LED 人工光源簡介與相關原理

發光二極體（Light Emitting Diode, LED）是一種半導體元件，具備體積小、省電、

壽命長、波長固定、低發熱、不需使用玻璃、金屬汞或含有其它有毒氣體固態的人工 照明技術[35]。LED 的發光原理是由電轉換為光，過程中轉換的效率高，相對耗電量 少，所使用之二極體元件是一種極小型的發光源，可搭配各種小型化的應用設備裝 置，加上它是以直流驅動，可容易執行調變控制等高效率多方融合特性，而目前我們 最常見到的應用包含有，3C 電子產品顯示面板、家庭照明、手持電筒、交通號誌、

車輛燈、招牌看板以及路燈、裝飾燈等多種類應用。若以生活中常用的一般燈泡及燈 管作比較，LED 的燈泡使用壽命較一般燈泡高出 50 至 100 倍，以及日光燈管的 10 倍，而耗電量僅是一般燈泡的 20% 至 30% ，由於 LED 燈泡擁有多項的優點，是近 年來不斷的發揚崛起的原因，更因為生產良率也日益提高，其製造成本也相對降低，

而目前高亮度產品也仍在不斷地研發提升中，所以 LED 的應用需求和未來前景是無 可限量，可望在未來能完全取代鎢絲燈和水銀燈等傳統人工光源的使用，如此一來不 僅省電還兼具有環保概念的新照明光源設備[39][36]。

發光二極體 LED 是利用化學元素週期表中 IIIA、IV 及ⅤA 的元素群族化合物半 導體來製成的二極體[21][32]，其 IV 族元素包含碳（C）、矽（Si）、鍺（Ge）、砷（Sn）

及砷化鎵（GaAs）等，是屬於最穩定的一族，可形成穩定的晶體結構，但主要成分 碳結晶為鑽石的原料其價格過於昂貴，所以一般商業上的 LED 製作材料以採用 IV 族的矽晶（Si）材料居多，由於缺少自由電子，這樣的結構使電子不易在此種晶體內

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流動，所以，純矽晶的導電性極差是電的不良導體。若在純矽中加入微量的 IIIA 族 與 VA 族元素，就能改變矽的導電特性，前者是比 IV 族元素的原子軌道外層少一個 電子而後者則多一個電子的材料，其過程在 IV 族元素中藉由摻雜（Doping）的步驟，

加入 VA 族元素（如銻 Sb、砷 As、磷 P 等元素）混合形成之化合物便可以造成電流 即成為半導體，這種使用額外電子製作的半導體稱為「n 型半導體」。反之，如果添 加的是 IIIA 族元素（如硼 B、銦 In、鋁 Al、鎵 Ga 等元素），則原先應該有電子佔據 的軌道或位置稱為電洞，亦可造成電流的流動，而透過這種方式製作稱為「p 型半導 體」。整個材料過程就是由原先的電不良導體載入所需要混合物質後，轉化成可以導 電的半導體，而導電能力的大小則是與 IIIA 族及 VA 族元素的添加量相關，並可應用 電場來控制其導電性。其製作方式是將 n 型與 p 型兩種類型半導體接合並加入順向電 流，此時 p 型半導體區的電洞會往 n 型區移動，而 n 型區的額外電子會往 p 型區的電 洞移動，最後自由電子與電洞會在兩半導體的接面之空乏區復合，如圖 2.11 所示，

此時因為電子由傳導帶移轉至價電帶後喪失能階，以光子的模式釋放出能量而產生光 源，如圖 2.12 所示。而 LED 光子之能量是以散射光能的方式釋放屬於冷性發光體，

此種冷性發光特性與一般照明設備截然不同，譬如藉由加熱而發光的鎢絲燈泡，或藉 由放電而發光的水銀燈管等生活常見之照明設備[21][29][32][35][36]。

圖 2.11 p & n 半導體接面示意圖[29]

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圖 2.12 自由電子和電洞的產生與複合示意圖[21]

在上述的 LED 發光原理過程中，可以利用導入的電子數目多寡使光源產生變 化，同樣的，可利用電流流動率的大小來改變光量的強度，以及可利用其載體混合物 質的注入進行結合而釋放能量，產生順向電流使得二極體發光，因此釋放的能量則是 以光的形式放出，故稱之為發光二極體[36][32]。

另外，光源的顏色原理是當電子落下到達確定之空位時，即產生光源，而隨其能 量的間隙大小產生不同的波長，也就是我們肉眼所看到的色彩，此兩者的關係可以浦 朗克定律（Planck‟s law）來定義，這過程中光子所釋放的能量（ ）與光的關係如 下表示[21][36]〆

（2-1）

其中，Eg〆光子釋放的能量（ ）

ev〆單位電子伏特（ 伏特 ）

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h〆浦朗克常數（ ） C〆光的速度（ ）

λ〆波長（nm）

在學術上為了方便計算常以此公式方法表示〆

（2-2）

以相同的方式來計算 LED 所發射的光源波長方法表示〆

（2-3）

近幾年，隨著發光二極體 LED 的發展進步，光電科技技術已帶動了高亮度（Super Bright）紅光、藍光與遠紅光發光二極體的誕生[39]，目前其高亮度發光二極體應用 於生物產業之研究，有急遽發展的趨勢。LED 在應用上的主要考量為光量（Light Intensity）與光質（Light Quality）的調整，依據其材料的特性，可以發出紅色、綠色、

藍光（Red、Green、Blue, RGB）等光色，並將其混合成白光或彩色為肉眼可見真實 色[35]，並將 LED 所結合的半導體材料與發射的不同光線波長所展現的光譜，整理列 於以下表 2.4。

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表 2.4 LED 波段與光譜表[35]

LED 光譜顏色

可見光 不可見光

藍色 綠色 黃色 橙色 紅色 紅外線 光線波長

(單位:nm) 400~490nm 490~575nm 575~600nm 600~620nm 620~800nm 800~940nm

半導體材料 氮化鎵 (GaN)

磷化鎵 (GaP)

磷化砷鎵 (GaAsP)

磷化銦鎵鋁 (AlGaInP)

砷化鎵鋁 (AlGaAs)

鋁化鎵 (GaAs) 釋放能量(Eg)

(單位:ev) 3ev 2.34ev 2.12ev 2.03ev 2.9ev 1.42ev