能发光的半导体电子元件：发光二极管

发光二极管（Light-emitting diode，缩写为LED），能发光的半导体电子元件，透过三价与五价元素所组成的复合光源。LED作为电子元件早在1962年出现，早期只能够发出低光度的红光，被惠普买下专利后当作指示灯利用。及后发展出其他单色光的版本；如今，能够发出的光已经遍及可见光、红外线及紫外线，光度亦提高到相当高的程度。随着白光发光二极管的出现，用途已由初期的指示灯及显示板等指示用途，逐渐发展至近年的照明用途。

发光二极管只能够往一个方向导通（通电），叫作正向偏置，当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光，这叫电致发光效应，而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体物料种类与故意掺入的元素杂质有关。具有效率高、寿命长、不易破损、反应速度快、可靠性高等传统光源不及的优点。白光LED的发光效率近年有所进步；每千流明成本，也因为大量的资金投入使价格下降，但成本仍远高于其他的传统照明。虽然如此，近年仍然越来越多被用在照明用途上。

2014年凭借“发明高亮度蓝色发光二极管，带来了节能明亮的白色光源”，日本工程学家天野浩与赤崎勇、中村修二共同获得诺贝尔物理学奖。

LED使用的优点：

能量转换效率高（电能转换成光能的效率） - 也即较省电。

反应时间短 - 可以达到很高的闪烁频率。

使用寿命长 - 且不因连续闪烁而影响其寿命。

在安全的操作环境下可达到10万小时的寿命，即便是在50度以上的高温，使用寿命还有约4万小时。（萤光灯T8为8000小时、T5为20000小时、白炽灯为1，000 ~ 2，000小时）。

耐震荡等机械冲击 - 由于是固态元件，没有灯丝、玻璃罩等，相对萤光灯、白炽灯等能承受更大震荡。

体积小 - 其本身体积可以小于2mm。

便于聚焦 - 因发光体积细小，而易于以透镜等方式达致所需集散程度，藉改变其封装外形，其发光角度由大角度散射至细角度聚焦都可以达成。

单色性强 - 由于是单一能级光出的光子，波长比较单一（相对大部分人工光源而言），能在不加滤光器下提供多种单纯的颜色。

LED的缺点

由于LED的驱动电压较低，一般家用电压为100V~240V，需要将LED及变压器包装为灯泡或灯管才能应用于家中，而在降低成本的考量下，许多市售产品搭配品质较差的变压器，而加快损坏的可能。

发光二极管光度并非与电流成线性关系，光度调节略为复杂；使用PWM为最低成本的调节亮度方法，但频率必须够高才不伤眼（PWM调光是以快速闪烁的方式来调整亮度，例如每隔10次亮一次亮度为最大亮度的10%，但闪烁频率不高会伤眼，1250Hz以下健康风险高，3250Hz以上则风险与不闪烁的调光方法一样低；而旧型的萤光灯若用低频PWM调光则不会那么伤眼，因为萤光灯有余晖效应而LED没有）。

成本较高，售价较高。

因为发光二极管为光源面积小、分布较集中，作照明用途时会刺眼，须运用光学设计分散光源。

每枚发光二极管因生产技术问题都会在特性（亮度、颜色、偏置…等）上有一定差异，即使是同一批次的发光二极管差异也不少。

LED工作基本原理

发光二极管是一种特殊的二极管。和普通的二极管一样，发光二极管由半导体芯片组成，这些半导体材料会预先透过注入或搀杂等工艺以产生p、n架构。与其它二极管一样，发光二极管中电流可以轻易地从p极（阳极）流向n极（阴极），而相反方向则不能。两种不同的载流子：空穴和电子在不同的电极电压作用下从电极流向p、n架构。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光子的模式释放出能量（光子也即是我们常称呼的光）。

它所发射出的光的波长是由组成p、n架构的半导体物材料的禁带能量决定。由于硅、锗是间接带隙材料，在常温下，这些材料内电子与空穴的复合是非辐射跃迁，此类跃迁没有释出光子，而是把能量转化为热能，所以硅和锗二极管不能发光（在极低温的特定温度下则会发光，必须在特殊角度下才可发现，而该发光的亮度不明显）。发光二极管所用的材料都是直接带隙型的，因此能量会以光子形式释放，这些禁带能量对应着近红外线、可见光、或近紫外线波段的光能量。

发展初期，采用砷化镓（GaAs）的发光二极管只能发射出红外线或红光。随着材料科学的进步，新研发成功的发光二极管能够发射出频率越来越高的光波。现今，已可制成各种颜色的发光二极管。

二极管通常建构于N型衬底，在其表面沉积一层P型半导体，用电极连结在一起。P型衬底比较不常见，但也有被使用。很多商业发光二极管，特别是GaN/InGaN，也会使用蓝宝石衬底。

大多数用来制成发光二极管的物质具有非常高的折射率。这意味着大部分光波会在物质与空气的接口会被反射回物质，因此，光波萃取对于发光二极管是很重要的论题，大量研究与发展都聚焦于这论题。

LED的应用场景太广泛：

状态显示灯

交通、道路等的指示灯

LCD显示器背光光源

显示器

LED照明

光通讯

红外线遥控玩具

红外通讯技术（IrDA）数字资料传输

短距离光纤通讯

光照上网技术（Li-Fi），是一种无需WiFi信号，使用由发光二极管把光源转换成网络信号的形式来实现互联网交接的技术。

光电耦合元件

窄波段光学感测器

如今Micro LED， OLED等等新的应用也出现（之后有机会分享）。

审核编辑 ：李倩