發光二極體

發光二極體是一種半導體光源，當電流透過它時會發光；即一種電致發光的半導體電子元件，其內電子與電子空穴複合，以光子的形式釋放能量。發光二極體結構的核心部分是p-n結，周邊部分有環氧樹脂密封其引線與框架以保護內部芯線。當p-n結通以正向電流時，能發射可見或非可見輻射，此輻射為透過三價與五價元素所組成複合光源。發光二極體只能夠往一個方向導通在其內複合而發出單色光，這叫“電致發光效應”；而光線的波長、顏色跟其所採用的半導體物料種類與故意摻入的元素雜質有關。發光二極體具有效率高、壽命長、不易破損、反應速度快、可靠性高等傳統光源不及的優點。發光二極體於1962年出現時，只能發出低光度的紅光，被惠普買下專利後當作指示燈利用。其後發展出其他單色光的版本，時至今日，能夠發出的光已經遍及可見光、紅外線及紫外線，光度亦提高到相當高的程度。隨著白光發光二極體的出現，用途已由初期的指示燈及顯示板等指示用途，逐漸發展至近年的照明用途。白光LED的發光效率近期亦有所進步，其每千流明成本，因大量資金投入已使價格下降，近年在照明用途上愈趨普及。發展歷史.1961年，美國公司德州儀器的Robert Biard與Gary Pittman首次發現了砷化鎵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·何倫亞克開發出第一種可實際應用的可見光發光二極體。1993年，日本日亞化學工業、具有商業應用價值的藍光發光二極體。有了藍光發光二極體後，白光發光二極體也隨即面世，之後LED便朝增加光度的方向發展，當時一般的LED工作功率都小於30－60 mW的發光二極體商品化。這些發光二極體都以特大的半導體晶片來處理高電能輸入的問題，而半導體晶片都是被固定在金屬片上，以助散熱。2002年，在市場上開始有5W的發光二極體的出現，而其效率大約是每瓦18－22 lm。2003年9月，Cree, Inc.公司展示了其新款的藍光發光二極體，在20 mW下效率達35%。他們亦製造了一款達65 lm/W的白光發光二極體商品，這是當時市場上最亮的白光發光二極體。2005年他們展示了一款白光發光二極體原型，在350mW下，創下了每瓦70 lm的記錄性效率。2009年2月，日本發光二極體廠商日亞化學工業發表了效率高達249 lm/W的發光二極體，此乃實驗室資料。2010年2月，Philips Lumileds造一白色LED在受控的實驗室環境內，以標準測試條件及以350 mA電流推動下得出208 lm/W，但由於該公司無透露當時的偏壓電壓，所以未能得知其功率。2012年4月，美國發光二極體大廠科銳推出254 lm/W光效再度重新整理功率。2014年憑藉「發明高亮度藍色發光二極體，帶來了節能明亮的白色光源」，日本工程學家天野浩與赤崎勇、中村修二共同獲得諾貝爾物理學獎。部分評論認為，諾貝爾獎跳過了紅色、綠色LED的發明者並不公平。但諾貝爾委員會在《讀賣新聞》專訪中提出反駁，他堅稱「仔細研究發明的貢獻度之後，有十足信心決定這3個人獲獎」。OLED的工作效率比起一般的發光二極體低得多，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。基本原理.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。它所發射出的光的波長。發光二極體所用的材料都是直接帶隙型的，因此能量會以光子形式釋放，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，採用砷化鎵的發光二極體只能發射出紅外線或紅光。隨著材料科學的進步，新研發成功的發光二極體能夠發射出頻率越來越高的光波。現今，已可製成各種顏色的發光二極體。二極體通常建構於N型基板，在其表面沉積一層P型半導體，用電極連結在一起。P型基板比較不常見，但也有被使用。很多商業發光二極體，特別是GaN/InGaN，也會使用藍寶石基板。大多數用來製成發光二極體的物質具有非常高的折射率。這意味著大部分光波會在物質與空氣的介面會被反射回物質，因此，光波萃取對於發光二極體是很重要的論題，大量研究與發展都聚焦於這論題。以下是發光二極體的無機半導體原料及發光顏色：白光發光二極體的原理.發光二極體本身是單色光源，而自然界的白光或以螢光劑把發光二極體發出的單色光轉化，使整體光譜含為含有三源色的光譜，刺激人眼感光細胞，使人有看見白光的感覺。結合藍光發光二極體、紅光發光二極體和綠光發光二極體便可做出白光發光二極體，這樣產生的白光發光二極體有較廣的色域，而且效率較其他方法高，不過成本相當高。近年生產技術的改進下，越來越多產品採用這方法。現在普及的白光發光二極體都採用單一發光單元發出波長較短的光，如藍或紫外光，再用磷光劑把部份或全部光轉化成一頻譜含有綠、紅光等波長較長的光。這種光波波長轉化作用稱為螢光，原理是短波長的光子至較高能量、不穩定的激發狀態，之後電子在返回原位時，一部份能量散失成熱能，一部份以光子形式放出，由於放出的光子能量比之前的小，所以波長較長。由於轉化過程中有部份能量化成熱能，造成能量損耗，因此這類白光發光二極體的效率較低。發光單元有採用藍光發光二極體的，也有採用紫外光發光二極體的。日亞化學工業開發並從1996年開始生產的白光發光二極體採用藍光發光二極體作發光單元，波長450 nm至470 nm，磷光劑通常是摻雜了鈰的釔-鋁-鎵換作其他稀釋金屬，例如鋱或釓，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，紅色和綠色的物體在這種發光二極體照射下看起來會不及寬頻譜光源照射時那麼鮮明。另外由於生產工藝的波動，這種發光二極體的成品的色溫並不統一，從暖的黃色到冷的藍色都有，所以在生產過程中會以其出來的特性作出區分。而這種發光二極體的結構是把藍光發光二極體封進混入了磷光劑的環氧樹脂中而造成，但也有較複雜的方法，由Philips Lumileds取得專利的方法便是把磷光劑塗在發光二極體上，值由控制磷光劑的厚度增加效率。另一種白光發光二極體的發光原理跟螢光燈是一樣的。發光單元是紫外光發光二極體，外面包著兩種磷光劑混合物，一種是發紅光和藍光的銪，另一種磷光劑是發綠光的銅和鋁摻雜了硫化鋅。內裡的紫外光發光二極體發出的紫外光被外層的磷光劑轉換成紅、藍、綠三色光，混合後就成了白光。但由於紫外線會使黏合劑中的環氧樹脂劣化變質，所以生產難度較高，而壽命亦較短。與第一種方法比較，因為斯托克司頻移前者較大，光波在轉化過程中有較多被化成熱能，因此效率較低，但好處是光譜的特性較佳，產生的光比較好看。而由於紫外光的發光二極體功率較高，所以其效率雖比較第一種方法低，但出來的亮度卻相若。最新一種製造白光發光二極體的方法沒再用上磷光體。新的做法是在硒化鋅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.近期開發出來的發光二極體顏色包括粉紅色和紫色，都是在藍光發光二極體上覆蓋上一至兩層的磷光體造成。粉紅色發光二極體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。而紫色發光二極體用的磷光體發橙色光。另外一些粉紅色發光二極體的製造方法則存在一定的問題，例如有些粉紅色發光二極體是在藍光發光二極體塗上螢光漆或指甲油，但它們有可能會剝落；而有些則用上白光發光二極體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、紅外線發光二極體貴的，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.有機發光二極體OLED。其發光原理跟發光二極體一樣，不同之處是其發光物半導體是有機化合物，例如有機聚合物等。OLED製程簡單，成本較低，可以用印刷等廉價生產方法制造，其優點包括:這些特性都是一般二極體所不及的。因此OLED可以造出大面積的照明燈俱，軟身、透明的顯示器。現在OLED大多數使用於顯示器上，不同顏色的OLED有不同壽命，衰退程度也不同，因此作為全綵色顯視器時，色溫會隨使用時間而變；較常用的像點會較其他像點衰退得較快而使得光暗不均。水份、濕氣等會對OLED造成破壞，因此對封裝的防水性也有要求。LED的使用.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，當接上正向電壓時會有較大的電流流過，稱之為"順向偏壓"。若接上反向電壓，電流會相當細，稱為"逆向偏壓"，並且不發光。所以當LED接上交流電壓時，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，要注意LED能承受的反向電壓比一般二極體低，反向電壓過高會使LED永久損壞。判斷發光二極體的極性.不論是插入式封裝還是貼片封裝LED都可以從外觀上判斷其極向：也有其他測試方法可以測知LED極性，廠方的資料也會有說明。若把極性倒置，而電壓超出其擊穿電壓時，電流會突然急劇增加，LED便有機會永久損壞。不過若能控制電流在安全值內，逆向導通的LED是有用的噪聲產生二極體。驅動LED.LED的偏壓與正向電流成對數相關，若以固定電壓源推動的話，電源電壓的輕微差異、LED偏壓因生產工藝的離散性，都會使電流有較大的變化，由於LED的光度與電流有較直接關係，電流變化會導致LED的亮度偏離想定值，電流若超出安全值的話會因功耗過大而使LED永久損壞。因此，應用時應使LED工作在固定的電流，這樣才可達至預期的亮度，及確保LED不會因電流過大、功耗超出負荷而損壞。因此，在推動LED時有下列事項要注意：要知道什麼的電流值才可以達到預期的光度，可以參考生產商資料提供有關電流與光度關係的資料。要控制LED的亮度，又想提升效率、減少耗電，卻不想使用價格較高的開關式電源的話，可以使用脈衝寬度調製推動LED，透過控制不停重複的每一個時段內導通時間與關閉時間的比例，也就是佔空比，可以改變流經LED的平均電流，從而控制LED的光度，由於控元件沒有半導通的狀態，控制元件內的電壓降相當少，因而效率較高，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。白色LED使用脈衝寬度調製控制LED光度的方法有另一好處，白色LED的色溫隨電流強弱而轉變，在脈衝寬度調製控制下，導通電流在不同光度下都不變，因此可以在不同光度保持色溫不變，這在影片播放裝置中，應用LED作背光的情況特別重要。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。如果需要以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，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。LED光衰.最常見的發光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存在輻射電路侷限的問題，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，導致區域性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。應用.視覺訊息顯示.狀態顯示燈.發光二極體所需推動電壓及功率低，方便由運作電壓低的微處理器控制及在以電池作電源的裝置上使用，所以常被用在各種電子產品、裝置的狀態指示燈。在消費性電子產品，手提嵌入式電子裝置，家庭電器、玩具、各種儀器…等用途上作為工作狀態顯示燈。單一發光二極體常被用作狀態顯示，也有製成-{zh-hans:七劃管; zh-tw:七段顯示器}-的LED組用作顯示數字，而通常會在右下方加上「‧」、「，」，以顯示小數點等。在多年前，當顯示器技術並不發達時，有些發光二極體組能有14劃，可以顯示26個英文字母，但當微電子等顯示技術成熟後，這種發光二極體組已極少被採用。LCD顯示器背光光源.早在只有黑白LCD的年代，各種單色LED便被採用作黑白LCD的背光光源，例如傳呼機，而當彩色LCD出現後多時，工程界還未能製作出白色LED，所以只好採用電致發光片，簡稱EL片作背光。而在白色LED出現後，這些產品隨即轉用LED作背光。與EL片相比，白色LED較省電，這對電池供電的產品特別重要，除此之外，白色LED免去EL片所需的高壓電源，大大減低了電磁幹擾。但由於白色LED需要一定空間作導光之用，體積會比EL片略厚，儘管如此，手提電話(手機)、電子手帳、較細的手提電腦(筆電)續漸使用LED作背光。但由於LED在高光度時效率變差，不只耗電，更有過熱問題，所以當白色LED問世後數年，LCD電腦螢幕及LCD電視機仍然採用冷陰極螢光燈作為背光，近年LED在高光度下的效率不斷改進，使得亮度足以應用在LCD電腦螢幕及LCD電視機的背光。相比之前的CCFL，LED省卻了CCFL所需的高壓電源，除大幅減低了電磁幹擾外，由於省卻了電壓轉換，在使用電池作電源的產品上也省卻了電壓轉換時的功率損耗，而LED的工作壽命，顏色的穩定性也比CCFL好得多。使用LED作背光的LCD顯示器常被生產商叫作LED顯示器或LED電視機等，原因可能是為了強調新產品與舊產品有所不同，但其實這些顯示器的影像仍是以LCD產生，LED只是當作光源，在技術上仍是LCD顯示器，或叫LED背光液晶顯示電視等。有些高檔產品使用三原色LED構成的白色LED作背光，有比CCFL更廣的色域。而加上依隨所顯示的影像所需而動態地控制LED的光度可以大大增加LCD顯示器的對比度，起初只有成本較高的直下式LED背光使用動態控制技術，漸漸地側照式LED背光也發展出類似功能。顯示器.市面上現存普及的LED背光液晶顯示電視的LED只用作背光光源，嚴格上並不是LED顯示器，細小高解像度的視訊LED顯示器現都採用OLED，OLED具有自發光性、廣視角、高對比、低耗電、高反應速率等優點，OLED顯示器因為不需背光源，所以可以比LCD顯示器造得更薄，但OLED顯示器的壽命只有LCD顯示器的1/4，日本Toshiba跟Panasonic近年有新技術使OLED的壽命加倍。OLED顯示器依驅動方式的不同又可分為被動式。PMOLED的推動電流直接由透明電極傳到OLED，因為導電電極的電阻關係，尺寸不可以造得大，否則會有光暗不均的情況。而且有串擾的問題。AMOLED與薄膜電晶體液晶顯示器原理一樣，在顯示器上造出三極官控制OLED的開關。所以解決了PMOLED的問題，現在大部份的OLED顯示器都是採用AMOLED，他們大多被使用在智慧型手機中。大型的LED顯示器已普及於戶外戶內，戶外LED顯示器對解析度要求較低，但需要較高的亮度，多採用分立單色的LED組成。戶內的由於距離觀賞者較近，所以要求較高的解析度，所以採用SMD LED元件。LED照明.由於發光二極體燈被稱為固態照明。傳統照明燈俱如螢光燈、白熾燈及鹵素燈都有裝載氣體的脆弱玻璃管，因而都不及全固態的LED堅固耐用。現有單一大功率發光二極體一般有1W、3W、5W等，由於發光二極體在增加光度時，效率會下降，所以有些LED燈使用多個白光LED組合成一簇構成一個光源，以增加效率；同樣的原因，在照明方面只用在對光度要求低的地方，以保持其較佳效率的特性，這些用途包括：手電筒.以往手電筒都以白熾燈或鹵素燈作光源，而螢光燈由於體積大及需要高壓電源，不適合用於體積、重量小、以及以電池作為電源的手電筒。自白色LED面世後，堅固耐用得多的特性使其被廣泛使用於小型手電筒。但由於在高光度下LED的效能仍有所不及，所以LED還未應用於較大功率手電筒上。要LED工作在理想狀態，其電流必控制在一定數值，低檔LED手電筒只用電阻限制電流，比較耗電，光度也會隨電池電壓下降而變暗。高檔次的LED手電筒會用電子線路產生恆流源，精確控制LED的電流，即使電池電壓下降，LED的電流也保持固定。這類設計較為省電。一些使用電池電壓比白色LED在正常工作電流下的電壓的電子線路把電壓升至足以推動LED。但不是所有採用直流/直流轉換線路的手電筒都都以恆流源控制LED電流。緊急照明.由於後備緊急照明系統多用電池作電源，採用LED可以降低耗電。手機閃光燈.現今的行動電話常備有攝影功能，故需要閃光燈，但一般相機使用的閃光燈雖然光度比LED高很多，但體積大及較耗電，不適合用於行動電話中；反而行動電話的對光度要求低，白光LED的光度以足作閃光燈，加上不需要高電壓驅動，故能做為體積和成本都很小的完整閃光燈解決方案。除此之外，這些LED還能當成手電筒或棚燈使用。道路及室內照明.目前LED已經開始應用於道路照明及室內燈具。當前市面上的熒光燈效率平均為50 lm/W，而LED效率平均超過80 lm/W。紅外線夜視照明.紅外線LED常被用作紅外線光源，配合CCD用作保安用的夜視鏡頭。訊息傳輸.由於LED開關速度快，有利資料快速傳輸及減少延遲，加上推動簡單，所以常用於各種裝置中作資料、訊號傳送及感知用途。光通訊.紅外線LED輕巧、省電、價廉、可靠耐用，被廣泛使用在電子、電器產品的紅外線搖控器中，以紅外線傳遞指令。近年也有遙控玩具使用同樣的方式控制玩具，相比無線電，紅外線遙控在視線外時會"失控"，但價廉，光學的紅外線接收大為減低重量及耗電量，對非常小型遙控的飛行玩具如遙控直升機這類電量與動力都細小的情況特別有利。有別於電子、電器產品的紅外線遙控，遙控玩具的紅外線發射要用上多枚紅外線LED以增大可接收的角度。紅外線LED被使用在IrDA紅外線資料傳輸，雖然相對省電、價廉，但需要互相對準在視線內及資料傳輸速度應付不了需要下，已少有裝置使用。例如影音產品的數碼音樂光纖傳送系統中，LED被用作把數碼化的音訊傳送，但由於成本問題，所使用的光纖品質不高，高階影音玩家，認為光纖傳送的效果不及同軸電纜。被廣範使用的光電耦合元件是一種以光訊號把訊息由在兩個電氣完全隔離的電路之間傳遞，其包含了兩部份，一是光源，而另一是感光體，光源部份就是使用LED。應用例子有：把交流市電轉換成低壓直流的交換式電源供應器，低壓輸出端必需與較高壓的輸入端在電氣上完全隔離，以確保安全，這類情況便要用光電耦合以光訊號形式讓訊號能在兩端間傳遞。同樣的情況也發生的醫療儀器上，在人體測得的訊號利用光電耦合把訊號傳至以市電供電的部份，確保與人體接觸的感測器跟市電部份在電氣上完全隔離以達至安全需要。窄波段光學感測器.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PN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。2003年，Dietz、Yerazunis與Leigh發表的論文中，敘述瞭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。