发光二极管

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发光二极管( 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LED的出現，也被用作照明。它被誉为21世纪的新型光源，具有效率高，寿命长，不易破损等传统光源无法與之比較的优点。

加正向电压时，發光二極體能發出單色、不连续的光，這是電致發光效应的一種。改变所采用的半導體材料的化学组成成分，可使發光二極體發出在近紫外線、可見光或红外線的光。

1955年，美国无线电公司（Radio Corporation of America）的鲁宾·布朗石泰（Rubin Braunstein）（1922年生）首次发现了砷化鎵(GaAs)及其他半導體合金的红外放射作用。1962年，通用電氣公司的尼克·何伦亚克（Nick Holonyak Jr.）（1928年生）開發出第一种实际应用的可见光发光二极管。

目录 1 发光二极管技術 1.1 原理 1.2 藍光與白光LED 1.3 其他顏色 1.4 有機發光二極管，OLED 1.5 運作參數和效率 1.6 失效模式 2 使用LED的注意事項 3 LED應用 3.1 已知的LED應用列表 3.2 照明應用 3.3 LED显示屏 3.4 Multi-Touch Sensing 4 相關參考 5 相關參見 6 相關資源 7 外部連結

[编辑] 发光二极管技術

[编辑] 原理

發光二極管是一種特殊的二極管。和普通的二極管一樣，发光二极管由半导体晶片组成，这些半导体材料会预先通过注入或掺杂等工艺以产生pn结结构。与其它二极管一样，发光二极管中電流可以輕易地從p极（阳極）流向n极（負極），而相反方向則不能。兩種不同的載流子：空穴和電子在不同的电极电压作用下从电极流向pn结。當空穴和電子相遇而产生复合，電子會跌落到較低的能階，同时以光子的方式釋放出能量。

它所發出的光的波長，及其顏色，是由组成pn结的半導體物料的禁带能量所決定。由于硅和鍺是间接禁带材料，在这些材料中电子与空穴的复合是非辐射跃迁，此类跃迁没有释出光子，所以硅和锗二極體不能發光。發光二極體所用的材料都是直接禁带型的，这些禁带能量对应着近紅外線、可見光、或近紫外線波段的光能量。

在發展初期，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，人们已经制造出可發出更短波長的、各種顏色的發光二極管。

以下是傳統發光二極管所使用的无机半導體物料和所它們發光的顏色：

• 铝砷化镓 (AlGaAs) - 紅色及紅外線
• 铝磷化镓 (AlGaP) - 綠色
• 磷化铟镓铝 (AlGaInP) - 高亮度的橘紅色， 橙色，黃色，綠色
• 磷砷化镓 (GaAsP) - 紅色，橘紅色，黃色
• 磷化镓 (GaP) - 紅色，黃色，綠色
• 氮化鎵 (GaN) - 綠色，翠綠色，藍色
• 铟氮化镓 (InGaN) - 近紫外線，藍綠色，藍色
• 碳化硅 (SiC) (用作衬底) - 藍色
• 硅 (Si) (用作衬底) - 藍色 (開發中)
• 蓝宝石 (Al₂O₃) (用作衬底) - 藍色
• 硒化锌 (ZnSe) - 藍色
• 鑽石 (C) - 紫外線
• 氮化鋁 (AlN), 铝氮化镓 (AlGaN) - 波長為遠至近的紫外線

[编辑] 藍光與白光LED

1993年，当时在日本Nichia Corporation(日亞化工)工作的中村修二（Shuji Nakamura）发明了基于宽禁带半导体材料氮化稼（GaN）和铟氮化稼（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，但現在的白光LED卻很少是這樣造出來的。

現時生產的白光LED大部分是通过在藍光LED(near-UV,波長 450 nm 至 470 nm)上覆蓋一层淡黃色螢光粉塗層制成的，這種黃色磷光體通常是通过把摻了鈰的钇-铝-镓(Ce³⁺:YAG)晶體磨成粉末後混和在一種稠密的黏合劑中而制成的。當LED晶片發出藍光，部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個光譜較寬（光谱中心约为580nm）的主要為黃色的光。(實際上單晶的摻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，而其的色澤常被稱作“月光的白色”。 這種製作白光LED的方法是由Nichia Corporation所開發並从1996年开始用在生產白光LED上。 若要調校淡黃色光的顏色，可用其他稀土金屬鋱或釓取代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方式做到。

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，摻雜了硫化鋅(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。

[编辑] 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，但它們有機會剝落；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料透鏡內的，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。

[编辑] 有機發光二極管，OLED

有機發光二極管所用的物料是處結晶狀態有机分子或高分子材料，而由後者製成的LED具有可彎曲的特性。和傳統的發光二極體相比，OLED 的亮度更高，將來可望應用於製造平價可彎曲顯示屏、照明設備、發光衣或裝飾牆壁。2004年開始， OLED 已廣泛應用於隨身MP3播放器。

[编辑] 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，這是當時市場上最光的白光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。[1]

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陣列安放在屏幕上，用以製造彩色顯示屏。

[编辑] 失效模式

最常見的發光二極管 (和激光二極管) 的失效是逐漸降低光輸出和效率損失。然而,　瞬間的失效也是可能會發生。晶核成長過程中的差排導致光輻射在差排的結合是活性區域衰減的機制；意味著晶格中存在缺陷並可以經由熱、高的電流密度及光的放射來加速。 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狀造這樣的缺陷，使得LED存在輻射電路侷限的問題(eg. in optoisolators)，早期的紅光就因而有顯著的短壽命。

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；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。

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，使得問題變的更嚴重，常見的是來至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。

有些塑膠封裝的的材質會因為熱的因素而變黃導致局部波長的光吸收而影響波長。

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檢的速率增加，成長在藍寶石基板的發光二極體及雷射，對ESD的損害更為敏感。

[编辑] 使用LED的注意事項

與沒有極性的白熾燈不同, LED 只能在正向電流流過時才能發光。當PN結所加電壓為正向時, 會有較大的電流流過﹐於是我們稱之為正偏。如果電壓極性接反了, 則被稱為反偏, 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

注意:不論是看內部結構還是看外觀﹐都不能百分之百準確確定發光二極管的極性。通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。

因為發光二極管的電壓-電流特性與普通二極管是相似的(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管生產工藝的離散性﹐因此很難用一個電壓源為發光二極管供電﹐因為這樣做很可能超過最大定額而使器件燒燬。
因為電壓與電流成對數相關﹐所以在發光二極管的整個工作區﹐電壓可以認為基本上是恆定的。因此功率大致與電流成正比。為保證發光二極管功率的恆定﹐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管供電。
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﹐盡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管(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间，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。為提高效率，(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，只要閃爍頻率高于人眼的視覺暫留，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單元包含兩個二極管，極性相反(即兩個二極管是反並聯的)，顏色不同(典型是紅色和綠色)，可以顯示兩種顏色，或者通過調整兩個二極管導通時間的比例來實現各種混合顏色。另一些LED單元里的兩個或多個不同顏色的二極管是共陽極或共陰極結構，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。

[编辑] LED應用

[编辑] 已知的LED應用列表

有些應用會在接下來為文詳細說明:

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
• Light bars on emergency vehicles.
• Thin, lightweight message displays at airports and railway stations and as destination displays for trains, buses, trams and ferries.
• Red or yellow LEDs are used in indicator and alphanumeric displays in environments where night vision must be retained: aircraft cockpits, submarine and ship bridges, astronomy observatories, and in the field, e.g. night time animal watching and military field use.
• Red, yellow, green, and blue LEDs can be used for Model Railroading applications

用於傳送數位訊息:

• 電視機、錄放影機的遙控器，使用了紅外線發光二極體。
• 光纖通訊
• 排列成點矩陣用以顯示信息。
• 交通號誌，發光二極體正逐漸取代有色燈泡。
• 位移感測器，例：光學滑鼠。

[编辑] 照明應用

LED作為白熾燈和熒光燈的替代品，被稱為固態照明(SSL)——多個白光LED組合成一簇構成一個光源(見圖)。LED的效率中等：目前商用SSL的平均光輸出為32流明每瓦(lm/W)，新的技術有望達到80 lm/W。LED的長壽命讓固態照明非常有吸引力。機械上SSL也比白熾燈和熒光燈更堅固。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。熒光燈效率很高，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。

隨着技術的發展，SSL的成本會不斷降低，並有望在2020年以前進入千家萬戶。現在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LED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。

至於普通照明，目前(2006年12月)還是在試驗階段，還未有量產化的商品出現。不過，基於省電節能及環保的原由，很多大型機構都已開始試驗LED照明。例如，香港地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LED照明。另外，九廣東鐵亦在羅湖站的新扶手電梯天花安裝一組試驗性的LED日光燈。根據九鐵的刊物，這一組LED日光燈預計可為九鐵每年節省66%的電力消耗^[1]。

由於具有極好的單色性，在一些需要某種顏色的場合，LED也比白色的光源更有優勢。與傳統白光光源不同，LED無須表面塗覆用于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LED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。

[编辑] LED显示屏

LED顯示板所使用的LED有兩種形式：傳統砲彈型LED、表面黏著型(SMD)，大部分戶外、室內螢幕都由多顆個別封裝的LED所構成，紅、綠、藍三種顏色的LED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LED看板長度超過1,500英呎，位於拉斯維加斯Las Vegas, Nevada covering the Fremont Street Experience.

Most indoor screens on the market are built using SMD technology — a trend that is now extending to the outdoor market. An SMD pixel consists of red, green, and blue diodes mounted on a chipset, which is then mounted on the driver PC board. The individual diodes are smaller than a pinhead and are set very close together. The difference is that minimum viewing distance is reduced by 25% from the discrete diode screen with the same resolution.

Indoor use generally requires a screen that is based on SMD technology and has a minimum brightness of 600 candelas per square meter (unofficially called nits). This will usually be more than sufficient for corporate and retail applications, but under high ambient-brightness conditions, higher brightness may be required for visibility. Fashion and auto shows are two examples of high-brightness stage lighting that may require higher LED brightness. Conversely, when a screen may appear in a shot on a television show, the requirement will often be for lower brightness levels with lower color temperatures (common displays have a white point of 6500-9000K, which is much bluer than the common lighting on a television production set).

For outdoor use, at least 2,000 nits are required for most situations, whereas higher brightness types of up to 5,000 nits cope even better with direct sunlight on the screen. Until recently, only discrete diode screens could achieve that brightness level. (The brightness of LED panels can be reduced from the designed maximum, if required.)

Suitable locations for large display panels are identified by factors such as line of sight, local authority planning requirements (if the installation is to become semi-permanent), vehicular access (trucks carrying the screen, truck-mounted screens, or cranes), cable runs for power and video (accounting for both distance and health and safety requirements), power, suitability of the ground for the location of the screen (check to make sure there are no pipes, shallow drains, caves, or tunnels that may not be able to support heavy loads), and overhead obstructions.

[编辑] Multi-Touch Sensing

Since LEDs share some basic physical properties with photodiodes, which also use p-n junctions with band gap energies in the visible light wavelengths, they can also be used for photo detection. These properties have been known for some time, but more recently so-called bidirectional LED matrices have been proposed as a method of touch-sensing. In 2003, Dietz, Yerazunis, and Leigh published a paper[2] describing the use of LEDs as cheap sensor devices.

In this usage, various LEDs in the matrix are quickly switched on and off. LEDs that are on shine light onto a user's fingers or a stylus. LEDs that are off function as photodiodes to detect reflected light from the fingers or stylus. The voltage thus induced in the reverse-biased LEDs can then be read by a microprocessor, which interprets the voltage peaks and then uses them elsewhere. The website of Jeff Han features a video[3] demonstrating one such implementation of an LED matrix multi-touch sensor.

[编辑] 相關參考

• Mills, Evan (2005). "The Specter of Fuel-Based Lighting". Science 308: 1263-1264.

• Salisbury, David F., 英语: -{Quantum dots that produce white light could be the light bulb’s successor}- Exploration - The Online Research Journal of Vanderbilt University October 20, 2005 (more details regarding the use of quantum dots as a phosphor for white LEDs).

1. ↑ 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。

[编辑] 相關參見

• Throwies
• 雷射二極體，一種固態(半導體)同調(cohernt)光源
• 数码管
• Light Up the World Foundation

[编辑] 相關資源

• Chart showing voltage drops of various colors
• Lighting Research Center: SPE method, which results in 80l/w (vs 60l/w for fluorescent lighting)
• Lighting Research Center: Information on developing a standard lifetime measurement for LEDs
• Military & Aerospace Electronics - Industry News: How to predict failure mechanisms in LED and laser diodes

[编辑] 外部連結

• LED Related Discussions - from CPF

• How LEDs work - from Howstuffworks.com
• The LED FAQ Pages - A compilation of questions and answers about light-emitting diodes and infrared emitters
• LED Center - Information for hobbyists and articles on solid state lighting
• LED Museum
• LED professional
• Variations of light characteristics of white LEDs

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