LED原理與應用(3版)

　　在節能與環保的新世代，白光 LED 因省電低耗與輕薄短小，又可製作為液晶顯示器背光板，LED已然成為照明領域一顆璀璨之星。現今，在光學、材料、機械與電子等學科領域，以白光 LED 與高亮度 LED 為主要發展方向，相信若 LED 能取代現有的照明光源，會為全球能源產業帶來新一波的革命。
　　
　　本書介紹發光二極體的基礎知識、原理及應用，並配合圖片清晰明瞭解說。全書共分為六個章節：第一章發光二極體發展歷史與半導體概念；第二章發光二極體的原理；第三章發光二極體磊晶技術介紹；第四章發光二極體的結構與設計；第五章發光二極體相關色度學；第六章發光二極體的應用。
　　
　　本書可作為大學與技術學院光電、電子、電機、材料、機械、能源、應物與應化等系所教科書，亦可適用於業界的工程師、研發人員與管理階層學習參考，同時對LED有興趣之讀者朋友也適合閱讀。
 
本書特色
 
　　◎適用於LED工程師認證考試或大專教科書
　　◎資料最新、範圍最廣，文字精益求精，彩色圖表漂亮清晰
　　◎新版增加最熱門的白光LED組成與封裝技術&習題解答
 
作者簡介

郭浩中

現職：
　　國立交通大學光電工程學系教授

學歷：
　　美國伊利諾大學香檳分校(UIUC)電機博士

經歷：
　　華星光通科技股份有限公司雷射部門經理
　　安捷倫科技光纖通訊部門資深研究員
　　伊利諾大學香檳分校化合物半導體及微電子中心研究助理
　　Lucent Technology Bell Laboratory貝爾實驗室異質接面半導體部研究助理

賴芳儀

現職：
　　元智大學電機工程學系助理教授

學歷：
　　國立交通大學光電工程博士

郭守義

學歷：
　　國立交通大學光電工程博士

現職：
　　長庚大學電子工程學系助理教授

第一章 發光二極體發展歷史與半導體概念
1.1 發光二極體發展歷史
1.2 半導體概念
1.2.1 能帶
1.2.2 本質半導體
1.2.3 外質半導體
1.2.4 簡併半導體
1.2.5 外加電場下的能帶圖
1.3 直接和非直接能隙半導體
1.4 p-n 接面理論
1.4.1 無外加偏壓（開路）
1.4.2 順向偏壓
1.4.3 逆向偏壓
1.4.4 空乏層電容
1.4.5 復合生命
1.5 p-n 接面能帶圖
1.5.1 無外加偏壓（開路）
1.5.2 順向和逆向偏壓
習題
參考文獻

第二章 發光二極體原理
2.1 發光二極體（Light Emitting Diodes）
2.1.1 原理
2.1.2 元件結構
2.1.3 LED 材料
2.1.4 異質接面高強度 LEDs
2.1.5 LED 特性
2.2 輻射複合的理論
2.2.1 輻射復合的量子力學模型
2.2.2 van Roosbroeck-Shockley 模型
2.2.3 溫度和摻雜濃度對復合的影響
2.2.4 Einstein 模型
2.3 LED 的電性介紹
2.3.1 二極體的電流-電壓特性
2.3.2 理想與實際二極體 I-V 特性
2.3.3 寄生電阻的量測與估算
2.3.4 發光二極體的輻射光子能量
2.3.5 同質 p-n 接面二極體的載子分布
2.3.6 異質 p-n 接面二極體的載子分布
2.3.7 異質結構對元件電阻的影響
2.3.8 雙異質結構中的載子損耗機制
2.3.9 雙異質結構的載子溢流現象
2.3.10 電子阻擋層的影響
2.3.11 發光二極體驅動電壓
2.4 LED 的光學特性介紹
2.4.1 LED 內部、外部量子效率與功率轉換
2.4.2 LED 輻射光譜
2.4.3 光逃逸錐角
2.4.4 射場型
2.4.5 lambertian 放射圖案
2.4.6 環氧樹脂封裝材料的影響
2.4.7 發光強度與溫度的關係
習題
參考文獻

第三章 發光二極體磊晶技術介紹
3.1 液相磊晶法（Liquid Phase Epitaxy, LPE）
3.2 分子束磊晶（Molecular Beam Epitoxy, MBE）
3.3 氣相磊晶法（Vapor Phase Epitoxy, VPE）
3.3.1 氫化物氣相磊晶法（Hydride vapor phase epitaxy, HVPE）
3.2.2 金屬有機物化學氣相沉積（metal-organic chemical vapor deposition,
MOCVD）

第四章 發光二極體的結構與設計
4.1 高內部效率的設計
4.1.1 雙層異質結構
4.1.2 主動區的摻雜
4.1.3 p-n接面的位移
4.1.4 侷限層的摻雜
4.1.5 非輻射復合
4.1.6 晶格匹配
4.2 高光萃取效率結構設計
4.2.1 半導體中低於能隙之光的吸收
4.2.2 雙異質結構
4.2.3 透明基板的技術
4.2.4 改變 LED 晶粒的外形
4.2.5 半導體表面結構化（Textured）
4.2.6 抗反射層
4.2.7 布拉格反射鏡的使用
4.2.8 全方向反射鏡的使用
4.2.9 薄膜（Thin-film）技術
4.2.10 濕式蝕刻圖形化藍寶石基板（pattern sapphire substrate, PSS）
4.2.11 覆晶技術
4.2.12 交叉的接觸電極和其他幾何形狀的接觸電極
4.2.13 光子晶體 LED
4.2.14 其它提升 GaN LED 光萃取效率的方法
4.3 電流分佈的設計
4.3.1 電流分佈層（current-spreading layer）
4.3.2 電流分佈理論
4.3.3 成長在絕緣基板上的 LED 內的電流聚集現象
4.3.4 側向注入結構
4.3.5 電流阻檔層（Current-blocking layer）
4.4 效率下降（Efficiency droop）
4.4.1 極化效應造成的載子溢流
4.4.2 載子傳輸造成的電子溢流
4.4.3 Auger 復合效應
習題
參考文獻

第五章 色彩學與色度學
5.1 人眼的感光度與量測法
5.1.1 人眼構造
5.1.2 基本的輻射度量和光度量
5.1.3 視覺函數（eye sensitivity function）
5.1.4 發光功效（luminous efficacy）及發光效率（luminous efficiency）
5.2 色度學
5.2.1 顏色匹配函數及色度圖
5.2.2 顏色純度
5.3 普朗克光源和色溫
5.3.1 太陽光譜
5.3.2 普朗克光譜
5.3.3 色溫和相關色溫
5.4 顏色混合和演色性
5.4.1 加法混色
5.4.2 標準光與標準光源
5.4.3 色差與演色性
5.4.4 CIE-LUV
5.4.5 CIE-LAB
習題
參考文獻

第六章 白光發光二極體組成、螢光粉與封裝方式
6.1 白光發光二極體組成（white light-emitting diode; WLED）
6.1.1　介紹
6.2 螢光粉介紹
6.2.1 螢光粉發光原理
6.2.2 螢光粉種類與特性
6.3 封裝型式比較
6.3.1 點膠、敷衍型與遙遠型
6.4 高效率與高均勻性白光發光二極體
6.4.1 粗化形式
6.4.2 圖形化 Remote phosphor 結構
參考文獻

第七章 LED 的應用
7.1 LED 在背光源的應用
7.1.1 背光源分類
7.1.2 技術發展
7.2 LED 照明應用
7.2.1 照明技術演進
7.2.2 LED 車用照明
7.2.3 一般照明
7.2.4 其它照明應用
7.3 通訊
7.3.1 光纖通訊技術的發展
7.3.2 光纖通訊的優點與缺點
7.3.3 光纖通訊光源
習題
參考文獻
索引

推薦序

　　近年來，發光二極體（Light Emitting Diode, LED）為台灣光電產業中發展最迅速及最具未來競爭力的產品。完整的產業結構從原物料最上游藍寶石晶棒、晶片、上游磊晶、中游晶粒、下游封裝、模組至系統應用端，台灣的LED 產品已成為全球最大的供應中心。由於環保意識抬頭，節能減碳以降低溫室效應最有效的方法之一就是使用高效率白光 LED 來全面取代室內外照明，而此舉也被視為愛迪生於 1879 年發明電燈泡以來，人類對於照明方式革命性的大躍進。

　　1965 年交大半導體研究中心成功自製第一顆平面式矽質電晶體及MOSFET/Stable MOS Interface，為台灣電子工業開創新紀元之後，研究中心陸續培育出更多優秀的半導體人才，而全台灣第一顆紅光 LED 也是於 1970 年從這實驗室誕生的（我指導的技術員吳清斌做出），後來由萬邦電子公司於1976 年正式量產成紅光 LED 晶粒，而萬邦電子正是國聯光電（晶元光電）的前身。人才的培育對於台灣高科技產業是相當重要的，現今台灣半導體及光電的技術基礎能如此豐厚紮實，實要歸功於技術經驗的傳承與累積。

　　郭浩中教授致力於紫外光及藍綠光氮化鎵發光元件之研究，是台灣眾多光電研究團隊中最為人所熟知的研究團隊。其獲選為 2007 年吳大猷青年獎、2007 年光學工程青年獎章、2009 年傑出人才積極留任國內優秀學者獎以及 2011 年獲選為 OSA Fellow，如此優秀的教授所引領的研究團隊，近年來在學術上創造相當多的國際級成果。以學術成就而言，在氮化鎵面射型雷射（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL）方面，郭教授與王興宗教授研究團隊在奈米計畫的輔助下，於 2008 年發表全世界第一顆藍光 meastypeVSCEL 元件，此技術領先全世界的頂尖研究團隊（如瑞士 EPFL、日本 Prof. Arakawa 團隊、美國 UCSB、日本京都大學的 Prof. Noda、韓國 KAIST 的 H. T. Lee），此研究成果備受世界矚目，被 Laser Focus World、Compound Semiconductor 及 SPIE Newsroom 等國際著名雜誌爭相報導，如此優越的成就已經成功地提昇台灣光電在國際的能見度。就產業價值而言，目前藍圖光 LED 與 LD 之關鍵技術與專利均被日本等大廠所掌握，然而郭教授研究團隊利用奈米級超晶格結構等相關技術開發出藍光 VCSEL 並在 2009 年獲得台灣（證書號：I299929）與日本（Japanese Patent Application No.: 2006-001364）專利，這是台灣在氮化鎵藍光面射型雷射第一個日本專利；在高效率氮化鎵 LED 元件開發上，利用關鍵奈米技術開發出來的白光 LED 的效率已可140lm/W 以上，而這些關鍵技術也正式技轉給台灣光電大廠，並陸續導入產品，這使台灣光電業能夠在氮化鎵發光元件的技術與應用上與世界大廠並駕齊驅，同時也為台灣光電產業創造超過數百億台幣以上的年產值。因此，郭教授團隊如此卓越的研究成果與貢獻應該被推崇與讚賞。

　　本書是由郭浩中教授及其領導的研發團隊所整理收集的文獻及近期研發之成果，內容從半導體元件、磊晶基礎原理、晶粒製作、白光封裝製程、光電特性模擬及 LED 相關應用等知識，全文內容完整豐富深入淺出，閱讀後相信讀者對此產業的技術及基本原理將有更深刻的認知，對學術界及產業界更是一大貢獻，因此本人樂為推薦並為之序。