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發光二極體（LED：Light Emitting Diode）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「晶粒（Die）」而已，晶粒的尺寸與海邊的一粒砂子差不多，這麼小的一個晶粒就可以發出很強的光，慢慢取代了我們用了超過一個世紀的傳統燈泡。
發光二極體的構造
發光二極體（LED：Light Emitting Diode）的構造如＜圖一（a）＞所示，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「晶粒（Die）」而已，晶粒的尺寸與海邊的一粒砂子差不多，這麼小的一個晶粒就可以發出很強的光。由於發光二極體的晶粒很小，所以一片 3 吋的砷化鎵晶圓就可以製作數百個晶粒，切割以後再封裝，形成如＜圖一（b）＞的外觀，發光二極體的製程與矽晶圓的製程相似，都是利用黃光微影、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
發光二極體的工作原理
如果我們將＜圖一＞中的晶粒放大，如＜圖二＞所示，上下有金屬電極，中間有 N 型與 P 型的砷化鎵，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，電洞由電池的正極流入 P 型半導體，電子與電洞在 P 型與 N 型的接面處結合，並且由晶粒的上方發光，經過橢圓形的塑膠封裝外殼，由於橢圓形的塑膠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件只有「雷射二極體（LD：Laser Diode）」，要讓光線集中成一束必須要有「共振腔（Cavity）」的結構才行。
圖二、發光二極體（LED）的工作原理
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元件，如＜表一＞所示，簡單說明如下：
➤磊晶法：是指成長化合物半導體的方法，「液相磊晶（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）」，是使用有機金屬氣體，直接噴在砷化鎵晶圓上形成單晶薄膜（磊晶）。
➤發光顏色：是指肉眼觀察發光二極體所放射出來的顏色，通常很接近中心波長的顏色。
➤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，而且元件的壽命不長（亮度會逐漸變弱），而可以在戶外播放真實影像的電視牆必須使用紅、綠、藍三原色組合而成，早期的電視牆沒有藍色（因為沒有藍光的發光二極體），所以只能播放跑馬燈（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，日本日亞化學公司才發展出「氮化鎵（GaN）」發光二極體，可以放射出藍光，而且元件的壽命很長，但是氮化鎵磊晶和砷化鎵晶圓的原子大小相差很多（晶格不匹配），因此不能夠成長在「砷化鎵晶圓」上，必須成長在「藍寶石晶圓（氧化鋁單晶）」上。由於藍寶石晶圓價格很高，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。
➤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）、硒化硫（ZnS）等的發光二極體（單晶固體）由於元件的壽命不長，因此目前較少使用，但是這些材料與其他元素形成化合物的「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、電漿顯示器、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，螢光粉（多晶粉末）由於製作容易，成本很低。
表一、發光二極體的顏色
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＜圖三（a）＞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」，真正可以放射出「光很純」的元件稱為「雷射（Laser）」，其發光光譜如＜圖三（b）＞所示，有看出兩個發光二極體與雷射所放射出來的光有什麼差別嗎？
圖三、發光二極體的中心波長
《知識力》授權轉載
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