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。　　　　

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原　理

圖(5) 電子電洞對的產生與複合

能量(eV)

傳導帶

價電帶

＋

–Ec

Ev

Eg 吸收能量

產生

能量(eV)

傳導帶

價電帶

＋

–Ec

Ev

放出能量

復合

2

　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。

發光原理E

k

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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

光速 C = 3×108(m/s) = v ×λ

光的波長

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　　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。

LED 材料

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　　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。

各個材料所製造的顏色

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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。

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同質與異質結構

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　　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。

為何 LED 為圓形結構

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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。

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

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