发光二极管

发光二极管（英语：Light-emitting diode，缩写为LED）是一种能发光的半导体电子元件，透过三价与五价元素所组成的复合光源。此种电子元件早在1962年出现，早期只能够发出低光度的红光，被惠普买下专利后当作指示灯利用。及后发展出其他单色光的版本，时至今日，能够发出的光已经遍及可见光、红外线及紫外线，光度亦提高到相当高的程度。随着白光发光二极管的出现，用途已由初期的指示灯及显示板等指示用途，逐渐发展至近年的照明用途。发光二极管只能够往一个方向导通（通电），叫作正向偏置，当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光，这叫电致发光效应，而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体物料种类与故意掺入的元素杂质有关。具有效率高、寿命长、不易破损、反应速度快、可靠性高等传统光源不及的优点。白光LED的发光效率近年有所进步；每千流明成本，也因为大量的资金投入使价格下降，但成本仍远高于其他的传统照明。虽然如此，近年仍然越来越多被用在照明用途上。2014年凭借“发明高亮度蓝色发光二极管，带来了节能明亮的白色光源”，天野浩与赤崎勇、中村修二共同获得诺贝尔物理学奖。1961年，美国公司德州仪器的Robert Biard与Gary Pittman首次发现了砷化镓及其他半导体合金的红外放射作用。1962年，通用电气公司的尼克·何伦亚克开发出第一种可实际应用的可见光发光二极管。1993年，日本日亚化学工业（Nichia Corporation）工作的中村修二成功把镁掺入，造出了基于宽能隙半导体材料氮化镓和氮化铟镓（InGaN）、具有商业应用价值的蓝光发光二极管。中村修二于2014年因此工作与天野浩及赤崎勇得到诺贝尔物理学奖。部分评论认为，诺贝尔奖跳过了红色、绿色LED的发明者并不公平。但诺贝尔委员会（物理学奖）委员长Per Delsing（瑞典Chalmers University of Technology教授）在《读卖新闻》专访中提出反驳，他坚称“仔细研究发明的贡献度之后，有十足信心决定这3个人获奖”。有了蓝光发光二极管后，白光发光二极管也随即面世，之后LED便朝增加光度的方向发展，当时一般的LED工作功率都小于30至60mW（毫瓦）。1999年输入功率达1W（瓦）的发光二极管商品化。这些发光二极管都以特大的半导体芯片来处理高电能输入的问题，而半导体芯片都是被固定在金属片上，以助散热。2002年，在市场上开始有5W的发光二极管的出现，而其效率大约是每瓦18-22 lm（流明）。2003年9月，Cree, Inc.公司展示了其新款的蓝光发光二极管，在20mW下效率达35%。他们亦制造了一款达65 lm/W（流明每瓦）的白光发光二极管商品，这是当时市场上最亮的白光发光二极管。2005年他们展示了一款白光发光二极管原型，在350mW下，创下了每瓦70 lm的记录性效率。2009年2月，日本发光二极管厂商日亚化学工业发表了效率高达249 lm/W的发光二极管，此乃实验室数据。2010年2月，Philips Lumileds造一白色LED在受控的实验室环境内，以标准测试条件及以350mA电流推动下得出208lm/W，但由于该公司无透露当时的偏置电压，所以未能得知其功率。2012年4月，美国发光二极管大厂科锐（Cree）推出254 lm/W光效再度刷新功率。OLED的工作效率比起一般的发光二极管低得多，最高的都只是在10%左右。但OLED的生产成本低得多，例如可以用简单的印制方法将特大的OLED阵列安放在萤幕上，用以制造彩色显示幕。发光二极管是一种特殊的二极管。和普通的二极管一样，发光二极管由半导体芯片组成，这些半导体材料会预先透过注入或搀杂等工艺以产生p、n架构。与其它二极管一样，发光二极管中电流可以轻易地从p极（阳极）流向n极（阴极），而相反方向则不能。两种不同的载流子：空穴和电子在不同的电极电压作用下从电极流向p、n架构。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光子的模式释放出能量（光子也即是我们常称呼的光）。它所发射出的光的波长（颜色）是由组成p、n架构的半导体物料的禁带能量决定。由于硅和锗是间接带隙材料，在常温下，这些材料内电子与空穴的复合是非辐射跃迁，此类跃迁没有释出光子，而是把能量转化为热能，所以硅和锗二极管不能发光（在极低温的特定温度下则会发光，必须在特殊角度下才可发现，而该发光的亮度不明显）。发光二极管所用的材料都是直接带隙型的，因此能量会以光子形式释放，这些禁带能量对应着近红外线、可见光、或近紫外线波段的光能量。发展初期，采用砷化镓（GaAs）的发光二极管只能发射出红外线或红光。随着材料科学的进步，新研发成功的发光二极管能够发射出频率越来越高的光波。现今，已可制成各种颜色的发光二极管。二极管通常建构于N型衬底，在其表面沉积一层P型半导体，用电极连结在一起。P型衬底比较不常见，但也有被使用。很多商业发光二极管，特别是GaN/InGaN，也会使用蓝宝石衬底。大多数用来制成发光二极管的物质具有非常高的折射率。这意味着大部分光波会在物质与空气的接口会被反射回物质，因此，光波萃取对于发光二极管是很重要的论题，大量研究与发展都聚焦于这论题。以下是发光二极管的无机半导体原料及发光颜色：发光二极管本身是单色光源，而自然界的白光（阳光）的光谱则是包含各种颜色，所以LED不可能完全达到如自然光的效果。白光发光二极管是通過发出三源色的单色光（蓝、绿、红）或以萤光剂把发光二极管发出的单色光转化，使整体光谱含为含有三源色的光谱，刺激人眼感光细胞，使人有看见白光的感觉。结合蓝光发光二极管、红光发光二极管和绿光发光二极管便可做出白光发光二极管，这样产生的白光发光二极管有较广的色域，而且效率较其他方法高，不过成本相当高。近年生产技术的改进下，越来越多产品采用这方法。现在普及的白光发光二极管都采用单一发光单元发出波长较短的光，如蓝或紫外光，再用磷光剂把部分或全部光转化成一频谱含有绿、红光等波长较长的光。这种光波波长转化作用称为萤光，原理是短波长的光子（蓝、紫、紫外光）被萤光物质（如磷光剂）中的电子吸收后，电子被激发（跳）至较高能量、不稳定的激发状态，之后电子在返回原位时，一部分能量散失成热能，一部分以光子形式放出，由于放出的光子能量比之前的小，所以波长较长。由于转化过程中有部分能量化成热能，造成能量损耗，因此这类白光发光二极管的效率较低。发光单元有采用蓝光发光二极管的，也有采用紫外光发光二极管的。日亚化学工业开发并从1996年开始生产的白光发光二极管采用蓝光发光二极管作发光单元，波长450 nm至470 nm，磷光剂通常是掺杂了铈的钇-铝-镓（Ce3+:YAG，实际上单晶的掺铈（Ce）的YAG被视为闪烁器多于磷光体。）。发光二极管发出的部分蓝光由萤光剂转换成黄光为主的较宽光谱（光谱中心约为580nm），由于黄光能刺激人眼中的红光和绿光受主，加上原有剩余的蓝光刺激人眼中的蓝光受主，看起来就像白色光，而其所呈现的色泽常被称作“月光的白色”。若要调校淡黄色光的颜色，可以把掺杂在Ce3+:YAG中的铈（Ce）换作其他稀释金属，例如铽或钆，甚至可以以取代YAG中的部分或全部铝的模式做到。而基于其光谱的特性，红色和绿色的物体在这种发光二极管照射下看起来会不及宽频谱光源照射时那么鲜明。另外由于生产工艺的波动，这种发光二极管的成品的色温并不统一，从暖的黄色到冷的蓝色都有，所以在生产过程中会以其出来的特性作出区分。而这种发光二极管的结构是把蓝光发光二极管封进混入了磷光剂的环氧树脂中而造成，但也有较复杂的方法，由Philips Lumileds取得专利的方法便是把磷光剂涂在发光二极管上，值由控制磷光剂的厚度增加效率。另一种白光发光二极管的发光原理跟萤光灯是一样的。发光单元是紫外光发光二极管，外面包着两种磷光剂混合物，一种是发红光和蓝光的铕，另一种磷光剂是发绿光的铜和铝掺杂了硫化锌。内里的紫外光发光二极管发出的紫外光被外层的磷光剂转换成红、蓝、绿三色光，混合后就成了白光。但由于紫外线会使黏合剂中的环氧树脂劣化变质，所以生产难度较高，而寿命亦较短。与第一种方法比较，因为斯托克司频移（Stokes Shift）前者较大，光波在转化过程中有较多被化成热能，因此效率较低，但好处是光谱的特性较佳，产生的光比较好看。而由于紫外光的发光二极管功率较高，所以其效率虽比较第一种方法低，但出来的亮度却相若。最新一种制造白光发光二极管的方法没再用上磷光体。新的做法是在硒化锌衬底上生长硒化锌的外延层。通电时其活跃地带会发出蓝光而衬底会发黄光，混合起来便是白色光。近期开发出来的发光二极管颜色包括粉红色和紫色，都是在蓝光发光二极管上覆盖上一至两层的磷光体造成。粉红色发光二极管用的第一层磷光体能发黄光，而第二层则发出橙色或红色光。而紫色发光二极管用的磷光体发橙色光。另外一些粉红色发光二极管的制造方法则存在一定的问题，例如有些粉红色发光二极管是在蓝光发光二极管涂上萤光漆或指甲油，但它们有可能会剥落；而有些则用上白光发光二极管加上粉红色磷光体或染料，可是在短时间内颜色会褪去。价钱方面，紫外线、蓝色、纯绿色、白色、粉红色和紫色LED是较红色、橙色、绿色、黄色、红外线发光二极管贵的，所以前者在商业用途上比较逊色。发光二极管是封装在塑胶透镜内的，比使用玻璃的灯泡或日光灯更坚固。而有时这些外层封装会被上色，但这只是为了装饰或增加对比度，实质上并不能改变发光二极管发光的颜色。有机发光二极管OLED。其发光原理跟发光二极管一样，不同之处是其发光物半导体是有机化合物（有机半导体），例如有机聚合物等。OLED工艺简单，成本较低，可以用印刷等廉价生产方法制造，其优点包括：这些特性都是一般二极管所不及的。因此OLED可以造出大面积的照明灯俱，软身、透明的显示器。现在OLED大多数使用于显示器上，不同颜色的OLED有不同寿命，衰退程度也不同（蓝色OLED的寿命最短），因此作为全彩色显视器时，色温会随使用时间而变；较常用的像点会较其他像点衰退得较快而使得光暗不均。水分、湿气等会对OLED造成破坏，因此对封装的防水性也有要求。LED与没有极性的白炽灯不同，只能在正向电流流过时才能发光，当接上正向电压时会有较大的电流流过，称之为正向偏置。若接上反向电压，电流会相当细（微安—μA级），称为反向偏置，并且不发光。所以当LED接上交流电压时，只有正向电压能使它被点亮，这会导致LED以该交流电的频率闪烁，要注意LED能承受的反向电压比一般二极管低，反向电压过高会使LED永久损坏。不论是插入式封装还是贴片封装LED都可以从外观上判断其极向：（SMD）也有其他测试方法可以测知LED极性，厂方的资料也会有说明。若把极性倒置，而电压超出其击穿电压时，电流会突然急剧增加，LED便有机会永久损坏。不过若能控制电流在安全值内，反向导通的LED是有用的噪声产生二极管。LED的偏置与正向电流成对数相关，若以固定电压源推动的话，电源电压的轻微差异、LED偏置因生产工艺的离散性，都会使电流有较大的变化，由于LED的光度与电流有较直接关系，电流变化会导致LED的亮度偏离想定值，电流若超出安全值的话会因功耗过大而使LED永久损坏（二极管的整个工作区电压基本不变，功耗大致与电流成正比）。因此，应用时应使LED工作在固定的电流，这样才可达至预期的亮度，及确保LED不会因电流过大、功耗超出负荷而损坏。因此，在推动LED时有下列事项要注意：要知道什么的电流值才可以达到预期的光度，可以参考生产商资料提供有关电流与光度关系的资料。要控制LED的亮度，又想提升效率、减少耗电，却不想使用价格较高的开关式电源的话，可以使用脉冲宽度调制（Pulse width modulation - PWM）推动LED，通过控制不停重复的每一个时段内导通时间与关闭时间的比例，也就是占空比，可以改变流经LED的平均电流，从而控制LED的光度，由于控元件没有半导通的状态，控制元件内的电压降相当少，因而效率较高，只要闪烁频率高于人眼的视觉暂留，LED看起来就象连续发光一样。白色LED使用脉冲宽度调制控制LED光度的方法有另一好处，白色LED的色温随电流强弱而转变，在脉冲宽度调制控制下，导通电流在不同光度下都不变，因此可以在不同光度保持色温不变，这在视频播放设备中，应用LED作背光的情况特别重要。许多LED额定的反向击穿电压值一般比较低，因此加上几伏特的反向电压就可能损坏。如果需要以超过反向击穿电压的交流电供电的话，可以用反并联一个二极管（或另一个LED）的方法进行保护。有的LED在出厂时内部就已经集成了串连电阻。这样可以节省印刷线路板的空间，然而由于串连电阻值在出厂时就已经确定，使得LED的一种主要的集成设置方法无法应用。双色LED单元包含两个二极管，极性相反（即两个二极管是反并联的），颜色不同（典型是红色和绿色），可以显示两种颜色，或者透过调整两个二极管导通时间的比例来实现各种混合颜色。另一些LED单元里的两个或多个不同颜色的二极管是共阳极或共阴极架构，这样无须改变极性就可以产生多种颜色的光。最常见的发光二极管（和镭射二极管）的失效是逐渐降低光输出和效率损失。然而，瞬间的失效也是有可能会发生。晶核成长过程中的差排可能导致光辐射在差排的结合形成使得活性区域衰减的机制；意味着晶格中有存在缺陷，并可以经由热、高的电流密度及光的放射来加速其发生。砷化镓及砷化铝镓相较于砷磷化镓、砷磷化铟镓及磷化铟是比较容易受这个机制所影响，基于活性区域的不同性质，氮化镓及氮化铟镓则对这类的缺陷更为敏感，不管怎样，高的电流密度可以导致原子的迁移电子跳离活性区域引出差排和点缺陷，看起来像是非光辐射的结合来产生热而非光，电离辐射同样的也会造成这样的缺陷，使得LED存在辐射电路局限的问题（例如在光绝缘体中），早期的红光因而有显著的短寿命情况。白光LED通常使用一或多种的萤光粉，萤光粉会受到热跟寿命的影响而衰减并降低效率，导致产出的光色改变。高的电子流在高的温度下会使得金属原子从电极扩散至活性区域，有些材料，尤其是氧化铟锡和银就容易有电子迁移的情形；有些状况，尤其是GaN/InGaN的二极管，阻挡层金属被使用来阻碍电子的迁移，机械的应力、高的电流和腐蚀性的环境可能会使得细小的连结发生导致短路的情形。高功率LED对电流的拥挤敏感，不均匀的电流密度分布在接合点（junction）上，可能会产生局部的热点，存在热烧毁的风险，衬底的不均匀导致热传导损失，使得问题变得更严重，常见的是来自于焊接材料的孔洞或是电子迁移效应和Kirkendall空洞，热烧毁是LED常见的失效。当光的输出超出了临界水准而导致琢面（facet）烧熔时，激光二极管可能会有激烈的光学损坏。有些塑胶封装的材质会因为热的缘故而变黄，导致局部波长的光被吸收而影响波长。突然间的失效常常是因为热应力所致，当环氧树脂的封装达到玻璃转移温度时，树脂会很快速的膨胀，在半导体和焊点接触的位置产生机械应力来弱化或扯断它，而在非常低的温度时则会让封装产生裂痕。静电的放电也可能产生半导体接合点（junction）立即的失效，特性的永久漂移及潜在的损坏都会导致衰减的速率增加，接合在蓝宝石衬底上的发光二极管及激光，对ESD的损害更为敏感。发光二极管所需推动电压及功率低，方便由运作电压低的微处理器控制及在以电池作电源的设备上使用，所以常被用在各种电子产品、设备的状态指示灯。在消费性电子产品，手提嵌入式电子设备，家庭电器、玩具、各种仪器…等用途上作为工作状态显示灯。单一发光二极管常被用作状态显示（例如电源状况），也有制成七劃管的LED组用作显示数字，而通常会在右下方加上“‧”、“，”，以显示小数点等。在多年前，当显示器技术并不发达时，有些发光二极管组能有14划，可以显示26个英文字母，但当微电子等显示技术成熟后，这种发光二极管组已极小被采用。早在只有黑白LCD的年代（当时并未有蓝及白色LED），各种单色LED便被采用作黑白LCD的背光光源，例如传呼机，而当彩色LCD出现后多时，工程界还未能制作出白色LED，所以只好采用电致发光片，简称EL片作背光。而在白色LED出现后，这些产品随即转用LED作背光。与EL片相比，白色LED较省电，这对电池供电的产品特别重要，除此之外，白色LED免去EL片所需的高压电源，大大减低了电磁干扰。但由于白色LED需要一定空间作导光之用，体积会比EL片略厚，尽管如此，手提电话、电子手帐、较细的手提电脑续渐使用LED作背光。但由于LED在高光度时效率变差，不只耗电，更有过热问题，所以当白色LED问世后数年，LCD电脑萤幕及LCD电视机仍然采用冷阴极萤光灯作为背光，近年LED在高光度下的效率不断改进，使得亮度足以应用在LCD电脑萤幕及LCD电视机的背光。相比之前的CCFL，LED省却了CCFL所需的高压电源，除大幅减低了电磁干扰外，由于省却了电压转换，在使用电池作电源的产品上也省却了电压转换时的功率损耗，而LED的工作寿命，颜色的稳定性也比CCFL好得多。使用LED作背光的LCD显示器常被生产商叫作LED显示器或LED电视机等，原因可能是为了强调新产品与旧产品有所不同，但其实这些显示器的影像仍是以LCD产生，LED只是当作光源，在技术上仍是LCD显示器，或叫LED背光液晶显示电视等。有些高档产品使用三原色LED构成的白色LED作背光，有比CCFL更广的色域。而加上依随所显示的影像所需而动态地控制LED的光度可以大大增加LCD显示器的对比度，起初只有成本较高的直下式LED背光使用动态控制技术，渐渐地侧照式LED背光也发展出类似功能。市面上现存普及的LED背光液晶显示电视的LED只用作背光光源，严格上并不是LED显示器，细小高分辨率的视讯LED显示器现都采用OLED，OLED具有自发光性、广视角、高对比、低耗电、高反应速率等优点，OLED显示器因为不需背光源，所以可以比LCD显示器造得更薄，但OLED显示器的寿命只有LCD显示器的1/4，日本Toshiba跟Panasonic近年有新技术使OLED的寿命加倍。OLED显示器依驱动方式的不同又可分为被动式（Passive Matrix，PMOLED）与有源式（active matrix，AMOLED）。PMOLED的推动电流直接由透明电极传到OLED，因为导电电极的电阻关系，尺寸不可以造得大，否则会有光暗不均的情况。而且有串扰的问题。AMOLED与薄膜晶体管液晶显示器原理一样，在显示器上造出三极官控制OLED的开关。所以解决了PMOLED的问题，现在大部分的OLED显示器都是采用AMOLED，他们大多被使用在智能手机中。大型的LED显示器已普及于户外户内，户外LED显示器对分辨率要求较低，但需要较高的亮度，多采用分立单色的LED组成。户内的由于距离观赏者较近，所以要求较高的分辨率，所以采用SMD LED元件。由于发光二极管灯被称为固态照明。传统照明灯俱如萤光灯、白炽灯及卤素灯都有装载气体的脆弱玻璃管，因而都不及全固态的LED坚固耐用。现有单一大功率发光二极管一般有1W、3W、5W等，由于发光二极管在增加光度时，效率会下降，所以有些LED灯使用多个白光LED组合成一簇构成一个光源，以增加效率；同样的原因，在照明方面只用在对光度要求低的地方，以保持其较佳效率（省电）的特性，这些用途包括：以往手电筒都以白炽灯或卤素灯作光源，而萤光灯由于体积大及需要高压电源，不适合用于体积、重量小、以及以电池作为电源的手电筒。自白色LED面世后，坚固耐用得多的特性使其被广泛使用于小型手电筒。但由于在高光度下LED的性能仍有所不及，所以LED还未应用于较大功率手电筒上。要LED工作在理想状态，其电流必控制在一定数值，低档LED手电筒只用电阻限制电流，比较耗电，光度也会随电池电压下降而变暗。高档次的LED手电筒会用电子线路产生恒流源，精确控制LED的电流，即使电池电压下降，LED的电流也保持固定。这类设计较为省电。一些使用电池电压比白色LED在正常工作电流下的电压（约3V）低的电筒，会用直流-直流转换（DC/DC）的电子线路把电压升至足以推动LED。但不是所有采用直流/直流转换线路的手电筒都都以恒流源控制LED电流。由于后备紧急照明系统多用电池作电源，采用LED可以降低耗电。现今的移动电话常备有摄影功能，故需要闪光灯，但一般相机使用的闪光灯虽然光度比LED高很多，但体积大及较耗电，不适合用于移动电话中；反而移动电话的对光度要求低，白光LED的光度以足作闪光灯，加上不需要高电压驱动，故能做为体积和成本都很小的完整闪光灯解决方案。除此之外，这些LED还能当成手电筒或棚灯（movie light）使用。目前LED已经开始应用于道路照明及室内灯具。当前市面上的荧光灯（包括紧凑型荧光灯）效率平均为50 lm/W，而LED效率平均超过80 lm/W。红外线LED常被用作红外线光源，配合CCD用作保安用的夜视镜头。由于LED开关速度快，有利资料快速传输及减少延迟，加上推动简单，所以常用于各种设备中作资料、信号传送及感知用途。红外线LED轻巧、省电、价廉、可靠耐用，被广泛使用在电子、电器产品的红外线摇控器中，以红外线传递指令。近年也有遥控玩具使用同样的方式控制玩具，相比无线电，红外线遥控在视线外时会"失控"，但价廉，光学的红外线接收大为减低重量及耗电量，对非常小型遥控的飞行玩具如遥控直升机这类电量与动力都细小的情况特别有利。有别于电子、电器产品的红外线遥控，遥控玩具的红外线发射要用上多枚红外线LED以增大可接收的角度。红外线LED被使用在IrDA红外线资料传输，虽然相对省电、价廉，但需要互相对准在视线内及资料传输速度应付不了需要下，已少有设备使用。例如影音产品的数字音乐光纤传送系统中，LED被用作把数字化的音讯发送，但由于成本问题，所使用的光纤品质不高，高级影音玩家（俗称发烧友），认为光纤传送的效果不及同轴电缆。被广范使用的光电耦合元件是一种以光信号把讯息由在两个电气完全隔离的电路之间传递，其包含了两部分，一是光源，而另一是感光体，光源部分就是使用LED。应用例子有：把交流市电转换成低压直流的交换式电源供应器，低压输出端必需与较高压的输入端在电气上完全隔离，以确保安全，这类情况便要用光电耦合以光信号形式让信号能在两端间传递。同样的情况也发生的医疗仪器上，在人体测得的信号利用光电耦合把信号传至以市电供电的部分，确保与人体接触的传感器跟市电部分在电气上完全隔离以达至安全需要。可见光发光二极管与光检测器都是使用能隙落在可见光波段的PN结，因此具有许多相同的物理特性，而将发光二极管应用在光检测上，是早已被熟知的技艺，但直到最近，被称为双向发光二极管阵列方被提出，并应用在触控面板上的接触传感（touch-sensing）。2003年，Dietz、Yerazunis与Leigh发表的论文中，叙述了如何把发光二极管应用为便宜的检测元件。在此应用中，阵列中各个发光二极管被快速地被点亮、熄灭。发光二极管点亮后，发射光照射到操作者的手指或图案，其反射光再经由熄灭状态的发光二极管所检测，并在反向偏置下操作的发光二极管上，感应出电压，接着透过微处理器读出该感应电压的大小，Jeff Han的网站中提供影片展示该发光二极管阵列检测器之操作状况。LED洗墙灯