LED原理

LED原理-發光二極體(Light Emitting Diode, LED)在1950年代末於實驗室發展出來，1968年HP開始商業化量產，早期只有單調的暗紅色電子產品指示燈(Lamp，見圖一左)，1992年Nichia突破藍光LED技術障礙後，逐漸衍生出多重色彩，亮度也大幅提高，並以顯示器(Display)、表面黏著型(SMD等各種封裝型態深入生活中各個層面。

LED是利用電能直接轉化為光能的原理，在半導體內正負極2個端子施加電壓，當電流通過，使電子與電洞相結合時，剩餘能量便以光的形式釋放，依其使用的材料的不同，其能階高低使光子能量產生不同波長的光，人眼所能接受到各種顏色的光，如圖二橫座標所示，其波長介於400-780nm，在此區間之外則為不可見光，包括紅外光及紫外光(UV)。

多數LED被稱為Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體，是由Ⅴ族元素(氮N、磷P、砷As等)與Ⅲ族元素(鋁Al、鎵Ga、銦In等)結合而成，以與IC半導體所使用之矽(Si)等Ⅳ族元素區別。傳統液相磊晶法(Liquid Phase Epitaxy, LPE) 與氣相磊晶法 (Vapor Phase Epitaxy, VPE)，以磷化鎵(GaP)或砷化鎵(GaAs)為基板，用於生產中低亮度LED及紅外光IrDa晶粒，其亮度在1燭光(1000mcd)以下。有機金屬氣相磊晶法(Metal Organic Vapor Epitaxy, MOCVD)用於生產高亮度LED，其亮度約在6000-8000mcd。以AlGaInP四種元素為發光層材料在砷化鎵基板上磊晶者，發出紅、橙、黃光之琥珀色系，通稱為四元LED；以GaN為材料所生產的藍、綠光LED，則稱為氮化物LED，一般以藍寶石(Sapphire)為基板，美國大廠CREE則發展出以碳化矽(SiC)為基板的製程。

LED 在順向偏壓下，電子在接合面流動時，會在再結合而消滅的過程中發光

LED較傳統光源的照明優勢

1.有許多小型且不同尺寸可供設計選擇。
2.可承受高衝擊力。
3.低的功率損失。
4.亮度衰減較緩慢。
5.極長的使用壽命，約5萬至10萬小時。
6.低耗電量。
7.全系列發光顏色皆有生產(由藍色460nm 至 暗紅色660nm)。
8.白色照明光源。
9.提供高功率使用與高亮度產品。
10.利用紅、綠、藍3原色晶片封裝技術製作單顆全彩機種(three in one)

LED優點如下:

1.超亮點,顏色純,可做出具有資訊之光源,如紅綠燈,汽車用燈,指標用燈
2.冷光,發熱度低,不會損壞燈座安全性高
3.壽命超長,可連續使用50000小時以上比傳統鎢絲燈壽命高出5~10倍
4.省電,低消耗功率,新環保燈泡
5.反應速度快只要1uS(微秒),不須暖燈可提高安全度

LED燈的顏色如何決定...？

[LED燈會因為二極晶圓製造過程中所添加的金屬元素不同,成分比例不同,而發出不同波長的光,以波長在470發藍光,530發綠光,570發黃光,630發紅光,其中又以藍光及綠光價格較高,因為藍綠光的特殊金屬在晶圓磊晶需成長在藍寶石上,故每顆藍綠光LED晶片都是由藍寶石製成的.

如何發出白光呢 ...？

[LED只能發出藍綠黃紅四種顏色,如果要發出白光需要用互補原理產生白光,目前白光的(YGA螢光粉)製造專利被日本(日亞)綁住,如要製造白光就要繳交權利金,所以白光價錢最高.

1.日亞專利:以藍光LED照射YGA黃色螢光粉,將螢光粉激發而發出白光,此方式會倍增原本的亮度,發出高亮度的白光.

2.避開日亞專利:以綠光照射紅色螢光粉或是紅光照射綠色螢光粉而發出白光,但亮度遠小於日亞專利.

3.也有廠商使用紅藍綠三種LED混色發出白光但成本相對提高需多,市場接受度不高.

4.未來會使用紫外光的LED(驗鈔燈)激發螢光粉來得到白光,其原理與日光燈以高壓電極使汞蒸氣發出紫外光照射燈管壁的螢光粉再激發產生白光原理相同,但目前此方式還未普及。]

LED的驅動電壓與耗電量...？

[LED驅動電壓範圍在2.3~3.4V之間,而使用時可串聯電阻使用較大的電壓驅動,而耗電量極小,以本公司的產品來說一顆LED加上電阻以12V電壓驅動耗電量不到0.1W。]

白光 LED特點與照明應用

　　傳統照明燈具的問題，如白熾燈泡雖便宜但 有發光效率低、高耗電、壽命短、易碎等缺點 。而日光燈雖很省電但其廢棄物 有汞污染、易碎 等問題。相對而言，符合節能環保安全的白光 LED，因是屬於化合物半導體的一種，其特性為：
· 壽命長 (十萬小時，日光燈的10倍)
· 低耗電量(白熾燈泡的1/8，日光燈的1/2)
· 低發熱量
· 光顏色純
· 高防震性，不易碎，安全
· 無污染
· 小型化，可平面封裝

　　 同時因白光 LED發光效率目前已達 49 lm/W， 已超過白熾燈泡的 15 lm/W ，其效率、亮度亦不斷地在提昇當中。

目前已經應用在：
· 室內特殊照明／· 手電筒／· 閃光燈／· 裝飾燈
· 液晶顯示器(LCD)、攜帶式電子產品(PDA，行動電話)背光源
· 汽車內部、車燈及駕駛面板照明
· 高樓建築物及廣場探照燈
· 劇場舞台燈　／· 投影燈源

　而在全球白光 LED相關廠商和研究單位不斷的積極研究下，其發光效率預估在2010年將可達到120 lm/W，且在成本不斷下降之下，長期而言，未來將有機會取代白熾燈泡與日光燈應用市場。 三、白光 LED 照明整體效益分析
白光 LED 最大的效益是可以節約能源，減少污染 。目前白光 LED 較傳統白熾燈泡發光效率高出一倍以上，未來更可提高到十倍以上。因此 ，在台灣地區，假如 25% 白熾燈泡及 100% 日光燈被白光 LED 取代，每年可省下 110 億度電力，大約是 1 座核能發電廠的年發電量。 而若以日本為例，假如 100% 白熾燈泡被白光 LED 取代，每年將可減少 1~2 座發電廠發電量。另外，美國若將 55% 白熾燈泡及 55% 日光燈以白光 LED 取代，每年則可省下 $350 億美金電費。

　　 另外，防止溫室效應，保護地球環境，也是白光 LED 照明的目標。由於省電的白光 LED 可減少發電廠原油的使用量，其在發電過程中所產生的 CO2 排放量也大幅減少，對溫室效應的防止與地球環境綠化大有貢獻。因此，根據國外的預估資料，使用白光 LED 照明技術將可使全球每年減少 25 億噸 CO2 排放量，美國每年將可減少 7.55 億噸 CO2 排放量，日本則每年減少 1~2 座發電廠及 10 億公升以上的原油發電使用量。

尖端光電科技的白光 LED 每年可創造 150 億美元的市場，可大幅減少 CO2 排放，符合國際潮流，有利我國經濟永續經營。