LED 是什麼?發光二極體的構造

作者:Hightech   |   2018 / 10 / 23

文章來源:知識力   |   圖片來源:Koko


發光二極體(LED:Light Emitting Diode)外觀呈橢圓形,尺寸與一顆綠豆差不多,但是真正發光的部分只有圖中的「晶粒(Die)」而已,晶粒的尺寸與海邊的一粒砂子差不多,這麼小的一個晶粒就可以發出很強的光,慢慢取代了我們用了超過一個世紀的傳統燈泡。

發光二極體的構造

發光二極體(LED:Light Emitting Diode)的構造如<圖一(a)>所示,外觀呈橢圓形,尺寸與一顆綠豆差不多,但是真正發光的部分只有圖中的「晶粒(Die)」而已,晶粒的尺寸與海邊的一粒砂子差不多,這麼小的一個晶粒就可以發出很強的光。由於發光二極體的晶粒很小,所以一片 3 吋的砷化鎵晶圓就可以製作數百個晶粒,切割以後再封裝,形成如<圖一(b)>的外觀,發光二極體的製程與矽晶圓的製程相似,都是利用黃光微影、摻雜技術、蝕刻技術、薄膜成長製作而成。

圖一、發光二極體(LED)的構造

發光二極體的工作原理

如果我們將<圖一>中的晶粒放大,如<圖二>所示,上下有金屬電極,中間有 N 型與 P 型的砷化鎵,當發光二極體與電池連接時,電子由電池的負極流入 N 型半導體,電洞由電池的正極流入 P 型半導體,電子與電洞在 P 型與 N 型的接面處結合,並且由晶粒的上方發光,經過橢圓形的塑膠封裝外殼,由於橢圓形的塑膠封裝外殼類似凸透鏡,具有聚光的效果,可以使發出來的光線「比較集中」。值得注意的是,真正能夠使發出來的光線集中成一束射出的半導體元件只有「雷射二極體(LD:Laser Diode)」,要讓光線集中成一束必須要有「共振腔(Cavity)」的結構才行。

圖二、發光二極體(LED)的工作原理

發光二極體的顏色

當我們對不同的化合物半導體材料施加電壓時,會使化合物半導體發出「不同顏色的光」,科學家們利用這種原理可以製作出不同顏色的發光元件,如<表一>所示,簡單說明如下:

➤磊晶法:是指成長化合物半導體的方法,「液相磊晶(LPE:Liquid Phase Epitaxy)」是使用加熱法使化合物半導體熔化為液體,再緩慢冷卻形成固體單晶結構;「有機金屬化學氣相沉積(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)」,是使用有機金屬氣體,直接噴在砷化鎵晶圓上形成單晶薄膜(磊晶)。

➤發光顏色:是指肉眼觀察發光二極體所放射出來的顏色,通常很接近中心波長的顏色。

➤碳化矽(SiC):發光顏色為「藍綠色」,由於早期並沒有可以放射出藍光的發光二極體,所以大多使用碳化矽(SiC)做為藍光二極體,但是碳化矽放射出來的顏色並不是真正的藍色,而且元件的壽命不長(亮度會逐漸變弱),而可以在戶外播放真實影像的電視牆必須使用紅、綠、藍三原色組合而成,早期的電視牆沒有藍色(因為沒有藍光的發光二極體),所以只能播放跑馬燈(顯示文字或簡單的圖形),而不能播放真實的影像。

➤氮化鎵(GaN):一直到 1995 年,日本日亞化學公司才發展出「氮化鎵(GaN)」發光二極體,可以放射出藍光,而且元件的壽命很長,但是氮化鎵磊晶和砷化鎵晶圓的原子大小相差很多(晶格不匹配),因此不能夠成長在「砷化鎵晶圓」上,必須成長在「藍寶石晶圓(氧化鋁單晶)」上。由於藍寶石晶圓價格很高,硬度又高不易加工,因此成本較高,再加上許多相關的專利都掌握在日本日亞化學公司手中,專利授權金造成藍光二極體的售價很高。

➤二六族「二元素」化合物半導體:包括硒化鎘(CdSe)、碲化鋅(ZnTe)、硫化鎘(CdS)、硒化鋅(ZnSe)、硒化硫(ZnS)等的發光二極體(單晶固體)由於元件的壽命不長,因此目前較少使用,但是這些材料與其他元素形成化合物的「多晶粉末」我們俗稱為「螢光粉」,目前廣泛地使用在傳統電子映像管顯示器、電漿顯示器、白光發光二極體等產品。除了二六族化合物半導體,科學家也陸續開發出許多不同成分的螢光粉,來增加發光亮度與使用壽命,螢光粉(多晶粉末)由於製作容易,成本很低。

表一、發光二極體的顏色

發光二極體的中心波長

「中心波長」是指發光二極體所放射出來的顏色相對的發光波長,由於不同顏色的光波長不同,所以發光二極體放射出不同的顏色就會有相對的發光波長。以「磷化鋁(AlP)」發光二極體為例,肉眼看到的顏色是「綠色」,但是其發光光譜如<圖三(a)>所示,由圖中可以看出,磷化鋁(AlP)發光二極體放射光的顏色由 0.45μm(藍綠色)~0.55μm(黃綠色)都有,所以並不是真正的綠色,而是許多波長混合起來的顏色,但是其中心波長 5.0μm(綠色)的光強度最高,所以肉眼看到的顏色是「綠色」,發光強度最強的波長稱為「中心波長」,換句話說,只要知道發光二極體放射光的中心波長,就知道肉眼看起來是什麼顏色了。

發光二極體放射出來的光譜具有一個波長範圍(0.45μm~0.55μm)的情形我們稱為「光不純」,真正可以放射出「光很純」的元件稱為「雷射(Laser)」,其發光光譜如<圖三(b)>所示,有看出兩個發光二極體與雷射所放射出來的光有什麼差別嗎?

圖三、發光二極體的中心波長

知識力》授權轉載

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