發光二極體 發光二極體（Light Emitting Diode,LED），是一種半導體元件。 1955年，美國無線電公司（Radio Corporation of America）的魯賓·布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其他半導體合金的紅外放射作用。 1962年，通用電氣公司的尼克·何倫亞克（Nick Holonyak Jr.）開發出第一種實際應用的可見光發光二極體。 1960年代，紅光LED就已經發明，而其他顏色的LED也相繼出現，但是直到1990年代初期，在藍光LED發明之後，全彩化的LED才得以實現。

1-1發光二極體的發光原理 當PN接面加入順向偏壓時，P型區的多數載子電洞會往N型區移動，而N型區的多數載子電子則往P型區移動，最後電子與電洞兩載子會在PN接面之空乏區復合，此時因電子由傳導帶移轉至價電帶後喪失能階，同時以光子的模式釋放出能量而產生光。而LED之能量是以散射光的方式釋放，屬於冷性發光 ，與藉由加熱發光的白熾燈或藉由放電發光的日光燈之發光原理不同。

間接能隙與直接能隙半導體 一般二極體主要材料以矽為主，但因為材料矽屬於間接能隙(indirect bandgap)材料，，由於電子經傳導帶往價電帶進行復合時，須加上聲子為維持動量守恆定律，故在過程中電子會消耗多餘的能量，僅釋放極微弱的光能，所以看不到發光。

間接能隙與直接能隙半導體 發光二極體LED是以化合物半導體為材料，由三價或五價元素化合組成，如砷化鎵、磷化砷鎵、氮化鎵等，屬於直接能隙材料，所以可以發光。 半導體傳導帶底端之電子動能與價電帶頂端之電子動能相等，則稱為直接能隙半導體，否則為間接能隙半導體。

間接能隙與直接能隙半導體 能帶圖除上次PN接合面提過的表示方式外，還有另一種表示方法，是以動量為橫座標，能量為縱座標，當傳導帶的谷值和價電帶的峰值不在同一水平位置，即有動量差時，此材料稱為間接能隙元件，如矽。反之如兩者在同一水平位置，即沒有動量差時，稱為直接能隙元件，如砷化鎵

間接能隙半導體 如Si，電子在價電帶與導電帶中躍遷，需要遵守動量守恆。所以躍遷發生除了所需能量外，還包括與晶格的交互作用。(導電帶能量最低點和價電帶能量最高點之p不同)

直接能隙半導體 如GaAs，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，適合作為半導體雷射或其他發光元件的材料。(導電帶能量最低點和價電帶能量最高點之p相同)

圖(2) 典型LED之外觀及接角之符號

光的顏色與波長 LED與一般白熾燈泡及日光燈的發光原理不同，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。

光波長與光頻率關係為 光速 C = 3×108(m/s) = v ×λ 而光子能量E＝h×v h：浦朗克常數 ＝6.626×10-34 J-S v：頻率 c：光速 ev：電子伏特。(1電子伏特=1.6×10-19J-S)

發光二極體的無機半導體原料及發光顏色︰ 鋁砷化鎵 (AlGaAs) - 紅色及紅外線 鋁磷化鎵 (AlGaP) - 綠色 磷化銦鎵鋁 (AlGaInP) - 高亮度的橘紅色， 橙色，黃色，黃綠色 磷砷化鎵 (GaAsP) - 紅色，橘紅色，黃色 磷化鎵 (GaP) - 紅色，黃色，綠色 氮化鎵 (GaN) - 綠色，翠綠色，藍色 銦氮化鎵 (InGaN) - 近紫外線，藍綠色，藍色 碳化矽 (SiC) (用作襯底) - 藍色 矽 (Si) (用作襯底) - 藍色 (開發中) 藍寶石 (Al2O3) (用作襯底) - 藍色 硒化鋅 (ZnSe) - 藍色 鑽石 (C) - 紫外線 氮化鋁 (AlN), 鋁氮化鎵 (AlGaN) - 波長為遠至近的紫外線

凡光譜不再為稜鏡所分光的任何色光，就稱做單色光，各種單色光有其一定的波長範圍，如下： 顏色 波長範圍 （Å）(10-10m） 紅 7800 ~ 6300 橙 6300 ~ 6000 黃 6000 ~ 5700 綠 5700 ~ 5500 青 5500 ~ 5200 藍 / 青 5200 ~ 5000 藍 5000 ~ 4500

而光顏色、波長、頻率與半導體材料能隙之關係如下表：

例題1、LED半導體材料氮化鎵(GaN)能隙為3ev，試求其 光波長、光頻率及其發光顏色？ 解：光波長 光頻率 由上表得知其發光顏色為藍光。

LED的分類

藍光 白光LED 直到1981 年，日本名古屋大學赤崎 （Akasaki） 教授才成功研製PN 接面的氮化鎵發光二極體。 1972 年時，美國廣播公司的潘口（Pankove）先生即成功研製氮化鎵藍光發光二極體（以金屬－絕緣體－半導體結構為主），當時因 P 型氮化鎵不易成長，所以無法成功地研製PN 接面的發光二極體。 直到1981 年，日本名古屋大學赤崎 （Akasaki） 教授才成功研製PN 接面的氮化鎵發光二極體。

藍光 白光LED 日亞化學公司的中村（Nakamura）博士在 1991 年3 月即研製出第一顆PN 同質接面的發光二極體。在1994 年及1995 年，陸續發表亮度12 燭光之藍綠光及綠光發光二極體，且在1996 年宣布大量出售藍綠光之發光二極體。1998 年底又宣布成功研製可連續操作且壽命長達一萬小時的藍光雷射二極體，這在全球光電產業界造成很大的震撼 。

為何要研製藍光發光二極體 可做全彩顯示器 可做交通號誌燈 可做白光照明燈源

將藍色發光二極體的技術稍加改良，即可進一步研製藍光半導體雷射，利用此種短波長藍光半導體雷射取代目前光碟機所使用的紅光半導體雷射（光學讀寫頭），能增大光碟記錄容量三倍以上。藍光發光二極體晶片加上釔鋁石榴石黃光螢光粉，利用藍光激發黃色螢光粉產生黃光，同時也有部分藍光放射出來，藍黃混合之後可形成白光。

白光發光二極體的優點 壽命長、省電、低壓驅動、安全又具環保效果，因而已被歐美科學家視為二十一世紀的照明光源

白光LED發光的方式約有下列幾種 自發白光LED 藍光LED激發螢光粉發白光兩大類

自發白光LED 自發白光LED為晶粒被激發出來的光即為白光，大部分使用2-5族化合物製造,非現行主流產品,但其光調較暖較類似自然光。

藍光LED激發螢光粉發白光 利用藍光GaInN 的LED 去激發黃色的螢光粉或利用綠光的GaInN 去激發紅色的螢光粉。日亞化學公司於1996 年推出的白光LED 即是屬於此類，其專利即為此項，也是目前市場主流產品，其售價便宜，壽命長，但因此白光為藍黃光混出來，有光譜上的缺陷，在應用背光模組上演色性較差。

3原色LED混出白光 利用3原色LED混出白光技術，目前市場有廠商提供產品，但其三原色LED各自光衰速度不同，不易應用於一般家庭端。

發光二極體的應用 發光二極體的應用已經是無所不在，深入所有人的日常生活之中，也是節能省電環保的代名詞，除了原有的傳輸控制應用，最近因藍光LED的研發成功，也實現了白光LED產品的出現，而白光LED的出現，對全世界的照明系統產生了革命性的改變，從道路紅綠燈由傳統的白熾燈改為LED燈，到家庭用日光燈改由白光LED燈所取代，大家對於這一新世代的產品充滿希望。

以目前LED與傳統燈泡相比