LED 工程師基礎概念與應用

<內容特色>

節能與環保已是全人類的共識，這使得LED逐漸的在取代鎢絲燈泡及各類螢光燈，成為新照明的光源。因此LED燈源及其相關產品已成為一項新興產業，預期產業界將需要大量與LED照明相關的工程師。有鑑於此，經濟部工業局委託工研院產業學院與中華民國光電學會，擬定LED工程師能力鑑定制度，並辦理LED工程師基礎能力鑑定及LED照明工程師能力鑑定，期望我國的LED產業能領先全世界。

<章節目錄>

序

第一章　發光二極體產業概論　 洪瑞華
1. 發光二極體（Light-Emitting Diode, LED）發展歷史2
1.1　碳化矽（SiC）發光二極體發展歷史2
1.2　砷化鎵（GaAs）和砷化鋁鎵（AlGaAs）紅外光和紅光發光二極體的發展歷史4
1.3　GaAsP 發光二極體的發展歷史8
1.4　GaP 和 GaAsP 發光二極體摻雜具旋光性雜質的發展歷史10
1.5　GaN 金屬半導體發光體發展歷史14
1.6　GaN p-n junction 之藍、綠及白光發光二極體的發展歷史16
1.7　AlGaInP 可見光發光二極體之發展歷史18
2. 發光二極體基板的選擇21
3. 雙氣流 MOCVD 磊晶成長24
4. 側向磊晶成長技術26
5. 有機金屬化學氣相沉積磊晶機台簡介27
6. LED 元件製作29
6.1　p-GaN 歐姆接觸29
6.2　p-GaN 及 mesa 蝕刻29
6.3　p-pad 及 n-pad 製作30
6.4　晶片研磨、切割、固晶、打線及封裝31
7. 參考資料32

第二章　LED 照明應用　 陳建宇
1. 前言38
2. LED 光特性的標準與測試方法38
2.1　全光通量38
2.2　部分光通量39
2.3　光分佈40
2.4　發光強度40
2.5　亮度40
2.6　發光光譜41
2.7　色度（Colorfulness）41
2.7　照度42
3. 色溫（Color Temperature）42
3.1　演色指數（Color Rendering Index, CRI）系統44
3.2　演色向量（Color Rendering Vectors, CRV）系統44
3.3　照度與色溫對感知之影響44
4. 照明量測規範46
5. 光學設計篇47
5.1　光學設計47
5.2　LED 晶片元件設置47
5.3　LED 安全性設計48
5.4　安全性設計與安全規範48
6. 應用篇49
6.1　室內照明應用領域49
6.2　居家（客廳、書房、臥室等）49
6.3　辦公室50
6.4　工廠51
6.5　學校52
6.6　公共建築（運輸系統、商店、博物館等）54
6.7　醫療空間（手術室）55
7. 室外照明應用領域57
7.1　LED 路燈57
7.2　LED 車燈61
7.3　LED 指示燈、景觀燈64
8. 參考資料65

第三章　LED 國際照明規範常識　 賴芳儀
1. 前言68
2. 各國照明規範制定概況68
2.1　台灣 LED 照明規範發展概況68
2.2　美國 LED 照明規範發展概況74
2.3　日本 LED 照明規範發展概況75
2.4　韓國 LED 照明規範發展概況75
2.5　中國 LED 照明規範發展概況77
3. 規範制訂組織、LOGO、組織名稱縮寫（表列）78

第四章　LED 產品發展趨勢　 呂紹旭
1. LED 元件產品發展歷程86
2. LED 封裝元件產品類別定義89
3. 白光 LED 元件產品技術發展90
4. LED 應用產品發展93
5. 參考資料100

第五章　光電半導體元件　 吳孟奇　黃麒甄
1. 基本原理102
2. 電子轉移機制103
3. 注入機制107
4. 發光效率與量子效率108
5. 輻射光譜109
6. PN 接面原理111
7. 發光二極體112
8. 半導體的材料與種類114
9. 半導體的鍵結與晶體結構115
10. 半導體的產生與複合117
11. 導體、半導體、絕緣體的能帶118
12. 發光二極體元件結構119
12.1　典型平面表面出光型 LED 元件結構119
12.2　基板（砷化鎵、藍寶石、矽、氮化鎵）晶格常數、晶格結構（晶向）價格123
12.3　同質結構元件能帶圖123
12.4　異質結構元件能帶圖124
12.5　封裝後成品125
13. 參考資料127

第六章　LED 基本驅動電路　 梁從至
1. LED 的電氣特性130
2. 直流電壓源之 LED 驅動電路之設計132
3. 電源為市電交流電壓之 LED 驅動電路設計135

第七章　系統模組設計　 歐崇仁　林俊良
1. 前言144
2. 基礎幾何光學原理的介紹：費馬原理到 SNELL 定律144
3. 何謂一次光學149
4. 整體效率之計算150
5. LED 二次光學原理152
6. 折射定律於二次光學的應用154
7. LED 二次光學的設計觀念155
8. 光形與色座標的關係156
9. 軟體的校正157
10. 光源的設定159
11. 二次光學的模擬程序簡介160
12. LED 二次光學設計範例：非球面凹透鏡設計理論與模型162
12.1　基本觀念163
12.2　建立模型164
12.3　光源設定165
12.4　封裝設計168
12.5　模擬結果與實驗的比對170
12.6　未來的建議173
13. 系統模組效率174
13.1　驅動電路效率176
13.2　功率因數（Power Factor，簡稱 PF）176
13.3　諧波失真 THD- total harmonic distortion176
14. LED 效率177
14.1　內部量子效率177
14.2　光取出效率179
14.3　螢光粉轉換效率179
14.4　燈具與光學效率179
15. 封裝材料特性180
16. 導線架（lead frame）181
16.1　金屬導線架182
16.2　陶瓷 （Ceramic）導線架184
16.3　矽（silicon）導線架185
16.4　固晶材料185
16.5　環氧樹脂固晶186
16.6　共晶（eutetic）固晶186
16.7　金屬焊線（wire bonding）187
16.8　封膠材料（encapsulate）188
17. 參考文獻188

第八章　白光發光二極體用之螢光粉結構與特性　 劉如熹　黃婉瑜
1. 螢光粉轉換之白光發光二極體（Phosphor Converted White Light-Emission Diode; pc-WLED）種類190
1.1　藍光 LED 加黃色螢光粉190
1.2　藍光 LED 加上黃色（或綠色）與紅色螢光粉191
1.3　紫外光 LED 加上藍色、綠色與紅色螢光粉191
2. 螢光粉之組成194
2.1　主體晶格（host lattice）195
2.2　活化劑（activator）197
2.3　增感劑（sensitizer）197
3. 影響螢光粉發光之效應與因素198
3.1　螢光與磷光（fluorescence and phosphorescence）198
3.2　斯托克位移（ Stokes shift）200
3.3　濃度淬滅效應（Concentration Quenching Effect）200
3.4　熱淬滅效應（Thermal Quenching Effect）201
4.應用於白光發光二極體之主流螢光粉發光特性與優缺點203
4.1　適用於白光發光二極體之螢光粉特性需求203
4.2　鋁酸鹽（YAG）螢光粉之結構與特性204
4.3　矽酸鹽（silicate）螢光粉之結構與特性206
4.4　β-SiAlON 之結構與特性209
4.5　LuAG 螢光粉之結構與特性210
4.6　Sr2Si5N8:Eu2+ 之結構與特性211
4.7　CaAlSiN3:Eu2+ 之結構與特性213
5. 適用背光與照明用之發光二極體螢光粉差異比較214
5.1　螢光粉於 LED 背光顯示器之應用214
5.2　螢光粉於 LED 照明設備之應用215
6. 螢光粉於發光二極體之未來發展218
6.1　Lumiramic 螢光片（Phosphor Plate）218
6.2　非稀土元素摻雜之螢光粉220
7. 參考資料222

第九章　LED 模組散熱　 朱紹舒
1. 高功率 LED 散熱原因224
2. 針對 LED 發熱關鍵點的研究226
3. 封裝結構與散熱途徑230
4. 基礎熱傳學232
5. 熱阻（thermal resistance）235
6. LED 的熱阻量測236
7. LED 散熱器的設計與選擇238
8. LED 散熱基板242
9. 參考文獻243

第十章　光度與色度學　 郭文凱
1. 光度學的概念與量測246
1.1　光譜（Spectrum）與可見光（Visible Light）246
1.2　人眼視覺248
1.3　光度學的基本量250
1.4　光度量測技術與儀器254
2. 色度概念與量測260
2.1　三色刺激值260
2.2　CIE-XYZ 色座標（Colour Coordinator）261
2.3　CIE-UCS 色座標264
2.4　色純度和主波長（Purity and Dominate Wavelength）表示法265
2.5　色溫（Colour Temperature）和相關色溫 （Correlated Colour Temperature）266
2.6　光源的演色性（Colour Rendering）268
2.7　色度學的基礎標準269
2.8　色度的測量270
3. 參考資料272

第十一章　LED 光學特性　 謝其昌
1. LED 光學特性與參數274
1.1　發光角度274
1.2　發光強度275
1.3　常見單位275
1.4　常見 LED 規格與圖表276
1.5　色溫277
1.6　光譜特性277
1.7　演色性（Ra）278
1.8　電流與電壓特性278
1.9　電流與發光強度特性279
1.10　溫度與發光強度特性280
2. 幾何光學基本理論280
2.1　光源280
2.2　光線281
2.3　光束281
2.4　光的直線傳播定理282
2.5　光的獨立傳播定律282
3. 反射定理與折射定理283
3.1　反射定律283
3.2　折射定律284
3.3　折射率285
3.4　臨界角與全反射285
4. 參考書目287

附錄
索引