做LED這個行業這麼久了，很多技術與術語我們都會覺得理所當然，很容易理解，但是細細想又很難系統性地道出個所以然。
所以，這次我試著來寫一篇LED的基本科普文章，希望對想了解LED的人有所幫助，或者就權當是知識的鞏固了，看到最後會發現，活用這些基本知識，會比想像中更簡單。
◆發光二極體(LED：Light Emitting Diode)原理介紹
▲發光二極體的構造
發光二極體(LED)都是使用「化合物半導體」製作，二種以上的元素鍵結形成的半導體，稱為「化合物半導體」。例如：砷化鎵(GaAs)屬於三五族化合物半導體(3A族的鎵與5A族的砷)、硒化鎘(CdSe)屬於二六族化合物半導體(2A族的鎘與6A族的硒)等固體材料， 化合物半導體的發光效率極佳，因此我們大多利用它來製作發光組件，例如：砷化鎵(GaAs)是屬於「直接能隙(Direct band gap)」，所以砷化鎵晶圓所製作的組件會發光，一般都用來製作發光二極體(LED)、雷射二極體(LD)等發光組件。
發光二極體(LED)的構造如圖一(a)所示，直插的燈珠外觀呈橢圓形，尺寸與一顆綠豆差不多，但是真正發光的部分只有圖中的「晶片(chip)」而已，晶片的尺寸與海邊的一粒砂子差不多，這麼小的一個晶片就可以發出很強的光。由於發光二極體的晶片很小，所以一片2吋的砷化鎵晶圓就可以製作數萬個晶片，切割以後再封裝，形成如圖一(a)的外觀，發光二極體的製程與矽晶圓的製程相似，都是利用光刻微影、摻雜技術、蝕刻技術、薄膜成長製作而成。
圖一 發光二極體(LED)的構造與工作原理
▲發光二極體的基本原理
如果我們將二極體的晶片放大，如圖一(b)的氮化鎵發光二極體所示，有金屬電極，中間有N型與P型的氮化鎵與電極。
當發光二極體與電池連接時，電子由電池的負極流入N型半導體，空穴由電池的正極流入P型半導體，電子與空穴在P型與N型的接面處結合，並且由晶片的上方發光。
經過橢圓形的塑料封裝外殼，由於橢圓形的塑料封裝外殼類似凸透鏡，具有聚光的效果，可以使發出來的光線「比較集中」。
值得注意的是，真正能夠使發出來的光線集中成一束射出的半導體元器件只有「雷射二極體(LD)」，要讓光線集中成一束必須要有「諧振腔(Cavity)」的結構才行，關於雷射，我以後會做詳細介紹。
▲發光二極體的顏色
當我們對不同的化合物半導體材料施加電壓時，會使化合物半導體發出「不同顏色的光」，科學家們利用這種原理可以製作出不同顏色的發光組件，如表一所示，簡單說明如下：
（表一發光二極體(LED)材料的種類與發光顏色的關係）
•外延方法：是指成長化合物半導體的方法，「液相外延(LPE：Liquid Phase Epitaxy)」是使用加熱法使化合物半導體熔化為液體，再緩慢冷卻形成固體單晶結構；「有機金屬化學氣相沉積(MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition)」，是使用有機金屬與氣體，直接噴在砷化鎵晶圓上形成單晶薄膜(外延)。
•發光顏色：是指肉眼觀察發光二極體所放射出來的顏色。
•碳化矽(SiC)：發光顏色為「藍綠色」，由於早期並沒有可以放射出藍光的發光二極體，所以大多使用碳化矽(SiC)做為藍光二極體，但是碳化矽放射出來的顏色並不是真正的藍色，而且器件的壽命不長(亮度會逐漸變弱)，而可以在戶外播放真實影像的顯示屏必須使用紅、綠、藍三原色組合而成，早期的顯示屏沒有藍色(因為沒有藍光的發光二極體)，所以只能播放單色顯示屏(顯示文字或簡單的圖形)，而不能播放真實的影像。
•氮化鎵(GaN)：一直到1995年，日本日亞化學公司中村修二博士團隊才發展出「氮化鎵(GaN)」發光二極體，可以放射出藍光，而且器件的壽命很長，但是氮化鎵和砷化鎵的原子大小相差很多(晶格不匹配)，因此不能夠成長在「砷化鎵襯底」上，必須成長在「藍寶石襯底(氧化鋁單晶)」上。由於當初藍寶石晶襯底價格很高，硬度又高不易加工，因此成本較高，再加上許多相關的專利都掌握在日本日亞化學公司手中，專利授權金造成藍光二極體的售價很高，所以早期藍光LED價格居高不下，隨著臺灣與大陸對這個技術的投入，目前藍光LED價格已經非常平價，大量使用於照明與顯示產品。
•二六族「二元素」化合物半導體：包括硒化鎘(CdSe)、碲化鋅(ZnTe)、硫化鎘(CdS)、硒化鋅(ZnSe)、硒化鋅(ZnS)等的發光二極體(單晶固體)由於器件的壽命不長，因此目前較少使用，但是這些材料的「多晶粉末」我們俗稱為「螢光粉」，目前廣泛地使用在傳統電子映像管顯示器、等離子顯示器、白光發光二極體等產品。除了二六族化合物半導體，科學家也陸續開發出許多不同成分的螢光粉，來增加發光亮度與使用壽命。
▲發光二極體的中心波長
「中心波長」是指發光二極體所放射出來的顏色相對的發光波長，由於不同顏色的光波長不同，所以發光二極體放射出不同的顏色就會有相對的發光波長。以「磷化鋁(AlP)」發光二極體為例，肉眼看到的顏色是「綠色」，但是其發光光譜如圖二所示，由圖中可以看出，磷化鋁(AlP)發光二極體放射光的顏色由0.45μm(藍綠色)~0.55μm(黃綠色)都有，所以並不是真正的綠色，而是許多波長混合起來的顏色，但是其中心波長5.0μm(綠色)的光強度最高，所以肉眼看到的顏色是「綠色」，發光強度最強的波長稱為「中心波長」，換句話說，只要知道發光二極體放射光的中心波長，就知道肉眼看起來是什麼顏色了。
發光二極體放射出來的光譜具有一個波長範圍(0.45μm~0.55μm)的情形我們稱為「光不純」，我們也可以使用半波寬值（Full Width Half Maximum）來衡量光的純度，真正可以放射出「光很純」的組件稱為「雷射(Laser)」。
(圖二 磷化鋁(AlP)發光二極體的發光光譜)
▲發光二極體的種類
如果以晶片結構來分類，可以分為正裝晶片，倒裝晶片與垂直結構晶片。如圖三（a）所示，正負（PN）電極在同一發光面的結構，稱為正裝結構，由於找不到氮化鎵材料合適的導電襯底，所以在藍光成功研發與產業化成功之後，藍寶石一直是這個結構最重要的襯底材料，由於襯底材料不導電，所以一般藍光綠光與紫光的氮化鎵LED都是這個結構。
最早的紅黃光LED結構由於是使用可以導電的砷化鎵與磷化鎵襯底，所以都做成單電極的垂直結構，這個結構是最早的LED結構，由於光與電流的均勻性好，指向性強，所以後來藍光LED在特殊應用的燈具上也開始使用垂直結構LED，但是由於氮化鎵材料的垂直結構LED工藝比較複雜，難度較大，需要將藍寶石襯底剝離或是需要直接將氮化鎵直接成長在導電的矽或金屬襯底上，所以良率比較難控制，所以這種結構的藍光綠光或紫光的LED應用比較特殊，例如手機閃光燈，指向性強的手電筒，汽車燈與UV固化燈，除了應用光型需要外，成本高只能用在高端也是重要原因。
倒裝結構如圖三（c）所示，與正裝結構類似，都是藍寶石襯底材料，但是需要將發光面鍍上反射電極，然後倒裝貼合在其他的基板，倒裝晶片由背面發光，正負PN電極面反射光線，由於傳熱路徑短與傳熱材料比藍寶石優越，所以倒裝結構可以有優越的熱穩定性，可以比正裝晶片驅動更高的電流而不衰減。
（圖三 LED晶片結構分類圖）
如圖四所示，如果以封裝形式來分類，LED可以分類為直插型（lamp）圖四（a），大功率流明型（High Power lumileds luxeon Type）圖四（b），貼片型（SMD）圖四（c），與COB（chip on board）圖四（d）。直插lamp是最早的封裝形式，但是由於散熱較差，所以目前越來越少使用，只有在裝飾燈與紅外指示燈方面用的比較多。大功率封裝以前在戶外路燈方面有大量使用，但是隨著SMD與COB的興起，目前也漸漸趨於沉寂。
由於中國大陸設備技術的快速發展，加上通用照明和大尺寸背光的興起，SMD已經是最主流的封裝技術，其方法是將LED晶片安裝在基體上以構成離散式的LED組件，接著再將這些LED組件安排在印刷電路板(PCB)上形成多重LED光源組合以提升照明度。由於在光型與散熱方面的優點，COB封裝技術帶來每單位區域LED光源封裝設計上更加精簡或照明度更高的輸出，低熱阻以及正確的封裝材料選擇帶來令人驚豔的光輸出以及更長的壽命，所以COB LED封裝不僅擁有比傳統離散式LED組件封裝更佳的效能，還能夠簡化溫度管理來簡化系統級的設計，可以說是幫助LED符合照明市場需求的理想解決方案，是可以與SMD爭雄的LED封裝新技術。
（圖四 LED封裝形式分類圖）
◆光的三原色(Three primary colors)
▲三原色的定義
可見光有無限多種顏色，那麼製作顯示器時要如何顯示這麼多種顏色呢？幸好科學家們發現，可見光雖然有無限多種顏色，但是只要以紅(R)、綠(G)、藍(B)三種顏色「不同亮度」即可組合成連續光譜中幾乎所有可見光的顏色，因此我們稱紅(R)、綠(G)、藍(B)三色為「光的三原色」， 為什麼RGB三種顏色只能組合成「幾乎所有」可見光的顏色，而不能組合成「所有」可見光的顏色呢？這個部分與色彩學有關，在此不再詳細討論。
本章節以下面幾個例子說明如何組合不同亮度的RGB三種顏色來形成幾乎所有可見光的顏色。假設有一個方格用來顯示某一種顏色，這樣的方格稱為「像素(pixel)」，我們將這個方格垂直切割成三個小方格，分別代表RGB三種顏色，這樣的小方格稱為「次像素(sub-pixel)」，如圖五所示。當紅色亮度100%(全亮)、綠色亮度100%(全亮)、藍色亮度100%(全亮)則我們的視覺會感受到三種顏色混合成白色，如圖五(a)所示，大家可以自行目視圖無(a)，結果會發現不論怎麼看都是三種顏色呀！怎麼會混合成白色呢？要讓我們的視覺感受到RGB三種顏色混合成一種顏色有兩種方法：
•讓觀察者距離較遠來觀看：一種方法是像素的大小不變，但是觀察者後退到十公尺以外再看，由於大部分的人都有近視(這一點很重要)，此時眼睛根本無法分辨RGB三個「次像素」，只能隱約看成一個「像素」，而RGB三種顏色自然也會被隱約混合成一種顏色了。「發光二極體的顯示屏」，它顯示的RGB三個次像素都很大，但是觀察者在距離數十公尺以外觀看，無法分辨RGB三個次像素，所以RGB三種顏色自然也會被隱約混合成一種顏色。
•將像素縮小到數百微米：另外一種方法是將像素縮小到數百微米(大約與頭髮的直徑大小相同)，此時RGB三個次像素也非常微小，這麼小的次像素不論觀察者靠多近觀看，眼睛都不容易分辨RGB三個「次像素」，只能隱約看成一個「像素」，而RGB三種顏色自然也會被隱約混合成一種顏色了。大家所使用的筆記本電腦顯示器稱為「液晶顯示器(LCD)」，它顯示的RGB三個次像素都很小，雖然觀察者在距離數十公分以內觀看，仍然無法分辨RGB三個次像素，所以RGB三種顏色自然也會被隱約混合成一種顏色。
(圖五 紅(R)、綠(G)、藍(B)三個次像素組合成連續光譜中幾乎所有的顏色)
▲三原色混合
我們可以將RGB三個次像素可能混合成的顏色舉例如下：
1.紅色亮度100%(全亮)、綠色亮度100%(全亮)、藍色亮度100%(全亮)大約混合成白色，如圖五(a)所示。
2.紅色亮度100%(全亮)、綠色亮度100%(全亮)、藍色亮度0%(全暗)大約混合成黃色，如圖五(b)所示。
3.紅色亮度100%(全亮)、綠色亮度50%(亮一半)、藍色亮度0%(全暗)大約混合成橙色，如圖五(c)所示。
4.紅色亮度0%(全暗)、綠色亮度100%(全亮)、藍色亮度100%(全亮)大約混合成藍綠色，如圖五(d)所示。
5.紅色亮度100%(全亮)、綠色亮度0%(全暗)、藍色亮度100%(全亮)大約混合成紫色，如圖五(e)所示。
6.紅色亮度0%(全暗)、綠色亮度0%(全暗)、藍色亮度0%(全暗)則會混合成黑色，如圖五(f)所示。
如果我們可以分別控制RGB三個次畫素的亮度為100%(全亮)、75%、50%、25%、0%(全暗)等五種，則這個畫素總共可以顯示5種不同亮度的紅色(R)、5種不同亮度的綠色(G)、5種不同亮度的藍色(B)，故總共可以顯示5×5×5=125種顏色。
如果我們可以分別控制愈多不同亮度的RGB，則總共可以顯示的顏色愈多，但是技術也愈困難。我們常見的六角形調色盤如圖五(g)所示，圖中列出數十種由RGB三個次像素不同亮度混合而成的顏色，右下角為紅色(R)，左方為綠色(G)，右上角為藍色(B)，三種顏色全亮則混合成白色在六角形的正中央。
◆視覺色彩學的定義
視覺色彩學主要是在討論人類的視覺感受與色彩的關係，由於顯示器與多媒體都與人類的視覺息息相關，因此必須先對人類的視覺做簡單的介紹，才能了解各種顯示器設計的原理，我們先來了解一下人類的眼睛看到不同顏色或影像，會有什麼不同的反應吧！
▲人類的視覺感受
人類的視覺神經對光的亮度感受程度與光的顏色有關，在白天或明亮處，人類的視覺神經對「黃綠色」最敏感，如圖六所示，在明亮處人類視覺感受為「粗線」，其最高點大約在「黃綠色」；在夜晚或黑暗處，人類的視覺神經對「綠色」最敏感，如圖六所示，在黑暗處人類視覺感受為「細線」，其最高點大約在「綠色」。因此，雨衣一般以黃色或綠色製作，穿著在明亮處但是視線不良的下雨天行走較明顯而安全；而會議簡報通常在室內黑暗處進行，故以紅光雷射二極體(LD)來指示較不清楚，目前許多廠商開發出綠光雷射二極體的產品，使會議簡報指示更清楚。
(圖六 人類的視覺神經與顏色的關係)
▲閃爍與刺眼(Flicker & Glare)
•畫面(Frame)：指顯示器所顯示的一幅靜態的圖形，由於人類的眼睛有視覺暫留的現象，如果在很短的時間內連續播放一連串的畫面，人類的大腦會以為這一連串的畫面是連續的，這就是我們所謂的電影或動畫。要評量一個顯示器或影片質量好壞非常重要一個參數是「每秒鐘(sec)所播放的畫面(Frame)數目」，又稱為「每秒畫面數目(fps：frame per sec)」，通常顯示器1秒鐘播放30個畫面(30fps)大概就已經超過人類的眼睛所能分辨的極限了，換句話說，顯示器1秒鐘播放超過30個畫面其實是沒有什麼意義的，一般的電視或電影每秒畫面數目大約為30fps；目前迪斯尼的立體動畫，例如：玩具總動員(Toy Story)、怪獸電力公司(Monsters Inc.)等是使用計算機所繪製的立體畫面，其每秒畫面數目可以達到20fps以上，所以動作看起來很連續；早期迪斯尼的平面卡通，例如：米老鼠與唐老鴨、大力水手等，大多是由動畫師以人工的方式繪製，其每秒畫面數目大約只有10fps，因此動作看起來不太連續。
•閃爍(Flicker)：指當每秒畫面數目太少時，前後畫面的切換時間太長而使人類的眼睛產生一明一暗的視覺感受。由於人類的眼睛有視覺暫留的現象，如果前後放映的畫面切換較快，則眼睛不會感受到閃爍，如果切換較慢，則眼睛會感受到忽明忽暗的現象，這就是畫面產生閃爍的原因。畫面閃爍的程度會與畫面的亮度及眼睛觀看畫面的角度有關，當畫面閃爍速率愈高，眼睛會感覺畫面的亮度愈亮，眼睛觀看畫面的角度不同，感受到的畫面閃爍程度也會不同，但是影響比較小。「刺眼」是指畫面的亮度或照度比太大時，使眼睛有不舒服的感覺，而對畫面產生心理排斥的現象。
◆亮度的單位(The unit of brightness)
▲瓦特(Watt)
光的亮度有許多不同的單位，在學習光電科技之前必須先了解，才能明白各種光電科技產品所描述的亮度是代表什麼意義。「瓦特(Watt)」的定義為光源單位時間產生多少能量，即光源單位時間產生多少焦耳，其單位為「W」，是最常見的亮度單位。
▲流明(lm：Lumen)
「流明(Lumen)」是眼睛實際感受到光源的亮度，單位為「lm」。瓦特是光源產生多少能量，但是人類的視覺神經對不同顏色的光感受程度不同，因此光源同樣發出1瓦特的光，在白天時，若是綠光則人類的眼睛會覺得比較亮，若是紅光或藍光則人類的眼睛會覺得比較暗，因此國際照明協會(CIE：International Commission on Illumination)定義在白天時，若光源實際產生的能量為1瓦特，則
•波長0.63μm的紅光：1瓦特(W)=181流明(lm)．波長0.555μm的綠光：1瓦特(W)=683流明(lm)．波長0.47μm的藍光：1瓦特(W)=62流明(lm)換句話說，光源同樣發出1瓦特(W)的光，人類的眼睛看起來，綠光的亮度有683流明(lm)，紅光只有181流明(lm)，藍光只有62流明(lm)，顯然在白天人類的眼睛對綠光的感受程度最大，對紅光的感受程度次之，對藍光的感受程度最小。
▲燭光(cd：Candela)
「燭光(Candela)」的定義為單位立體角(以弳度計算，Ω=180°)眼睛實際感受到光源的亮度有多少流明(lm)，即每「單位弳度(Ω)」眼睛實際感受到多少「流明(lm)」，單位為「cd」。
要正確地描述一個點光源實際的亮度，應該將角度的因素考慮進去，由於點光源呈放射狀向四面八方照射並不是平面上的角度，因此將這种放射角度稱為「立體角」，必須經由積分計算整個立體球面的角度總共為4Ω弳度(大約4×3.14=12.56弳度)，故1燭光的點光源(代表每1弳度發出1流明的光)，如果接收的角度為整個立體球面(12.56弳度)，則其亮度為12.56流明，如果接收角度只有半個立體球面(6.28弳度)，則其亮度為6.28流明。
▲照度(Lux：Illumination)
「照度(Illumination)」的定義為單位面積，眼睛實際感受到光源的亮度有多少流明(lm)，即每「平方公尺(m2)」眼睛實際感受到多少「流明(lm)」，單位為「lux」。
▲輝度(Luminance)
「輝度(Luminance)」的定義為單位面積，眼睛實際感受到光源的亮度有多少燭光(cd)，即每「平方公尺(m2)」眼睛實際感受到多少「燭光(cd)」，單位為「cd/m2」；也可以說是每「平方公尺(m2)」、每「單位弳度(Ω)」，眼睛實際感受到多少「流明(lm)」。
◆亮度與閃爍(Brightness & Flicker)
（圖七 亮度對比好與對比差的兩張圖片比較）
▲亮度與對比(Brightness & Contrast)
由圖七所表現的兩張圖片的比較，亮度與對比是設計顯示器時重要的參數，人類眼睛的視覺會隨著物體與背景之間亮度的差異而有不同的感受，這種亮度的差異稱為「對比(Contrast)」。對比的定義為畫面中亮區域(BMax)與暗區域(Bmin)的亮度差異除以亮區域(BMax)與暗區域(Bmin)的亮度平均值：
對顯示器的應用來說，更常用來衡量對比性質好壞的方式是使用「照度比(Contrast ratio)」，照度比的定義為畫面中亮區域(BMax)與暗區域(Bmin)的亮度比值：
人類的眼睛要看見畫面的圖形照度比必須大於1.03，一般顯示器的照度比大約在20左右，而最小照度比必須大於5才能清楚地辨識畫面中的物體。
◆我對LED科技的看法
LED是一門半導體物理，光學，材料學與色彩學的綜合學科與技術，早期的技術開發感覺人的因素很重要，技術進步就是工程師調試配方（他們叫recipe）與試錯再優化的過程，尤其是在外延的部分，理論不是很深奧，但是結構優化的過程是技術人員最寶貴的經驗與公司最重要的技術資產，能夠駕馭設備做出高亮度晶片的人就是掌握公司命脈的決定者。但是隨著標準化設備的導入，規模化與模塊化的產業過程，技術不再是深不可測，工藝優化，設備優化變成主旋律，未來，掌握了LED基本知識，活用這些知識之後，你就會了解，高深的科技理論不過就是我所推廣的簡單道理。
所謂大道至簡是也！
本文原標題為《給文科生的LED知識大全集》，作者葉國光，來源行家說。