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1、发光二极体(精) 作者： 日期：發光二極體發光二極體（Light Emitting Diode,LED），是一種半導體元件。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。1960年代，紅光LED就已經發明，而其他顏色的LED也相繼出現，但是直到1990年代初期，在藍光LED發明之後，全彩化的LED才得以實現。初時的LED多用作為指
2、示燈、顯示板等；而現今LED的應用範圍很廣，從照明、背光、廣告招牌、交通號誌、紅綠燈、手電筒、相機閃光燈、裝飾燈等，皆可看到LED的蹤跡，隨著白光LED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。1-1發光二極體的發光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，它是利用波爾效應定理把電能轉換為光能的一種原件，這些半導體材料會預先摻雜三價或五價雜質以產生P型或N型半導體架構。與其它二極體一樣，發光二極體中電流可以輕易地從P極（正極）流向N極（負極），而相反方向則不能。而順向電流是由兩種不同的載子所產
3、生(電洞流和電子流)，電洞和電子在正負不同極性的電壓作用下從電極兩端分別流向PN接合面，當電洞與電子相遇產生複合的過程，電子會跌落到較低的能階，同時以光子的模式釋放出能量而產生光。一般二極體主要材料以矽為主，但因為材料矽屬於間接能隙(indirect bandgap)材料，由於電子經傳導帶往價電帶進行復合時，須加上聲子為維持動量守恆定律，故在過程中電子會消耗多餘的能量，僅釋放極微弱的光能，所以看不到發光。而發光二極體LED是以化合物半導體為材料，由三價或五價元素化合組成，如砷化鎵、磷化砷鎵、氮化鎵等，屬於直接能隙材料，所以可以發光。若半導體傳導帶底端之電子動能與價電帶頂端之電子動能相等，則稱為
4、直接能隙半導體，否則為間接能隙半導體。能帶圖除上次PN接合面提過的表示方式外，還有另一種表示方法，是以動量為橫座標，能量為縱座標，當傳導帶的谷值和價電帶的峰值不在同一水平位置，即有動量差時，此材料稱為間接能隙元件，如矽。反之如兩者在同一水平位置，即沒有動量差時，稱為直接能隙元件，如砷化鎵，參考圖(1)。這也就是三五化合物半導體所以比較容易發光的原因。u 間接能隙半導體：如Si，電子在價電帶與導電帶中躍遷，需要遵守動量守恆。所以躍遷發生除了所需能量外，還包括與晶格的交互作用。(導電帶能量最低點和價電帶能量最高點之p不同)u 直接能隙半導體:如GaAs，電子在價電帶與導電帶中躍遷，不需要改變動量。
5、所以光電子產生的效率高，適合作為半導體雷射或其他發光元件的材料。(導電帶能量最低點和價電帶能量最高點之p相同)LED發光的主要原理：當PN接面加入順向偏壓時，P型區的多數載子電洞會往N型區移動，而N型區的多數載子電子則往P型區移動，最後電子與電洞兩載子會在PN接面之空乏區復合，此時因電子由傳導帶移轉至價電帶後喪失能階，同時以光子的模式釋放出能量而產生光。而LED之能量是以散射光的方式釋放，屬於冷性發光，另外，有些LED之發光原理則是藉由電子加速後之撞擊、游離化過程釋出能量而發光。與藉由加熱發光的白熾燈或藉由放電發光的日光燈之發光原理不同。如圖(2)圖(2) 典型LED之外觀及接角之符號LED與
6、一般白熾燈泡及日光燈的發光原理不同，發光二極體僅在順偏的P-N接面下工作，且微小的順向電流就能使LED發光。其光的波長由材料的能隙決定，而光的波長也決定了發光顏色。在我們加上順偏後，大量的電子由N側注入到P側，大量的電洞由P側注入到N側，P-N接面即形成導通的狀態。在電子、電洞往接面處移動的情況下，在接面處，電子從導帶跳到價帶與電洞進行復合，其損失的能量便以光的形式輸出，其輸出之光波長，會符合以下公式光波長與光頻率關係為光速 C = 3108(m/s) = v 而光子能量Ehvh：浦朗克常數 6.62610-34 J-Sv：頻率c：光速ev：電子伏特。(1電子伏特=1.610-19J-S)公式
7、：光波長(nm：10-9m)LED所發出的光波長，決定發光之顏色，而光波長是由組成PN結構的半導體材料的能隙大小來決定。由於矽和鍺是間接能隙材料，在這些材料中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。發光二極體所用的材料都是直接能隙型的，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 (AlG
8、aInP) - 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凡光譜不再為稜鏡所分光的任何色光，就稱做單色光，各種單色光有其一定的波長範圍，如下：
9、 顏色 波長範圍 （）(10-10m） 紅 7800 6300 橙 6300 6000 黃 6000 5700 綠 5700 5500 青 5500 5200 藍 / 青 5200 5000 藍 5000 4500而光顏色、波長、頻率與半導體材料能隙之關係如下表：光顏色不可見光可見光紅外線紅橙黃綠藍半導體材料磷化銦(InP)砷化鎵(GaAs)砷化鎵鋁(AlGaAs)磷化銦鎵鋁(AlGaInP)磷化砷鎵(GaAsP)磷化鎵(GaP)氮化鎵(GaN)能隙1.35ev1.42ev1.9ev2.03ev2.12ev2.34ev3ev波長(奈米)nm：10-9m100090090080080062062
10、0600600575575490490400頻率(Hz)THz：1012Hz300333333375375484484500500522522612612750例題1、LED半導體材料氮化鎵(GaN)能隙為3ev，試求其光波長、光頻率及其發光顏色？解：光波長nm。光頻率。由上表得知其發光顏色為藍光。1-2發光二極體的種類LED的分類一般短波長紅外光 高亮度長波長紅外光可見光不可見光LED波長400800nm光波長8001550nm800950nm850950nm可見光LED所發出的是散色可見光，其波長約在400nm800nm之間，為了得到不同波長的可見光，通常以不同比例的元素形成化合物半導體，
11、而不同比例的化合物所散色出的光波長顏色及發光之效率也不同，不可見光LED主要為紅外線LED，應用非常廣泛，如家中電器產品之遙控器，高速公路電子收費系統(ETC)等。因為紅外線LED的用途大多是光感測器的光源，一般需要搭配受光元件，而受光元件光電晶體或光二極體，其光感度波長主要在800nm900nm之間，與紅外線LED之波長相當，也是紅外線LED適用於此領域的原因。藍光 白光LED藍光材料及元件之研究很早，在1972 年時，美國廣播公司（Radio Corporation of America ， RCA）的潘口（Pankove）先生即成功研製氮化鎵藍光發光二極體（以金屬絕緣體半導體結構為主），
12、當時因 P 型氮化鎵不易成長，所以無法成功地研製PN 接面的發光二極體。直到1981 年，日本名古屋大學赤崎 （Akasaki） 教授才成功研製PN 接面的氮化鎵發光二極體，其P 型氮化鎵是以有機金屬的二環戊基鎂為摻雜鎂的來源，其成長完的薄膜，必須再經過低能量電子束照射，使鎂原子活化，才可以得到P型的氮化鎵薄膜。再加上他使用氮化鋁為緩衝層，成長於藍寶石基板上，由此得到第一顆亮度為10 微燭光的PN 接面氮化鎵發光二極體。日亞化學公司的中村（Nakamura）博士在1989 年才開始進行氮化鎵之研究，率先以獨創的兩流路法之有機金屬氣相沈積反應器來成長高品質的氮化鎵薄膜。他先用低溫成長氮化鎵薄膜為
13、緩衝層，並以二環戊基鎂為P型摻雜之來源，將剛成長出的鎂摻雜氮化鎵薄膜經直接熱處理，而不採用赤崎教授所用的低能量電子束照射方法，在1991 年3 月即研製出第一顆PN 同質接面的發光二極體。後來又成功成長氮化銦鎵薄膜，在1992 年12 月成長出高功率雙異質接面氮化鎵發光二極體，接著試成長單量子井結構及多量子井結構的發光二極體，以氮化鋁鎵或氮化鎵為局限層，在1994 年及1995 年，陸續發表亮度12 燭光之藍綠光及綠光發光二極體，且在1996 年宣布大量出售藍綠光之發光二極體。1998 年底又宣布成功研製可連續操作且壽命長達一萬小時的藍光雷射二極體，這在全球光電產業界造成很大的震撼，不論官方、
14、學術界、研究單位或產業界都因而積極投入經費與人力研究發展。為何要研製藍光發光二極體，答案主要有三：可做全彩顯示器，可做交通號誌燈，可做白光照明燈源。目前市面上已銷售多年的各種不同顏色的發光二極體，包括紅光、綠光、橙光及黃光。但是藍光及綠光之發光體，欲達到顯示器實用程度之高效率且高亮度，則仍處於研發階段。若以氮化銦鎵氮化鎵鋁氮化鎵為基礎材料，來研製高亮度的藍光及綠光發光體，配合原來已發展成熟的紅光發光二極體，則可達成全彩顯示器之研製目標。另外，目前所使用的燈泡型交通號誌，因燈泡裝置較耗電、壽命短，且有疑似點燈之狀況（當太陽直射燈泡時），易造成交通事故，若能以高亮度紅藍綠光發光二極體取代傳統的燈泡，將可大大提高交通號誌燈之鮮明度。將藍色發光二極體的技術稍加改良，即可進一步研製藍光半導體雷射，利用此種短波長藍光半導體雷射取代目前光碟機所使用的紅光半導體雷射（光學讀寫頭），能增大光碟記錄容量三倍以上。藍
