發光二極體(LED)簡述

發光二極體（ Light Emitting Diode； LED）[6] 是由半導體材料所製成之發光 元件，元件具有兩個電極端子，在端子間施加電壓，通入極小的電流，經由電子與 電洞之結合可將剩餘能量以光的形式激發釋出，此即LED 之基本發光原理，如圖 2.1所示。

不同於一般白熾燈泡，發光二極體係屬冷發光，具有耗電量低、元件壽命長、

無須暖燈時間、反應速度快等優點，再加上其體積小、耐震動、適合量產， 容易 配合應用上的需求製成極小或陣列式的元件， 目前LED 已普遍使用於資訊、通訊 及消費性電子產品的指示器與顯示裝置上， 成為日常生活中不可或缺的重要元件。

圖 2.1 LED 基本發光原理

發光二極體依發光波長分為可見光發光二極體(波長45 0 ~ 6 8 0 n m)與不可見 光發光二極體(波長8 50 ~1 5 5 0 n m)兩大類。若以其使用的磊晶層材料可進一步分 為二元化合物(如GaAs、GaSb、GaN 等)、三元化合物( 如AlxGa1-xAs 、AlxGa1-xP 、 In1-xGaxAs 等) 、四元化合物( 如AlInGaP、InAlGaAs、AlxGa1-xAsyP1-y 等)及GaN 系化合物四大類。

以亮度區分，發光二極體可分為高亮度發光二極體及一般亮度發光二極體兩大 類。不過由於發光二極體具有指向性，各廠商衡量標準也不一，直接衡量發光二極 體光度並無法正確區分出高亮度發光二極體及一般亮度發光二極體。再加上發光二 極體發光亮度、發光效率與磊晶層材料直接相關，因此以使用磊晶層材料種類作為 區分高亮度發光二極體的標準， 高亮度發光二極體是指以四元化合物及GaN 系化 合物所製成的發光二極體， 一般亮度發光二極體是指以GaN 系以外

二元化合物及三元化合物所製成的發光二極體，圖 2.2為LED發光效率演進。

一般照明市場所使用的光源型態主要有白熾燈泡、螢光燈、鹵素燈、HID 燈等 產品，近年來高亮度發光二極體在發光效率與成本上有大幅度的改進，使其相較於

資料來源： Lumileds(2002)

圖 2.2 LED 發光效率演進

常用白熾燈泡，具有省能、體積小與光指向性高等優點， 詳如表 2-1。

由於本文主要利用LED來取代CCFL，因此也單獨比較LED 與CCFL 之優劣勢 [7]:

z LED 與CCFL 之優勢分析 (1) LED 具備無汞，符合環保需求

LED 屬半導體發光，製程與發光過程不需使用汞等有害物質，因此LED 應用 於中大型顯示器背光源將具有環保(無汞)之優勢。2006 年中歐盟雖然將含汞的 CCFL(冷陰極管)之相關產品排除在外，但在LED 的技術提升下，預期歐盟下一波 2010 年之環保規定將有可能全面禁止CCFL 之產品進口。

(2) 體積小，耐壓耐震

LED 屬半導體發光，如氮化物藍光LED 目前晶粒最小尺寸可到8mil(0.8mm)，

甚至到瓦級的產品其尺寸規格也大約只有40mil，封裝後其最大尺寸規格也在1 公分 以內，因此體積原比目前的CCFL 要小，並且LED固體封裝後，產品比CCFL 更具耐 壓與耐震。

(3) 壽命長，可達100，000 小時以上

LED 目前理論上之產品壽命約10 萬小時，較目前CCFL 產品的壽命5 萬小時增 加一倍，並且LED 固體封裝後，產品比CCFL 更具耐壓與耐震。不過，LED 的使用

表2-1 發光二極體與其他光源特性比較

資料來源： 工研院IEK(2003)

環境溫度若高於80 度會減低使用壽命，並且因LED 有正負極性分別，如果正負極 接錯點亮可能會造成LED直接燒毀。

(4) 低電壓，不需使用轉換器(inverter)

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。目前一般 的LED 其驅動電壓範圍在1.4V~3.6V 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。LED 使用電壓過高時，LED 會產生崩潰電流造成二極體雪崩

z LED 與CCFL 之劣勢分析 度達100℃，若散熱問題為妥善處理，會造成LED 波長的飄移及LED 壽命的大幅縮。

過去LCD 背光模組為達到更好的熱管理，整體背光模組須透過風扇、散熱片、導 熱元件、強制冷等散熱系統，來降低整體背光模組的熱度。不過，隨著LED 的效 能提升，以05 年橫濱展中廠商所推出的32吋產品，其消耗功率已經降低至

140~150W，與目前的CCFL 產品所消耗的功率相當接近，LED 的散熱問題大致已經 可以改善。

(4) 單價成本較高

雖然採用LED 的背光模組具備許多優點，可是距離普及化仍有一段距離，主 要原因是LED 背光模組的成本居高不下，例如目前32 吋的液晶電視用LED 背光模 組，若使用RGB 白光LED 時，推估2005 年底整組LED背光模組的製作成本仍為傳 統冷陰極背光模組的3~4 倍，而其中LED 光源的成本更是冷陰極光源的10 倍，使 LED 背光模組的應用無法擴大。以目前LED的售價來看，在32”面板的設計當中，

如果要達到相同的亮度，大約需要200~400 顆高功率LED，以1 顆1.5 美元計算，成 本約300~600 美元。而若使用CCFL 約12 根，每根約1.5 美元，加計Inverter 每根1.3 美

元共12根，則成本約30 美元。因此以LED 做為背光源，成本仍然太高。

(5) 輝度衰減及壽命之均齊度較CCFL 差

LED 螢光粉衰減的速度較快，因此畫面顏色經過時間之後，可能會和原先設 定顏色不同，影響畫面品質。

(6) 色度會隨電流大小之不同而做變化

由於LED 具有螢光粉衰減的問題，而且不同的LED 具有不同的衰減速度，因此 在設計上必須有相對應的考量。如下圖2.3所示，背光模組中將存在光線的感應系 統，將LED 所發出的RGB 顏色加以分析。通常產品在出廠時，RGB 混合而成的白 光應該是最佳的狀態，但使用時間一久，不同的LED 在螢光粉衰減後，所發出的 光線可能會偏離原先設定的標準，因此當時LED 的狀態已經無法組成一個較好的 白光。此時背光模組中的感應系統會將這個訊號回傳到驅動LED 的電流系統，增 加或減少相關LED 的電流強度，以混合出最佳的白光，如此便形成一個動態調整 的背光系統。

圖2.3 LED 背光系統