LED.docx
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LED
题目---------------WhiteLightSources------------
1、引言
2、什么是白光LED？
？
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3、白光LED的优点
4、光的基本性质
5、发光二极管的基本简介
6、白光LED的制造
7、白光LED的产品数据
8、白光LED的市场概况
9、结论
10、参考书目
1、引言
自然科学的兴起与进步，少不了对自然现象的认知。
人类对自然现象的认知，大多经由视觉。
而促使视觉发生作用的媒介是「光」。
通过对光的理论研究和技术应用所形成的光学是科学发现与技术拓新的先驱，也就是说，光学的理论与光学方法之研究所起的作用，一直是有着基本的重要性；并且一直是许多科学和技术的进步之推动的力量。
譬如说，没有光，我们的视觉便难以对自然现象发生多样的作用，而自然的现象，也不会使我们看起来竟是如此的多彩多姿，当然也就不能认识自然现象的本质与特性了。
正是由于透过光的照明与光的研究，才开启了其它的科技领域的发展。
2、什么是白光LED？
？
？
以半导体技术制造的「白色发光二极管」是一种冷光源，这种灯泡不含水银、体积小、省电、使用寿命长，可望在二十一世纪取代钨丝灯和水银灯，成为兼具省电和环保概念的新照明光源。
照明灯泡是现代生活所不可或缺的民生用品，尽管世界各国随着现代化层次和生活质量的需求不同，对照明灯泡的需求程度亦不同。
而全球花在照明的总平均用电量，约为全球总用电量的百分之四十，是非常可观的。
石油危机使人类对物质的看法有了新的转变，因此科学家积极在研究节省能源的新型照明的技术。
钨丝灯泡和水银灯管是目前最普遍使用的传统照明灯，钨丝灯的发光过程，将大部份的电能转换成辐射热，因此发光效能不高，其所产生的辐射热，在亚热带地区更增加空调系统的负担。
水银灯管的发光效能虽然优于钨丝灯，但灯管内壁所涂抹的水银，在灯管被丢弃时会造成环境污染。
各先进国家皆积极投入光电半导体氮化镓开发计划研究，并且于1993年由日本的NAKAMURA先生成功研发出1烛光亮度的蓝色发光二极管，使得发光二极管进入全彩的时代，最近更提出不需经过光转换的照明用白色发光二极管灯泡制作的想法，使得发光二极管成为继晶体管和雷射二极管之后，半导体技术再一次产生革命性的影响。
目前全世界积极朝向更高亮度以上的蓝绿光发光二极管发展。
为什么蓝色发光二极管的发现，是半导体应用技术上的突破性的发展？
到底发光二极管有什么神奇，能取代传统照明灯泡？
事实上，蓝色发光二极管是一个困难度高的技术，把蓝色发光二极管和黄色发光二极管结合，才能产出白色发光二极管，因此在蓝色发光二极管尚未研发出来之前，白色发光二极管根本就不存在。
也因为蓝色发光二极管的出现，使发光二极管能以全彩色化的方式呈现，目前已经开始应用于发光二极管全彩色化户外显示屏。
3、白光LED的优点
因为发光二极管是一种半导体组件，故寿命长；由电转换为光的效率高，耗电量少；同时发光二极管组件是一种极小的发光源，所以可配合各种应用设备的小型化。
和一般灯泡比较起来，发光二极管灯泡的寿命要高出50-100倍，二极管本身耗费的电量约是一般灯泡的1/3-1/5，由于白色发光二极管灯泡具有多项优点，可望在二十一世纪取代钨丝灯和水银灯，成为兼具省电和环保概念的新照明光源。
4、光的基本性质
1、光的色散
在讨论LED如何发出白光之前，我们先来探讨何谓白光，以及了解一些光的颜色特性。
当白光通过一狭缝（silt）儿转入一棱镜（prism），如图一所示，则各色光因在棱镜中的折色角不同而分散。
故在镜后的白屏上出现一列有色的光带称之为光谱（spectrum）。
有色光带各色光的邻接处，并无明显的分界，但是各色的顺序为：
红（red）、橙（orange）、黄（yellow）、绿（green）、蓝（blue）、靛（indigo）、紫（violet）等七色，而这样的现象就是光的色散，这是由于不同波长的光在介质内行进的速度不同所造成。
红
棱镜
橙
黄
白光绿
蓝
紫
屏
图一光的色散
2、单色光
凡光谱不再为棱镜所分光的任何色光，就称做单色光，各种单色光有其一定的波长范围，如下：
颜色波长范围（Å）
红78006300
橙63006000
黄60005700
绿57005500
青55005200
蓝/青52005000
蓝50004500
紫45003800
3、色混合
红、绿、蓝三种色光衣照不同分量的比例混合，可以配成自然界的一切色光，故此三种颜色称为三原色。
凡能互相混合成白色光的两色光，称为互补色。
以彩色电影说明三原色以外的各种颜色制造方法为：
在红、绿、蓝三具投光器上，各加装能加减光量的光门，使它们投出来光在白色银幕上相重迭。
若利用各色光的调节，使三种色光重迭处呈白色光的话，则两种颜色相迭的地方就呈现黄色、带蓝的绿色（青）和带红的蓝色（紫红色）。
因此，红与绿相加成黄色，而将黄色加上绿色就变成了白色；同理绿蓝相加成青色，青色加上红色就变成了白色。
图二白光的组成
5、发光二极管的简介
发光二极管（LightEmittingDiode;LED）系利用各种化合物半导体材料及组件结构之变化，设计出红、橙、黄、绿、蓝、紫等各颜色，以及红外、紫外等不可见光LED。
其中适合制作1000mcd以上之高亮度LED的材料，由长波长而短波长观之，分别为AlGaAs、AlGaInP和GaInN。
AlGaAs适合于制作高亮度红光及红外光LED，商业上以LPE磊晶法进行量产，组件使用双异质接面构造（DH）为主；虽然DDH结构可发出比DH结构更高的亮度，但因为需制作AlGaAs基板，困难度很高，故投资开发的厂商较少。
AlGaInP适合于高亮度红、橘、黄及黄绿光LED，商业上以MOVPE磊晶法进行量产，组件使用双异质接面（DH）及量子井（QW）构造，效率更为提高。
由于AlGaInP红光LED在高温与高湿环境下，其寿命试验结果优于AlGaAsLED，未来有逐渐取代AlGaAs红光LED的趋势。
GaInN适合于高亮度深绿、蓝、紫及紫外光LED，以高温MOVPE磊晶法量产，组件也使用双异质接面（DH）及量子井（QW）构造，可达效率比前两者高。
日本日亚公司是第一家在GaInN/GaN磊晶技术上有所突破者，目前技术仍遥遥领先全世界，所生产波长450nm的蓝光LED及520nm的纯绿色LED，亮度分别为2cd与6cd以上，并且掌握自材料生长至组件结构之大部分专利所有权。
白光LED乃是日本日亚公司于1996年所发展出的产品，于1998年4月其光电转换效率已提升至15流明/瓦，略高于传统灯泡，以常见照明灯具之开发历程来看，白光LED未来于照明产业之应用极具潜力。
6、白光LED的制造
由于氮化铝镓铟材料的开发成功，使得发光二极管得以产生白光，产生白光的方式有下列三种：
1、利用红、绿、蓝三种发光二极管调整其各别亮度来达到白光，而为了或得白光，红、绿、蓝的亮度比3：
6：
1。
或只利用红、绿或蓝黄两颗LED调整其各别亮度来发出白光。
但缺点是价格较贵，难以推展。
2、利用蓝色InGaN的LED去激发黄色的荧光粉或利用绿色的InGaN去激发红色的荧光粉。
日亚化学公司于1996年推出的白色LED即是属于此类，乃将蓝光的LED与YAG荧光物质放在一起，以蓝光激发荧光物质，其发出的光谱即为白光，下面为白色LED的基本结构、发光原理（图三）、发光频谱（图四）、色度图（图五）：
图三
图四
图五
由图四的频谱图可以知道，蓝光强度高、频宽窄；而YAG所发出的荧光偏黄绿光，强度较弱、频宽较宽。
3、利用紫外光的GaN的LED去激发红、绿、蓝三色荧光粉来产生白光。
7、白光LED的产品数据
图六白色LED
图七
图八
8、白光LED的市场概况
白光LED从1999年开始销售起，预计有三百万美元的销售额，到2003年的平均年成长率达151.5%，销售金额达到120百万美元，有相当高的成长性，所以也引起各大工司的觊觎，努力的投入开发与研究，希望为LED创造光亮的未来。
百万美元
120
100
80
60
40
20
0
1997199819992000200120022003
图九白光LED市场产值与预测
国家
白光LED厂商
传统登具商
合资公司
量产时间
日本
NichiaChemical
1996
日本
SumitomoElectric
1999/1
日本
通产省21世纪光明计划
1998-2002
德国
SiemensAG（Cree，1999/IQ）
Osram
OsramOpto
Semiconductors
1999/3/20
美国
HP
Philips
LumiLeds
1999/2
美国
Emcore（UniroyalTechnology）
GeneralElectric
GELcore
1999下半年
台湾
亿光、光宝、今台、琭但、享庆
1998/下半年
图十白光LED照明厂商动向
9、结论
我们可以知道发展白光LED最关键之处就是发展蓝光GaN的LED，因此回顾1996至1999年至今，世界各国无不卯足全力开发GaN的LED与LD组件，并在蓝（白）光LED的技术发展方面，将从目前的10lm/W的发光效率，提升到60~80lm/W。
在各国厂商的积极投入之下可以大幅降低成本，白光LED的市场将会更加的蓬勃，在不久的未来在人类的照明科技必定将掀起一场革命，更高效率、寿命更长、更省电的照明设备就将出现在我们的日常生活中。
10、参考书目
1、一九九九、十月号零组件杂志
2、光讯1999年八月第79期
3、Appl.Phys.Lett.71（20），17November1997
4、Appl.Phys.Lett.73（4），27July1998
5、Appl.Phys.Lett.75（7），16August1999
6、Appl.Phys.Lett.70（20），19May1997
7、物理双月刊二十一卷二期1999年4月
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