發光二極體(LED),是一種特殊的二極體,加正向電壓時,發光二極體能發出單色、不連續的光,這是電致發光效應的一種。當改變半導體材料的化學組成成分時,可使發光二極體發出在近紫外線、可見光或紅外線等光譜範圍的光,且沒有UV A、UV B及IR的問題。起初LED多作為指示燈、顯示板等用途;隨著白光LED的出現,從2005年 每W 30流明,到2010年已接近到每瓦100流明高發光效率,現可製作用於照明材料。它被譽為21世紀的新型光源,為人類照明的第三次革命。具有效率高,壽命長,節能、安全不易破損、無汞的環保特性,LED燈具指向性光源的特性,能避免光害的產生,無紫外線的特性能避免蚊蟲的聚集。
LED是Light Emitting Diode的縮寫,中文譯名為"發光二極體",是半導體材料製成的固態發光元件,使用材料III-V族化學元素(如磷化鎵(GaP)、砷化鎵 (GaAs)等),其發光原理是將電能轉換為光。當對化合物半導體施加電流時,透過電子與電洞的結合,過剩的能量會以光的形式釋發出,達成發光的效果,這屬於冷性發光,壽命長達十萬小時以上。
LED最大的特點在於無須暖燈時間(idling time)、反應速度快(約在10^-9秒)、體積小、用電省、抗震、低污染、適合量產,可靠度高,彈性且容易應用於製成極小或陣列式的元件上。
LED因材料的不同,其二極體內中電子、電洞所佔的能階也有所不同,能階的高低差影響結合後光子的能量而產生不同波長的光也就是不同顏色的光,如紅、橙光、黃、綠、 藍或不可見光等 。
LED產業結構大致為上游的磊晶片形成、中游的晶粒製作、到下游封裝成各式各樣應用產品
1. 上游主要為單晶片與磊晶片。LED發光顏色與亮度由磊晶材料決定,且磊晶佔LED製造成本70%左右,對LED產業極為重要。上游磊晶製程順序為:單晶片(III-V族基板)、結構設計、結晶成長、材料特性/厚度測量。磊晶的好壞決定了LED的基本能力與素質,亮度多用mcd表示,此時只是一塊薄薄的半導體晶粒。
2. 中游就是將這些晶片加以切割,形成為上萬個晶粒。依照晶片的大小,可以切割為二萬到四萬個晶粒。晶粒製程順序為:磊晶片、金屬膜蒸鍍、光罩、蝕刻、熱處理、切割、崩裂、測量。
3. 下游主要是晶粒封裝,將晶粒黏於導線架,將晶粒封裝成各類型LED,目前封裝後產品的類型有Lamp、集束型、數字顯示、點矩陣型與表面黏著型(SMD)下游封裝順序為:晶粒、固晶、黏著、打線、樹脂封裝、長烤、鍍錫、剪腳、測試。
封裝:將晶片做初步的加工,這將決定了LED的光型、亮度等等,而所謂的砲彈型、食人魚講的就是從封裝方式的不同而取的名字。
Lamp:最早的LED型式,瓦數、電壓、亮度皆很低,常見的封裝有下面三種Round Type(砲彈型):型似砲彈,光束角很小,亮度集中,常用於指示標誌照明,如紅綠燈。
Flat Top(平頭型):與砲彈LED同類,只是頂部是平的,光束角較大,應用較少見。Concave Top (凹面):型似平頭,中間有個圓錐內凹,此為光學設計,效果是在尖頭處產生一個亮點,常見於裝飾用的燈串。
Super Flux:出現在Lamp之後,光效與亮度都有提升,逐漸開始用在照明領域,有些車燈、背光源模組都還看的到。
SMD:形狀像個小方塊,瓦數與亮度較高,光效也不錯,光束角也很大,坊間稱的食人魚也是此種封裝方式中的一個款式,常用於扁帶燈背光源,但因為其效率不錯,也有不少照明產品也逐漸採用此款LED,應用極廣。
High Power(高功率型):現在拿來照明的LED多是採用這種,高亮度高效率,但發熱量也很可觀,有單顆一瓦,也有單顆數百瓦,瓦數越高越亮也越燙,但瓦數與光效不一定同等成長。
多晶封裝:將多個晶粒一起封裝在同一個板塊上,此種的光效通常較一般高功率型的高,總體熱度也低一些,但是體積就會比較龐大,也是用在照明的領域。
依據經濟部能源局的資料,住商用電的比例分佈,照明用電為28%,僅次於空調用電30.5%。傳統照明燈具既發光也發熱,照明多用1度,空調就會多耗0.3至0.5度電。若全民能一起響應節能減碳由更換燈具與使用習慣做起,就可為台灣省下約42億度電,也為地球減少267萬噸二氧化碳排放量。 LED燈具除了本身具備省電環保的優勢,再搭配智慧型控制系統,如調光器、光照感應器、物體感應器等,其節能減碳的效果將更為顯著。