在聖經創世紀中, 光是神在天地中最先創造的, 人對於光是充滿感情. 從日月星晨的光到燃燒所產生的光, 我們總希望能對光掌握更多. 現今的技術中我們在光的應用非常的廣泛, 從照明, 顯示, 通訊和能源等等, 光的應用支撐著人們的食衣住行育樂. 今天, 我們來看一看近一百年來對光源重大的突破, 半導體固態光源.
近一百年來, 人們對電掌握的能力進展迅速, 光的產生也從由原本的燃燒產生的方式轉而用電產生的方式, 從愛迪生將白熾燈泡(利用將電流通過細金屬絲所產生的高溫電時產生光)的設計改良而讓它能更穩定, 到螢光燈 (利用電子束撞擊螢光粉產生光) 的商用化, 緊接著就是隨著我們在半導體的重大發展我們發現了以半導體技術製作的固態光源, 發光二極體LED (Light emitting diode).
首先, 來看一下二極體的工作原理, 早期的二極體是利用電子束帶負電的特性讓電流只能從一個方向通過, 達成開關的功能, 如圖一. 在半導體技術下, 二極體的作法是將兩種不同類形的半導體相連接, 其一為加入比矽少一電子而形成電洞為載子的P型半導體, 一為加入多一電子而形成電子為載子的N型半導體. 當PN相接合時, 各別的載子會擴散並相結合產生一段無載子卻有電場的空乏區, 所形成的電場就成為阻斷載子進一步移動的力量, 進而達到平衡狀態.
當有外加電壓時, 有兩種不同的狀況. 第一種情況是當外加電壓與空乏區所產生的電場同向時, 外加電場會使空乏區會愈發擴大, 也就沒有電(載子)流能通過接面, 進而達到斷路的狀態. 反之, 當電場方向與空乏區電場相反時, 空乏區的區段會被外加電場抵消, 此時N型半導體中的載子便會往P型半導體移動, 在產生電流的同時, 電子與電洞會在接面處大量的結合, 並放出能量.
在科學家們大量的嘗試著不同的半導體材料後, 發現在三族和五族元素的化合物半導體所構成的PN接面下, 電子與電洞放出的能量會以光的形式被釋放, 這就是所為的發光二極體, 而所放出的波長會與電子與電洞所在能階的能量差成反比, 也就是說, 我們可以藉由調整能階的差距, 進一步讓光的波長改變, 對可見光來說就是改變顏色.
半導體固態光源比起螢光燈與白熾燈等傳統光源, 具有體積小, 轉換效率高, 穩定度高, 壽命長, 反應速度快等等優點, 若在加上特殊的光學設計更可進一步成為雷射二極體. 這些特點除了已經被廣泛的使用在光通訊的應用上, 在現代社會要求節能, 減碳及無汞下, 也開始大量的使用在顯示器與照明系統上, 隨著時間的演近, 在可以預見的未來, 發光二極體會繼續在各個主要的光源系統上發光發熱.
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