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發光二極體


發光二極體英文Light-Emitting Diode,簡稱LED[1]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紅外線的光。

優點

  • 在低光度下能量轉換效率高(電能轉換成光能的效率) - 也即較省電,非常適合在低光度(如手提電話的背光)需求中使用。當光度提高到非極小範圍照明用途時(如檯頭燈),LED的效率比燈泡高,也比螢光燈(俗稱光管或日光燈管)好[2]
  • 反應(開關)時間快 - 可以達到很高的閃爍頻率。
  • 使用壽命長 - 在適當的散熱和應用環境下可達35,000 ~ 50,000小時,相對螢光燈為10,000 ~ 15,000小時,白熾燈為1,000 ~ 2,000小時。
  • 耐震盪等機械衝擊 - 由於是固態元件,沒有燈絲,相對螢光燈、白熾燈等能承受更大震盪。
  • 體積小 - 其本身體積可以造得非常細小(小於2mm)。
  • 便於聚焦 - 因發光體積細小,而易於以透鏡等方式達致所需集散程度,藉改變其封裝外形,其發光角度由大角度散射至細角度聚焦都可以達成。
  • 單色性強 - 由於是單一能級光出的光子,波長比較單一(相對大部份人工光源而言),能在不加濾光器下提供多種單純的顏色。
  • 色域略較廣闊 - 白色LED覆蓋色域較其他白色光源廣。[3]
  • 冷光束 - LED光束本身不包含紅外線或者紫外線,對注重保護被照對象的場合,如博物館展品的照明應用最適合。

    缺點

  • 高光度下效率較低,在一般照明用途上仍比螢光燈耗電,有些LED燈甚至比省電燈泡耗電。有些設計使用多枚LED,使得LED可以工作在較低光度,從而增加效率,卻使成本大為提高,售價難以降低。
  • 受高溫影響:LED在高溫下能量轉換效率會急速下降,變得浪費電力之餘也產生更多熱,令溫度進一步上升,形成惡性循環,同時縮短壽命。如果散熱不佳會大幅縮短壽命、增加耗電。
  • LED光度由電流控制,光度調節略為複雜。
  • 起始成本較高。
  • 因LED為光源點細小與分佈較集中,作照明用途時光源過於集中、刺眼,須運用光學設計分散光源。
  • 演色性仍待加強。(傳統燈泡、鹵素燈演色性極佳,而螢光燈管容易找到高演色性的產品;演色性低的光源照明不但會有顏色不正常的感覺,對視力及健康也有害)
  • 即使是同一批次的單顆LED與LED之間也存在著光通量,顏色和正向電壓的差別,一致性差。

    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(陽極)流向n極(負極),而相反方向則不能。兩種不同的載流子:空穴電子在不同的電極電壓作用下從電極流向p、n架構。當空穴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。由於沒有諧振腔,不會產生光反饋,因此LED發出的光是熒光。

    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空穴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:

    單色

    多原色/闊頻段

    顏色

    λ波長(nm

    正向偏壓(V

    半導體

    物質符號

    正向偏壓(V

    構成

    正向偏壓(V

    構成

    紅外線

    >760

    < 1.9

    砷化鎵鋁砷化鎵

    GaAs AlGaAs

    2.48-3.7

    LED + LED LED + 紅磷 LED + 藍色濾光器

    2.9 - 3.5

    LED + 黃磷 紫外線LED + 黃磷 LED + LED + LED

    760610

    1.63-2.03

    鋁砷化鎵 砷化鎵磷化物 磷化銦鎵鋁 磷化鎵(摻雜氧化鋅)

    AlGaAs GaAsP AlGaInP GaP:ZnO

    610590

    2.03-2.10

    砷化鎵磷化物 磷化銦鎵鋁 磷化鎵(摻雜?)

    GaAsP AlGaInP GaP:?

    590570

    2.10-2.18

    砷化鎵磷化物 磷化銦鎵鋁 磷化鎵(摻雜氮)

    GaAsP AlGaInP GaP:N

    570500

    2.18-4

    銦氮化鎵/氮化鎵 磷化鎵 磷化銦鎵鋁 鋁磷化鎵

    InGaN/GaN GaP AlGaInP AlGaP

    500450

    2.48-3.7

    硒化鋅 銦氮化鎵 碳化矽 (研發中)

    ZnSe InGaN SiC Si(研發中)

    450380

    2.76-4

    銦氮化鎵

    InGaN

    紫外線

    <380

    3.1-4.4

    (鑽石) 氮化鋁 鋁鎵氮化物 氮化鋁鎵銦

    C(diamond) AlNAlGaNAlGaInN

    單色多原色/闊頻段
    顏色λ波長(nm)正向偏壓(V)半導體物質符號正向偏壓(V)構成正向偏壓(V)構成
    紅外線>760< 1.9砷化鎵鋁砷化鎵GaAs AlGaAs2.48-3.7紅LED + 藍LED 藍LED + 紅磷 白LED + 藍色濾光器2.9 - 3.5藍LED + 黃磷 紫外線LED + 黃磷 紅LED + 綠LED + 藍LED
    760至6101.63-2.03鋁砷化鎵 砷化鎵磷化物 磷化銦鎵鋁 磷化鎵(摻雜氧化鋅)AlGaAs GaAsP AlGaInP GaP:ZnO
    610至5902.03-2.10砷化鎵磷化物 磷化銦鎵鋁 磷化鎵(摻雜?)GaAsP AlGaInP GaP:?
    590至5702.10-2.18砷化鎵磷化物 磷化銦鎵鋁 磷化鎵(摻雜氮)GaAsP AlGaInP GaP:N
    570至5002.18-4銦氮化鎵/氮化鎵 磷化鎵 磷化銦鎵鋁 鋁磷化鎵InGaN/GaN GaP AlGaInP AlGaP
    500至4502.48-3.7硒化鋅 銦氮化鎵 碳化矽 (研發中)ZnSe InGaN SiC Si(研發中)
    450至3802.76-4銦氮化鎵InGaN
    紫外線<3803.1-4.4(鑽石) 氮化鋁 鋁鎵氮化物 氮化鋁鎵銦

  • 中國傳統上的紫色以物理上光譜波長劃分有兩種:一種是波長由380nm至450nm的是段單色可見光,英語上稱為Violet,較接近紫藍色;而另一種是由紅光加上藍光混合而成,英語上稱為Purple,較接近紅色。要注意的是當兩個較長的波段紅、藍光混合一起時所產生的光譜會是紅藍光的光譜重疊在一起,而不會有比藍光波長更短的光產生。
  • 黃磷又名白磷



  • 上一項

    新聞發佈時間 2011/05/24.


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