指示燈LED

指示燈LED

指示燈LED即是發光二極體(英語:Light-emitting diode,縮寫為LED)是一種能發光的半導體指示燈LED電子元件,透過三價與五價元素所組成的複合光源。

此指示燈LED電子元件早在1962年出現,早期只能夠發出低光度的紅光。

及後發展出其他單色光的版本,時至今日,能夠發出的光已經遍及可見光、紅外線及紫外線,光度亦提高到相當高的程度。用途由初時的指示燈及顯示板等;隨著白光發光二極體的出現,近年逐漸發展至被普遍用作照明用途。

指示燈LED

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指示燈LED發光二極體只能夠往一個方向導通(通電),叫作順向偏壓,當電流流過時,電子與電洞在其內複合而發出單色光,這叫電致發光效應,而光線的波長、顏色跟其所採用的半導體物料種類與故意摻入的元素雜質有關。

具有效率高、壽命長、不易破損、反應速度快、可靠性高等傳統光源不及的優點。

白光指示燈LED的發光效率近年有所進步;每千流明成本,也因為大量的資金投入使價格下降,但成本仍遠高於其他的傳統照明。

雖然如此,近年仍然越來越多被用在照明用途上。

指示燈LED優點

  • 指示燈LED能量轉換效率高(電能轉換成光能的效率) – 也即較省電。
  • 指示燈LED反應時間短 – 可以達到很高的閃爍頻率。
  • 指示燈LED使用壽命長 – 且不因連續閃爍而影響其壽命。
  • 在安全的操作環境下指示燈LED可達到10萬小時的壽命,即便是在50度以上的高溫,使用壽命還有約4萬小時。(螢光燈T8為8000小時、T5為20000小時、白熾燈為1,000 ~ 2,000小時)。
  • 指示燈LED耐震盪等機械衝擊 – 由於是固態元件,沒有燈絲、玻璃罩等,相對螢光燈、白熾燈等能承受更大震盪。
  • 指示燈LED體積小 – 其本身體積可以造得非常細小(小於2mm)。
  • 指示燈LED便於聚焦 – 因發光體積細小,而易於以透鏡等方式達致所需集散程度,藉改變其封裝外形,其指示燈LED發光角度由大角度散射至細角度聚焦都可以達成。
  • 指示燈LED單色性強 – 由於是單一能級光出的光子,波長比較單一(相對大部份人工光源而言),能在不加濾光器下提供多種單純的顏色。

指示燈LED缺點

  • 指示燈LED效率受高溫影響而急劇下降,浪費電力之餘也產生更多熱,令溫度進一步上升,形成惡性循環。指示燈LED除浪費電力也縮短壽命,因此需要良好散熱。
  • 由於指示燈LED的驅動電壓較低,一般家用電壓為100V~240V,需要將指示燈LED及變壓器包裝為燈泡或燈管才能應用於家中,而在降低成本的考量下,許多市售產品搭配品質較差的變壓器,而加快損壞的可能。
  • 指示燈LED發光二極體光度並非與電流成線性關係,光度調節略為複雜。
  • 成本較高,售價較高。
  • 因為指示燈LED發光二極體為光源面積小、分布較集中,作照明用途時會刺眼,須運用光學設計分散光源。
  • 每枚指示燈LED發光二極體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,即使是同一批次的指示燈LED發光二極體差異也不少。

指示燈LED

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指示燈LED基本原理

指示燈LED發光二極體是一種特殊的二極體。和普通的二極體一樣,指示燈LED發光二極體由半導體晶片組成,這些半導體材料會預先透過注入或攙雜等工藝以產生p、n架構。

與其它二極體一樣,指示燈LED發光二極體中電流可以輕易地從p極(陽極)流向n極(陰極),而相反方向則不能。兩種不同的載流子:電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向p、n架構。

當電洞和電子相遇而產生複合,電子會跌落到較低的能階,同時以光子的模式釋放出能量(光子也即是我們常稱呼的光)。

指示燈LED所發射出的光的波長(顏色)是由組成p、n架構的半導體物料的禁帶能量決定。

由於矽和鍺是間接帶隙材料,在常溫下,這些材料內電子與電洞的複合是非輻射躍遷,此類躍遷沒有釋出光子,而是把能量轉化為熱能,所以矽和鍺二極體不能發光(在極低溫的特定溫度下則會發光,必須在特殊角度下才可發現,而該發光的亮度不明顯)。

指示燈LED發光二極體所用的材料都是直接帶隙型的,因此能量會以光子形式釋放,這些禁帶能量對應著近紅外線、可見光、或近紫外線波段的光能量。

指示燈LED發展初期,採用砷化鎵(GaAs)的指示燈LED發光二極體只能發射出紅外線或紅光。

隨著材料科學的進步,新研發成功的指示燈LED發光二極體能夠發射出頻率越來越高的光波。

現今,已可製成各種顏色的指示燈LED發光二極體。

二極體通常建構於N型基板,在其表面沉積一層P型半導體,用電極連結在一起。

P型基板比較不常見,但也有被使用。很多商業發光二極體,特別是GaN/InGaN,也會使用藍寶石基板。

大多數用來製成指示燈LED發光二極體的物質具有非常高的折射率。

這意味著大部分光波會在物質與空氣的介面會被反射回物質,因此,光波萃取對於發光二極體是很重要的論題,大量研究與發展都聚焦於這論題。

指示燈LED

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指示燈LED其他顏色

博敏企業有限公司近期推出出來的指示燈LED發光二極體顏色包括粉紅色和紫色,都是在藍光指示燈LED發光二極體上覆蓋上一至兩層的磷光體造成。

粉紅色指示燈LED發光二極體用的第一層磷光體能發黃光,而第二層則發出橙色或紅色光。

而紫色指示燈LED發光二極體用的磷光體發橙色光。

另外國外一些粉紅色指示燈LED發光二極體的製造方法則存在一定的問題,例如有些粉紅色指示燈LED發光二極體是在藍光指示燈LED發光二極體塗上螢光漆或指甲油,但它們有可能會剝落;而有些則用上白光指示燈LED發光二極體加上粉紅色磷光體或染料,可是在短時間內顏色會褪去。

價錢方面,紫外線、藍色、純綠色、白色、粉紅色和紫色指示燈LED是較紅色、橙色、綠色、黃色、紅外線發光二極體貴的。

指示燈LED發光二極體是封裝在塑膠透鏡內的,比使用玻璃的燈泡或日光燈更堅固。

而有時這些外層封裝會被上色,但這只是為了裝飾或增加對比度,實質上並不能改變指示燈LED發光二極體發光的顏色。

指示燈LED

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指示燈LED光衰

最常見的指示燈LED發光二極體(和鐳射二極體)的失效是逐漸降低光輸出和效率損失。然而,瞬間的失效也是有可能會發生。

晶核成長過程中的差排可能導致光輻射在差排的結合形成使得活性區域衰減的機制;意味著晶格中有存在缺陷,並可以經由熱、高的電流密度及光的放射來加速其發生。

砷化鎵及砷化鋁鎵相較於砷磷化鎵、砷磷化銦鎵及磷化銦是比較容易受這個機制所影響,基於活性區域的不同性質,氮化鎵及氮化銦鎵則對這類的缺陷更為敏感,不管怎樣,高的電流密度可以導致原子的遷移電子跳離活性區域引出差排和點缺陷,看起來像是非光輻射的結合來產生熱而非光,電離輻射同樣的也會造成這樣的缺陷,使得指示燈LED存在輻射電路局限的問題(例如在光絕緣體中),早期的紅光因而有顯著的短壽命情況。

白光指示燈LED通常使用一或多種的螢光粉,螢光粉會受到熱跟壽命的影響而衰減並降低效率,導致產出的光色改變。

高的電子流在高的溫度下會使得金屬原子從電極擴散至活性區域,有些材料,尤其是氧化銦錫和銀就容易有電子遷移的情形;有些狀況,尤其是GaN/InGaN的二極體,阻擋層金屬被使用來阻礙電子的遷移,機械的應力、高的電流和腐蝕性的環境可能會使得細小的連結發生導致短路的情形。

高功率指示燈LED對電流的擁擠敏感,不均勻的電流密度分布在接合點(junction)上,可能會產生局部的熱點,存在熱燒毀的風險,基板的不均勻導致熱傳導損失,使得問題變得更嚴重,常見的是來自於焊接材料的孔洞或是電子遷移效應和Kirkendall空洞,熱燒毀是指示燈LED常見的失效。

當光的輸出超出了臨界水準而導致琢面(facet)燒熔時,雷射二極體可能會有激烈的光學損壞。

有些塑膠封裝的材質會因為熱的緣故而變黃,導致局部波長的光被吸收而影響波長。

突然間的失效常常是因為熱應力所致,當環氧樹脂的封裝達到玻璃轉移溫度時,樹脂會很快速的膨脹,在半導體和焊點接觸的位置產生機械應力來弱化或扯斷它,而在非常低的溫度時則會讓封裝產生裂痕。

靜電的放電也可能產生半導體接合點(junction)立即的失效,特性的永久漂移及潛在的損壞都會導致衰減的速率增加,接合在藍寶石基板上的指示燈LED發光二極體及雷射,對ESD的損害更為敏感。

結言

指示燈LED材質與亮度和壽命是和價錢成正比!

當您選用指示燈LED可能有成本考量,但請別忘了客戶端使用後的感受,是直接深刻影響貴公司的品牌價值。

台灣製的指示燈LED品質和材質與製程比較嚴謹,相對高於中國大陸地區的商品,當然價錢方面明顯有差別!

如有任何關於指示燈LED相關問題請與我們聯絡