發　光　二　極　體 Light-emitting diode(LED)

發　光　二　極　體Light-emitting diode(LED) 　　指導：陳美利　教授　　組　員：光電三甲 499L0031徐易翔、499L0043余振德、 499L0056徐福宗、499L0062蕭亦崴、 499L0906李岳澤

目　錄 • 介紹　　　　　　　　　　　 P.1 • 原理　　　　　　　　　　　 P.2 　－發光原理P.3 • 材料種類　　　　　　　　　 P.4 　－光的波長P.5 　－LED材料P.6 　－各個材料所製造的顏色P.7 • 構造　－典型LED構造P.8 　－同質與異質結構P.9 　－為何LED為圓形結構P.10 • 參考文獻　　　　　　　　　 P.11

介　紹 除了我們熟知的各種電子產品上面的 LED指示燈外，LED螢幕 LED照明、新世代的OLED螢幕、PLED螢幕等等各式各樣關於 LED 的應用正逐漸穩定的發展中，部份領域的LED應用因為市場發展趨於成熟，普及的速度開始加快。 1

原　理 外加順向偏壓於P-N接面電子(電洞)擴散越過空間電荷區在該區附近進行復合後消失失去的能量轉為光能，即發出特定的波長的光稱之為「發光二極體」調整所加的電壓，我們就能控制電子電洞復合的速率，因此可以控制發光的強度。 2

發光原理 E k 3

材料種類 　　材料種內可分為直接能隙半導體與間接能隙半導體。 (a)直接能隙：電子在價電帶與導電帶中躍遷，不需要改變動量，所以光電子產生的效率高，適合當光元件材料。 (b)間接能隙：價電帶最高點與導電帶最低點沒有相對，所以電子電動複合前須經過能量轉換，降低了複合機率，且絕大部分的能量將會轉換成熱能，所以不太可能會發出光能。能量－動量圖 4

光的波長 發光二極體僅在順偏的P-N接面下工作，且微小的順向電流就能使LED發光。其光的波長由材料的能隙決定，而光的波長也決定了發光顏色。人類可以看到的可見光波長為0.4um到0.7um之間，如下圖，越右邊，能隙越強；越左邊，能隙越小。光速 C = 3×108(m/s) = v ×λ 5

LED材料 目前以III-V族化合物半導體為主要的，其中以GaAs和GaP之應用最廣泛。 GaAs：直接能隙半導體，發射光線都在紅外線波長範圍。 GaP：間接能隙半導體摻雜了氮，靠近En地方會產生電子陷井會捕捉電子和電洞，使進行再結合產生光子輻射。 SiC：摻雜Al，使傳導帶的電子和價電帶的電洞進行複合在發光，是經由受體能階Ea而產生的。 6

各個材料所製造的顏色 7

典型的LED構造 P層是使用雜質擴散P-N接面的LED，通常是使用高摻雜濃度之GaAs或GaP基版，為了使發光之現象大部分在最上層P 型區域之空乏層內，會採用高濃度摻雜之N區。但是這樣的構造有缺點，當電流的密度越來越大，增加了其導電度，相對地也抑制了光線的射出。 8

同質與異質結構 同質接面：電子、電洞擴散的平均距離(Lp、Ln)較大，電子電洞對在此接面狀況下的復合機率因此而變小，導致發光效率不佳。　　異質接面：多層的異質P-N接面，加入電壓後形成量子井，將傳導帶上的電子，以及價電帶上的電洞，侷限在較窄的距離(Wdh)中，使電子、電洞產生復合的機率增加。 9

為何LED為圓形結構 第一：當光經由半導體進入空氣中，折射率的差會引起反射的損耗。第二，從基版發出的光會射向四面八方，若角度太偏的話，光線產生全反射，則會降低其效果。全反射就是因為沒有折射而都是反射，所以在拋物面鏡的最好使用拋物比較好，可以傳得比較遠。 10

參考文獻 光電原件導論／劉博文著　出版社：全威圖書有限公司半導體元件物理與製做技術/施敏著出版社：國立交通大學出版社 LED / OLED 技術介紹 - 佳宸的部落格 (http://tw.myblog.yahoo.com/ho-88888/article?mid=766&prev=767&next=763) LED照明光源.PPT/楊愷祥博士後研究員 ncumaterials的部落格 - udn部落格 (http://blog.udn.com/ncumaterials/4115551) 1

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