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二極管之 LED燈的認識
時間:[2012-08-05 22:11:07]   作者:許良瑋。盧冠豪。王學文。指導老師:程錦霞    來源:

二極管之LED燈的認識


二極管之-LED燈-的認識
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目錄:
前言……………………………………………………………………………………2
1‧探討項目
正文
1‧LED燈發展源由…………………………………………….………………………3
2‧半導體二極體的原理、特性與結構
半導體二極體的原理………………………………………………..………………..3
半導體二極體的特性………………………………………………..………………..4
半導體二極體結構…………………………………………………………………..5
3‧LED燈發光原理………………………………………………………...…………5
4‧LED燈優點、缺點…………………………………………………..……………..7
5‧LED燈應用……………………………………………………………..…………7
注記………………………………………………………………………………….8
參考資料………………………………………………………………………………8


二極管之-LED燈-的認識
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一●前言
LED 燈,起發動機是每日放學會經過的紅綠燈和它身旁那一閃一閃得小綠人倒數
計時器,LED 燈市一種耗電量低、應用廣泛的二極體產品,深入了解LED 燈的
結構、應用與日後發展。
探討項目:
1. 二極體的原理、特性與結構
2. LED 燈發光原理
3. LED 燈優點、缺點
4. LED 燈應用

二極管之LED燈的認識
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貳●正文
一‧LED 燈發展源由
發光二極體 (Light Emitting Diode, LED)1950 年於實驗室中發展出來,1968 年由
HP進行商業化量產,早期LED燈隻有單調暗紅色的電子指示燈產品,不過1992
年由在Nichia工作日本學者中村修二(Shuji Nakamura)<注一> 突破藍光LED
技術障礙後,色彩逐漸的豐富了起來,亮度也逐漸提升,並以顯示器(Display) 、
表麵黏著型(SMD) 等各種封裝型態深入生活中各個層麵。
二‧半導體二極體的原理、特性與結構
01‧半導體二極體的原理
A‧以元素週期表來看,IA族的元素〈元素週期表最左側〉是在「填滿」的電子
軌域<注二>外放上一個電子,此電子受原子核的束縛力很小,所以很容易形成
+1價的離子,也就是說,該組的元素是高導電體。再向右看,IIA 族元素、IIIA
族元素因外圍的電子和原子核內的正電荷逐漸增加,所對電子的吸引力也漸漸增
加,此作用讓原子漸漸呈現安定的狀態,直到最右側的第八族元素〈為最安定的
鈍氣〉,而所謂的半導體遍是介於IA〈超高導體〉~八族〈非導體〉的三、四、五族的元素。

其中以IV A 族的「矽」和「鍺」為最典型的半導體材料,而由於矽有取得方便和易形成氧化膜的
特性,所以目前的半導體工業以矽為主要原料。
 

C‧科學家認為,A 族的矽原子是以「SP3」的結構鍵結的,這種結構方式使得矽原子猶如最外圍
有八個電子般的穩定(八嵎體法則),因IIIA 族的元素最外圍有三個電子,若要形成最穩定
的八個電子,勢必要與別人共用另外五個電子〈3+5=8〉,但是若將IIIA 族的元素添

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加入矽原子中(3+4=7),此化合物將會形成一個空的電子空間,科學家將
此命為「電洞」,此種化合物則為P型半導體,扮演受體的角色。換句話說,將
IV A族的元素添入矽原子之中會因為5+4=9而多出一個電子,此種化合物
為N型半導體,扮演施體的角色。
D‧PN結(PN接麵)二極體是N 型半導體和P 型半導體互相結合所完成的。在
PN結(PN接麵)區彼此的電子和電動會互相抵銷,造成主要載流子不足,形成
空乏層,在空乏區內N型側帶正電,P型側帶負電,因此內部會產生一個靜電場,
空乏層的兩端存在電位差。但是若讓兩端的載流子再結合的話,兩端電壓差則會
變成零。
將一正電壓接到P型半導體,負電壓接到N型半導體,此種P型接正電壓,N型
接負電壓的電路接法,稱為順向偏壓。此時負電壓端的所有能階皆會往上提升,
因而破壞原先的平衡狀態,且電子在導電帶中向左流動時所遇到的能障也降低,
因而非常容易流通,在電路中形成「導通」狀態,電流也因此急速上升。
在一適當的順向偏壓下,電子、電洞由乾電池分別注入N、P兩端後,便會在P
/N界麵區域結合而發光,即電子由高能量狀況掉回低能量狀態與電洞結合,將
能量以光的形式釋放出來。


02‧半導體二極體的特性
A‧二極體具有陰極(cathode)與陽極(anode)的構造,並有電流隻能從陽及流向陰
極,而電流無法從陰極流向陽極的特性,也就是說,二極體具有整流作用。半導
體二極體是由P型和N 型半導體所組成的,P 型側為陽極,N 型側為陰極,半導
體二極體藉由P型和N 型半導體所結合的PN 結效應,而產生整流效應。


B‧正向偏壓(forward bias)時的PN 結二極體
在二極體的陽極施向正電壓,在負極施向負電壓,這樣就稱為正向偏置,所加電
壓為正向偏壓。N 型半導體被注入電子,P型半導體被注入電洞,如此一來讓多
數的載電子過剩,空乏層<注三>將會變小或是消滅,正負載子在PN接合處附
近結合併消滅。從整體來看,電子是從陰極流向陽極。在此區域,電流會隨著偏
壓得增加而急遽增加。隨著電子與電洞的結合和分離,這兩者所帶的能量將由光
或熱的行式放出。可讓正向電流通過的必要電壓稱為開啟電壓。

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C‧反向偏壓(reverse bias) 時的PN 結二極體
在二極體的陽極施向負電壓,在負極施向正電壓,這樣就稱為負向偏置,所加電
壓為逆向偏壓。N 型半導體被注入電洞,P型半導體被注入電子,如此一來讓多
數的載電子不足,空乏層將會變大,因此內部的靜電場<注四>也更強,擴散電
位也會跟著變大。這個擴散電位將會跟外不施加的電壓互相抵銷,讓反向電流更
加難以通過。


實際的元件雖然處於反向偏壓狀態,但也有微小的反向電流(漏電流、漂移電流)
通過。當反向電壓持續增加時,還會發生「隧道擊穿」或「雪崩擊穿」或「崩潰」,
發生急遽電流的增加。開始產生這種擊穿現象(反向)電壓稱為「擊穿電壓」或
「崩潰電壓」。超過擊穿電壓以後反向電流急遽增加的區域稱為「擊穿區」(崩
潰區)。在擊穿區內,電流在較大範圍內變化而二擊體反向壓降變化較小。「穩
壓二極體」便是利用此種特性製程的。


03‧半導體二極體結構
金屬的三族元素和非金屬的五族元素,其外圍軌道的電子數分別是3和5,將此二
族元素以 1:1 的方式化合,應該也有機會以「SP3」結構的方式結合(鎵-砷
鍵結3 + 5 = 8),而成為「化合物半導體」。砷化鎵、磷化鎵等便是典型的三族、
五族化合物半導體。
化合物半導體有一特色,以三族、五族化合物半導體為例,隻要符合「三族總原
子數:五族總原子數= 1:1」之原則,可以取兩種以上的三族元素和兩種以上
的五族元素化合成複雜的化合物半導體。


三‧LED 燈發光原理
LED 燈為一種發光二極體(Light Emitting Diode, LED),多數以IIIA(鋁Al、鎵Ga、
銦In等)與V(氮N、磷P、砷As等)元素化合而成的,這與IC 半導體所用的矽(Si)
元素有所差別。
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,電子與電洞相結合時,剩餘能量便以光的形式釋放,依其使用
的材料的不同,其能階高低使光子能量產生不同波長的光。
下列圖表為其顏色所對應的資料

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單色
顏色λ波長(nm) 正向偏壓(V) 半導體物質符號紅外線>760 < 1.9

砷化鎵
鋁砷化鎵GaAs
AlGaAs紅760至610
1.63-2.03
鋁砷化鎵
砷化鎵磷化物
磷化銦鎵鋁
磷化鎵(摻雜氧化
鋅)AlGaAs
GaAsP
AlGaInP
GaP:ZnO
橙610至590
2.03-2.10
砷化鎵磷化物
磷化銦鎵鋁
磷化鎵(摻雜?)
GaAsP
AlGaInP
GaP:?
黃590至570
2.10-2.18
砷化鎵磷化物
磷化銦鎵鋁
磷化鎵(摻雜氮)
GaAsP
AlGaInP
GaP:N
綠570至500
2.18-4
銦氮化鎵/氮化鎵
磷化鎵
磷化銦鎵鋁
鋁磷化鎵
InGaN/GaN
GaP
AlGaInP
AlGaP
藍500至450
2.48-3.7
硒化鋅
銦氮化鎵
碳化矽
矽(研發中)
ZnSe
InGaN
SiC
Si(研發中)
紫violet450至380
2.76-4 銦氮化鎵InGaN

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紫外線<380 3.1-4.4
碳(鑽石)
氮化鋁
鋁鎵氮化物
氮化鋁鎵銦
C(diamond)
AlN
AlGaN
AlGaInN


四‧LED 燈優點、缺點
01.優點
A.亮度高、顏色純,可做為交通號誌燈使用
B.壽命長,可連續使用45000 小時以上,比傳統鎢絲燈泡壽命高上5~10被
C.耗電量小,是為較環保的燈泡
D.發出的光為冷光,燈泡溫度較低,較不易損壞
E.反應速度快
F.高耐震、不易碎
02.缺點
A.研發成本高
B.目前價格較昂貴
C.容易受周圍環境而損壞,如濕度或溫度
D.較不普遍
03.總合上述優、缺點,LED 燈為一種高價格但可以使用較長久的燈泡,與傳統
的鎢絲燈泡相比較,是較為環保。因為LED 燈是近年來所發展出來的工業,所
以會有發光效率的問題,但因為他有低耗電的優勢,若將低效率的問題改善後,
相信市場上會普及化。


五‧LED 燈應用
01. 交通設施
如十分普遍的紅綠燈
02. 資訊硬體
廣告用資訊看板、光學滑鼠、遙控器等
03. 照明設備
LED 台燈、LED天花燈、LED夜燈、LED燈泡、腳踏車前燈等
04. 美化造景設備
LED 地板燈、LED花園燈、LED 水底燈、LED聖誕燈等
05. 警示用具

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s=+1
2
-1
2
腳踏車警示燈、大型車側邊警示燈、施工警示燈等
參‧注記
<注一>
中村修二(Shuji Nakamura)教授是藍光LED的主要推手,於1990年就任於日亞
化學工業,以生產藍寶石(Sapphire)基板為主要基板材料來製造藍光。
<注二>
電子軌域是指電子在原子核所出現的機率,若要完全的描述一個電子的運動,則
需四個量子數(n、l、m、s)。主量子數(n)的n=1、2、3、.....∞,n 越大,表示離原
子核越遠、能階越大、軌域大小越大,而每個n中有n2 個不同軌域,最高可容
納2n2 個電子。角動量子數(l)的l=0、1、2、3....(n-1),其代表電子在軌域中的不
同形狀(0=球型1=啞鈴形2=雙啞鈴形3=複雜)。磁量子數(m)的m=0、±1、±2、
±3......±l (共2l+1個不同方向的軌域),其代表電子在軌域中的不同方向和數目。
自旋量子數(s)的,其代表電子在軌域中的填入兩個不同字轉方向的電
子。
打個比方,想像原子是一顆金沙巧克力糖,原子核是中間的核仁,主量子數是一
層又一層的巧克力所包覆這核仁,角動量子數則是形容這一層又一層巧克力所不
同的形狀(因為上頭有杏仁角包覆著),磁量子數表示著杏仁角擺放的不同方向,
而自旋量子數就是在杏仁角之中不同方向的”電子”。
<注三>
空乏層是一個既沒有電洞也沒有自由電子的區域,相當於是高電阻區域
<注四>
靜電場為靜止電荷所建立的電場
 




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