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二极管之 LED灯的认识
时间:[2012-08-05 22:11:07]   作者:许良瑋。卢冠豪。王学文。指导老师:程锦霞    来源:

二极管之LED灯的认识


二极管之-LED灯-的认识
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目录:
前言……………………………………………………………………………………2
1‧探讨项目
正文
1‧LED灯发展源由…………………………………………….………………………3
2‧半导体二极体的原理、特性与结构
半导体二极体的原理………………………………………………..………………..3
半导体二极体的特性………………………………………………..………………..4
半导体二极体结构…………………………………………………………………..5
3‧LED灯发光原理………………………………………………………...…………5
4‧LED灯优点、缺点…………………………………………………..……………..7
5‧LED灯应用……………………………………………………………..…………7
注记………………………………………………………………………………….8
参考资料………………………………………………………………………………8


二极管之-LED灯-的认识
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一●前言
LED 灯,起发动机是每日放学会经过的红绿灯和它身旁那一闪一闪得小绿人倒数
计时器,LED 灯市一种耗电量低、应用广泛的二极体產品,深入了解LED 灯的
结构、应用与日后发展。
探讨项目:
1. 二极体的原理、特性与结构
2. LED 灯发光原理
3. LED 灯优点、缺点
4. LED 灯应用

二极管之LED灯的认识
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贰●正文
一‧LED 灯发展源由
发光二极体 (Light Emitting Diode, LED)1950 年於实验室中发展出来,1968 年由
HP进行商业化量產,早期LED灯只有单调暗红色的电子指示灯產品,不过1992
年由在Nichia工作日本学者中村修二(Shuji Nakamura)<注一> 突破蓝光LED
技术障碍后,色彩逐渐的丰富了起来,亮度也逐渐提升,并以显示器(Display) 、
表面黏著型(SMD) 等各种封装型态深入生活中各个层面。
二‧半导体二极体的原理、特性与结构
01‧半导体二极体的原理
A‧以元素週期表来看,IA族的元素〈元素週期表最左侧〉是在「填满」的电子
轨域<注二>外放上一个电子,此电子受原子核的束缚力很小,所以很容易形成
+1价的离子,也就是说,该组的元素是高导电体。再向右看,IIA 族元素、IIIA
族元素因外围的电子和原子核内的正电荷逐渐增加,所对电子的吸引力也渐渐增
加,此作用让原子渐渐呈现安定的状态,直到最右侧的第八族元素〈為最安定的
钝气〉,而所谓的半导体遍是介於IA〈超高导体〉~八族〈非导体〉的三、四、五族的元素。

其中以IV A 族的「硅」和「锗」為最典型的半导体材料,而由於硅有取得方便和易形成氧化膜的
特性,所以目前的半导体工业以硅為主要原料。
 

C‧科学家认為,A 族的硅原子是以「SP3」的结构键结的,这种结构方式使得硅原子犹如最外围
有八个电子般的稳定(八嵎体法则),因IIIA 族的元素最外围有三个电子,若要形成最稳定
的八个电子,势必要与别人共用另外五个电子〈3+5=8〉,但是若将IIIA 族的元素添

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加入硅原子中(3+4=7),此化合物将会形成一个空的电子空间,科学家将
此命為「电洞」,此种化合物则為P型半导体,扮演受体的角色。换句话说,将
IV A族的元素添入硅原子之中会因為5+4=9而多出一个电子,此种化合物
為N型半导体,扮演施体的角色。
D‧PN结(PN接面)二极体是N 型半导体和P 型半导体互相结合所完成的。在
PN结(PN接面)区彼此的电子和电动会互相抵销,造成主要载流子不足,形成
空乏层,在空乏区内N型侧带正电,P型侧带负电,因此内部会產生一个静电场,
空乏层的两端存在电位差。但是若让两端的载流子再结合的话,两端电压差则会
变成零。
将一正电压接到P型半导体,负电压接到N型半导体,此种P型接正电压,N型
接负电压的电路接法,称為顺向偏压。此时负电压端的所有能阶皆会往上提升,
因而破坏原先的平衡状态,且电子在导电带中向左流动时所遇到的能障也降低,
因而非常容易流通,在电路中形成「导通」状态,电流也因此急速上升。
在一适当的顺向偏压下,电子、电洞由乾电池分别注入N、P两端后,便会在P
/N界面区域结合而发光,即电子由高能量状况掉回低能量状态与电洞结合,将
能量以光的形式释放出来。


02‧半导体二极体的特性
A‧二极体具有阴极(cathode)与阳极(anode)的构造,并有电流只能从阳及流向阴
极,而电流无法从阴极流向阳极的特性,也就是说,二极体具有整流作用。半导
体二极体是由P型和N 型半导体所组成的,P 型侧為阳极,N 型侧為阴极,半导
体二极体藉由P型和N 型半导体所结合的PN 结效应,而產生整流效应。


B‧正向偏压(forward bias)时的PN 结二极体
在二极体的阳极施向正电压,在负极施向负电压,这样就称為正向偏置,所加电
压為正向偏压。N 型半导体被注入电子,P型半导体被注入电洞,如此一来让多
数的载电子过剩,空乏层<注三>将会变小或是消灭,正负载子在PN接合处附
近结合併消灭。从整体来看,电子是从阴极流向阳极。在此区域,电流会随著偏
压得增加而急遽增加。随著电子与电洞的结合和分离,这两者所带的能量将由光
或热的行式放出。可让正向电流通过的必要电压称為开啟电压。

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C‧反向偏压(reverse bias) 时的PN 结二极体
在二极体的阳极施向负电压,在负极施向正电压,这样就称為负向偏置,所加电
压為逆向偏压。N 型半导体被注入电洞,P型半导体被注入电子,如此一来让多
数的载电子不足,空乏层将会变大,因此内部的静电场<注四>也更强,扩散电
位也会跟著变大。这个扩散电位将会跟外不施加的电压互相抵销,让反向电流更
加难以通过。


实际的元件虽然处於反向偏压状态,但也有微小的反向电流(漏电流、漂移电流)
通过。当反向电压持续增加时,还会发生「隧道击穿」或「雪崩击穿」或「崩溃」,
发生急遽电流的增加。开始產生这种击穿现象(反向)电压称為「击穿电压」或
「崩溃电压」。超过击穿电压以后反向电流急遽增加的区域称為「击穿区」(崩
溃区)。在击穿区内,电流在较大范围内变化而二击体反向压降变化较小。「稳
压二极体」便是利用此种特性製程的。


03‧半导体二极体结构
金属的三族元素和非金属的五族元素,其外围轨道的电子数分别是3和5,将此二
族元素以 1:1 的方式化合,应该也有机会以「SP3」结构的方式结合(鎵-砷
键结3 + 5 = 8),而成為「化合物半导体」。砷化鎵、磷化鎵等便是典型的三族、
五族化合物半导体。
化合物半导体有一特色,以三族、五族化合物半导体為例,只要符合「三族总原
子数:五族总原子数= 1:1」之原则,可以取两种以上的三族元素和两种以上
的五族元素化合成复杂的化合物半导体。


三‧LED 灯发光原理
LED 灯為一种发光二极体(Light Emitting Diode, LED),多数以IIIA(铝Al、鎵Ga、
銦In等)与V(氮N、磷P、砷As等)元素化合而成的,这与IC 半导体所用的硅(Si)
元素有所差别。
LED 是利用电能直接转化為光能的原理,在半导体内正负极2 个端子施加电
压,当电流通过,电子与电洞相结合时,剩餘能量便以光的形式释放,依其使用
的材料的不同,其能阶高低使光子能量產生不同波长的光。
下列图表為其顏色所对应的资料

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单色
顏色λ波长(nm) 正向偏压(V) 半导体物质符号红外线>760 < 1.9

砷化鎵
铝砷化鎵GaAs
AlGaAs红760至610
1.63-2.03
铝砷化鎵
砷化鎵磷化物
磷化銦鎵铝
磷化鎵(掺杂氧化
锌)AlGaAs
GaAsP
AlGaInP
GaP:ZnO
橙610至590
2.03-2.10
砷化鎵磷化物
磷化銦鎵铝
磷化鎵(掺杂?)
GaAsP
AlGaInP
GaP:?
黄590至570
2.10-2.18
砷化鎵磷化物
磷化銦鎵铝
磷化鎵(掺杂氮)
GaAsP
AlGaInP
GaP:N
绿570至500
2.18-4
銦氮化鎵/氮化鎵
磷化鎵
磷化銦鎵铝
铝磷化鎵
InGaN/GaN
GaP
AlGaInP
AlGaP
蓝500至450
2.48-3.7
硒化锌
銦氮化鎵
碳化硅
硅(研发中)
ZnSe
InGaN
SiC
Si(研发中)
紫violet450至380
2.76-4 銦氮化鎵InGaN

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紫外线<380 3.1-4.4
碳(钻石)
氮化铝
铝鎵氮化物
氮化铝鎵銦
C(diamond)
AlN
AlGaN
AlGaInN


四‧LED 灯优点、缺点
01.优点
A.亮度高、顏色纯,可做為交通号誌灯使用
B.寿命长,可连续使用45000 小时以上,比传统钨丝灯泡寿命高上5~10被
C.耗电量小,是為较环保的灯泡
D.发出的光為冷光,灯泡温度较低,较不易损坏
E.反应速度快
F.高耐震、不易碎
02.缺点
A.研发成本高
B.目前价格较昂贵
C.容易受周围环境而损坏,如湿度或温度
D.较不普遍
03.总合上述优、缺点,LED 灯為一种高价格但可以使用较长久的灯泡,与传统
的钨丝灯泡相比较,是较為环保。因為LED 灯是近年来所发展出来的工业,所
以会有发光效率的问题,但因為他有低耗电的优势,若将低效率的问题改善后,
相信市场上会普及化。


五‧LED 灯应用
01. 交通设施
如十分普遍的红绿灯
02. 资讯硬体
广告用资讯看板、光学滑鼠、遥控器等
03. 照明设备
LED 台灯、LED天花灯、LED夜灯、LED灯泡、脚踏车前灯等
04. 美化造景设备
LED 地板灯、LED花园灯、LED 水底灯、LED圣诞灯等
05. 警示用具

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s=+1
2
-1
2
脚踏车警示灯、大型车侧边警示灯、施工警示灯等
参‧注记
<注一>
中村修二(Shuji Nakamura)教授是蓝光LED的主要推手,於1990年就任於日亚
化学工业,以生產蓝宝石(Sapphire)基板為主要基板材料来製造蓝光。
<注二>
电子轨域是指电子在原子核所出现的机率,若要完全的描述一个电子的运动,则
需四个量子数(n、l、m、s)。主量子数(n)的n=1、2、3、.....∞,n 越大,表示离原
子核越远、能阶越大、轨域大小越大,而每个n中有n2 个不同轨域,最高可容
纳2n2 个电子。角动量子数(l)的l=0、1、2、3....(n-1),其代表电子在轨域中的不
同形状(0=球型1=哑铃形2=双哑铃形3=复杂)。磁量子数(m)的m=0、±1、±2、
±3......±l (共2l+1个不同方向的轨域),其代表电子在轨域中的不同方向和数目。
自旋量子数(s)的,其代表电子在轨域中的填入两个不同字转方向的电
子。
打个比方,想像原子是一颗金沙巧克力糖,原子核是中间的核仁,主量子数是一
层又一层的巧克力所包覆这核仁,角动量子数则是形容这一层又一层巧克力所不
同的形状(因為上头有杏仁角包覆著),磁量子数表示著杏仁角摆放的不同方向,
而自旋量子数就是在杏仁角之中不同方向的”电子”。
<注三>
空乏层是一个既没有电洞也没有自由电子的区域,相当於是高电阻区域
<注四>
静电场為静止电荷所建立的电场
 




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