅、綠、藍三種顏色的發光二極體形成一組，驅動後形成一個方形的全彩畫素，解析度由畫素間距決定，間距為畫素的中心點到另一鄰近畫素中心點的距離。世界最大的發光二極體顯示屏長度超過1,500英尺，位於美國內華達州拉斯維加斯的Fremont Street Experience。

多數市場上的室內顯示屏都用表貼SMD技術製造(現下延伸到室外市場的趨向)。SMD像素點包括紅色、綠色、和藍色二極體燈上的晶片組，然後焊接在PCB板上。各自的二極體比針頭小，並一起被非常接近地設置。這種燈做出來的顯示屏相對與傳統炮彈型發光二極體做的顯示屏，有更好的顏色一致型和大約減少25%的最小視距。

LED panels allow for smaller sets of interchangeable LEDs to be one large display.

室內使用的LED顯示屏─一般須要一個以SMD技術製造的螢幕，且至少要有600 cd/m2(燭光每平方米, nits) 亮度。這通常足夠(甚至過剩)用在公司和零售店，但是在高亮度的環境，屏幕的亮度可能是可見度的關鍵。流行和自動展示是兩個高亮度發光二極體燈光的佳例，舞台燈光可能要更亮的發光二極體。相對而言，當螢幕快照出現在電視上時，低亮度、低色溫(通常顯示器的白點色溫為6500-9000K，這比通常的電視生產集要藍得多）則是必須的。

室外使用─多數情況下需要4000 nits亮度，一些更高亮度的型號提供的可達10000 nits的光強，甚至比陽光直射在屏幕上更明亮。

觸控面板上的多重接觸-感測

可見光發光二極體與光檢測器都是使用能隙落在可見光波段的正-負接面，因此具有許多相同的物理特性，而將發光二極體應用在光檢測上，是早已被熟知的技藝，但直到最近，被稱為雙向發光二極體陣列方被提出，並應用在觸控面板上的接觸感測(touch-sensing)。2003年，Dietz、Yerazunis與Leigh發表的論文中[4] ，敘述了如何把發光二極體應用為便宜的檢測元件。


在此應用中，陣列中各個發光二極體被快速地被點亮、熄滅。發光二極體點亮後，發射光照射到操作者的手指或圖案，其反射光再經由熄滅狀態的發光二極體所檢測，並在反向偏壓下操作的發光二極體上，感應出電壓，接著透過微處理器讀出該感應電壓的大小，Jeff Han的網站中提供影片展示該發光二極體陣列檢測器之操作狀況[5]

參見

參考文獻

  1. ^ [1] 什麼是LED？
  2. ^ [2]
  3. ^ 九廣東鐵，(2006年)，〈羅湖站改善工程　第二期正式展開〉，《程趣@KCR》，2006年12月第14期第05頁。
  4. ^ [3]
  5. ^ [4] 發光二極體陣列檢測器之操作狀況。
維基共享資源中相關的多媒體資源：
發光二極體
照明和電燈
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白熱型： 白熾燈 - 鹵素燈 - 密封聚束燈〔PAR〕
螢光燈： 節能燈〔精緻型螢光燈，CFL〕 - 熒光燈管 - 無極燈〔感應燈〕
氣體放電燈： 高強度氣體放電燈〔HID〕 - 水銀燈 - 金鹵燈 - 霓虹燈 - 鈉燈
電弧： 弧光燈 - 汞弧燈 - 氙燈 - Yablochkov蠟燭
燃燒： 電石燈 - 蠟燭 - 煤氣燈 - 煤油燈 - 石灰光燈 - 油燈 - 安全燈 - 煤油汽燈
其他類型： 微波硫燈 - 固態照明〔SSL〕如：發光二極體〔LED〕 - 光導纖維 - 電漿燈 - 電致發光纖維線 - 化學發光
顯示科技
非視頻 葉片拍板顯示器 - 翻牒顯示器 - 電子紙
視訊 陰極射線管 - 數字光處理 - 場發射顯示器 - 雷射電視 - （有機）發光二極體 - 液晶顯示器 - 電漿顯示屏 - 表面傳導電子發射顯示器 - 真空螢光顯示器 - 影像投影機
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靜態媒體 電影投影儀 - 幻燈片投影儀 - 全息攝影 - 霓虹信號燈






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