LED 是什麼,又是如何發光的?完整解析 LED 原理、運用和類型

LED 在我們日常生活中隨處可見,但卻很少有人知道它到底是什麼,以及它的發光原理。為什麼 LED 可以取代傳統的電燈呢?其實 LED 的運用範圍不只有單單的照明而已喔!一起來看看 LED 的原理、運用和發展歷史吧!

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LED 到底是什麼?

LED 的英文全名是 Light-emitting diode,也就是發光二極體。LED 說穿了其實是一種半導體,由三價與五價元素所組成,並會在電流通過時發光。LED 因為耗電低,體積小、壽命長、耐撞擊等優點而取代了傳統的電燈。目前市面上的燈具已幾乎全數改為 LED 款式。除了一般照明外,LED 也是液晶螢幕背光板的重要元件,甚至可以用於光通訊、光感測等精密技術。

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家用燈具已幾乎完全改為 LED

LED 的發光原理

如同前面提到,LED 是一種電流通過後會發光的半導體。LED 中的 5 價元素 (n 型半導體) 電子較多,這些多餘的電子會流向擁有電洞的 3 價元素 (p 型半導體) 。電子和電洞結合後即會釋出光子。這種由電能直接轉換為光能的方式跳過了傳統電能 > 熱能 > 光能的途徑,節省了能量的損失。這也就是為什麼大家常說 LED 省電效率非常高的主要原因。

LED 的顏色及亮度取決於電子跨越能隙 (Band Gap) 所需要的能量,主要與 LED 的成分有關。例如磷化銦鎵常被作為紅、黃顏色的 LED,氮化銦鎵則用於藍、綠色 LED。

LED 運作原理:電子進入電洞釋出光子

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LED 的發展歷史

其實 LED 於 1962 年就已經被發明了,但一開始能讓 LED 發出光線的能量不高,只能用於發射紅外線。並被廣泛運用於遙控電路板中。隨著科技進步,LED 慢慢可以發出能量較低的紅光,時至今日,LED 已經可以發出包括紫外光等光譜上所有的光線了。

而最常用於照明的白色 LED,則是以 2014 年由日本科學家發明的高強度藍色 LED 於表層塗加白磷所製作而成的。

LED 的運用

LED 的用途遠遠超過日常的照明,並被廣泛使用於號誌、顯示器、光通訊、遙控、光感測等領域。以下是幾個 LED 最常見的運用。

日常 / 特殊照明
LED 燈泡因為壽命長,廣泛被使用作為路燈、交通號誌、告示牌等,以減少更換成本。另外由於耗電小、耐撞擊也是手電筒、手機閃光燈、緊急照明燈較好的光線來源。一般家用燈具也都已經都採用 LED 來達成節能的效果。

液晶顯示器
電視、電腦螢幕等液晶顯示器必須有高壽命、小體積又不過度耗能、發熱的穩定背光源來呈現影像。LED 正是最好的選擇,近年來更出現 Mini LED, Micro LED, QLED, OLED 等等不同形式的 LED 光源。可以將螢幕的顏色、畫面提升到更高的境界。

夜視光源
紅外光 LED 被用於提供夜視鏡頭的紅外線光源。

光通訊
由於 LED 開關速度快,可在低延遲狀態下快速傳輸資料,加上啟動門檻低,常用於資料、訊號的傳送。從基本的電器遙控器到 Li-Fi、光電耦合元件等進階運用都可以看見 LED 的身影。

光感測
LED 可用於光感測,使用光源檢測物體表面並完成各種自動化控制。

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LED 的優缺點

相較於傳統的日光燈、白熾燈,LED 具有非常多壓倒性的優點,並幾乎獨佔了照明市場。雖說如此, LED 仍有一些獨特的限制,以下列舉幾個 LED 的優缺點給大家參考。

優點:

  • 電能直接轉換為光能,轉換效率高 – 較省電。
  • 反應時間短、低延遲 – 可達到較高的閃爍頻率。
  • 使用壽命長 – 在安全的操作環境下可達到 10 萬小時的壽命。
  • 耐震盪、撞擊 – 由於 LED 沒有燈絲、玻璃罩等,相對日光燈、白熾燈等能承受更大衝擊。
  • 體積小 – 體積可以造得非常細小(<2mm)。
  • 單色性強 – 由於是單一能級光出的光子,波長單一,能在不加濾光器下提供多種單純的顏色。

缺點:

  • 由於 LED 的驅動電壓較低,家用電源必須加裝變壓器,變壓器品質不好會導致壽命降低。
  • LED 光度與電流並非成線性關係,光度調節較複雜。
  • 每顆 LED 因生產技術問題都會在特性(亮度、顏色、偏壓…等)上有一定差異,即使是同一批次的 LED 也可能有差異。
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LED 比起傳統燈泡有壓倒性的優勢

OLED 是什麼?差別在哪?

近年來常看到各大電視、手機品牌標榜 OLED 顯示器,強調高對比和更漂亮的顏色。到底 OLED 是什麼呢?

OLED 的發光原理跟一般 LED 一樣,但前面多出了一個 O,也就是有機 Organic 的意思。OLED  是由有機聚合物等有機半導體所製成的。製程簡單,可以用印刷等低成本生產方法製造,主要的優點有:

  • 可製造出大面積的發光面
  • 可製造出柔軟、透明的元件

OLED 大多數使用於手機或電視的顯示器上,但 OLED 在長時間的使用下容易造成烙印 (Burn-in) 的現象,影響畫面品質。雖然隨著技術的成熟,烙印的嚴重程度和頻率也在逐漸下降。

Samsung AMOLED 製作影片

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