Transcript LED 光纖
海山高中100學年度(上) 【多元生活技能】 【光電科技應用班】 指導教授:杜繼舜 授課老師:林張鴻 1 為什麼認識LED （Light-Emitting Diode）? 2 有限能源消耗 石油是一種全球使用量最高的化石燃料，耗盡的時間 較其他的較慢。可廣泛使用的可再生能源，例如肥料 發電、能量高的核能發電和科學不斷的進步都可減少 對化石燃料的依賴。 3 替代能源 替代能源的來源 生物質能（生質燃料） 地熱 太陽能 風力 潮汐 人力 海水溫差發電 4 當替代能源無法完全取代石化能源 5 6 節能減碳又省錢 7 節約能源 節約能源（簡稱節能）是指以減少能源消耗的方式， 保護資源，減少對環境的污染。節能可以通過提高能 源使用效率，減少能源消耗，或降低傳統能源的消耗 量。節能可以帶來更多的金融資本，環境質量，國家 安全，人身安全和人體舒適度。個人和組織節約能源 ，降低能源成本，促進經濟安全。 8 課程介紹 半導體 二極體 LED（Light-Emitting Diode，LED） LED應用 OLED OLED應用 光儲存 光纖通訊 光纖 9 半導體 半導體是指一種導電性可受 控制，範圍可從絕緣體至導 體之間的材料。無論從科技 或是經濟發展的角度來看， 半導體的重要性都是非常巨 大的。今日大部分的電子產 品，如電腦、行動電話或是 數位錄放音機當中的核心單 元都和半導體有著極為密切 的關連。 10 半導體 三種導電性不同的材料比較，金屬的價帶與傳導帶之 間沒有距離，因此電子（紅色實心圓圈）可以自由移 動。絕緣體的能隙寬度最大，電子難以從價帶躍遷至 傳導帶。半導體的能隙在兩者之間，電子較容易躍遷 至傳導帶中 11 半導體的摻雜 半導體之所以能廣泛應用在今日的數位世界中，憑藉 的就是其能藉由在其晶格中植入雜質改變其電性，這 個過程稱之為摻雜（doping）。摻雜進入本質半導 體（intrinsic semiconductor）的雜質濃度與極性皆 會對半導體的導電特性產生很大的影響。而摻雜過的 半導體則稱為外質半導體（extrinsic semiconductor）。 12 N型半導體 摻入少量雜質磷元素（或銻元素）的矽晶體（或鍺晶 體）中，由於半導體原子（如矽原子）被雜質原子取 代，磷原子外層的五個外層電子的其中四個與周圍的 半導體原子形成共價鍵，多出的一個電子幾乎不受束 縛，較為容易地成為自由電子。於是，N型半導體就 成為了含電子濃度較高的半導體，其導電性主要是因 為自由電子導電。 13 P型半導體 摻入少量雜質硼元素（或銦元素）的矽晶體（或鍺晶 體）中，由於半導體原子（如矽原子）被雜質原子取 代，硼原子外層的三個外層電子與周圍的硼原子形成 共價鍵的時候，會產生一個「電洞」，這個電洞可能 吸引束縛電子來「填充」，使得硼原子成為帶負電的 離子。這樣，這類半導體由於含有較高濃度的「電洞」 （「相當於」正電荷），成為能夠導電的物質。 14 15 PN接面二極體（PN DIODE） 16 二極體 PN接面二極體（PN Diode） 蕭特基二極體（Schottky Barrier Diode） 穩壓二極體（Reference Diode）（常用稱法：齊 納二極體(Zener Diode)） 恆流二極體（或稱定電流二極體，CRD、Current Regulative Diode，Constant Current Diode） 變容二極體（Variable Capacitance Diode、 Varactor Diode） 發光二極體（Light-Emitting Diode，LED） 雷射二極體（Laser Diode） 光電二極體（Photo Diode） 隧道二極體（Tunnel Diode）、江崎二極體 （Esaki Diode）、透納二極體 17 發光二極體（LIGHT-EMITTING DIODE，LED） LED是一種可以將電能轉化 為光能的電子零件，並同時 具備二極體的特性，也就是 具備一正極一負極，LED最 特別的地方在於只有從正極 通電才是會發光，故一般給 予直流電時，LED會穩定地 發光，但如果接上交流電， LED會呈現閃爍的型態，閃 亮的頻率依據輸入交流電的 頻率而定。 18 LED的發明 1955年，美國無線電公司 （Radio Corporation of America）的魯賓·布朗石 泰（Rubin Braunstein） 首次發現了砷化鎵（GaAs） 及其他半導體合金的紅外放 射作用。1962年，通用電 氣公司的尼克·何倫亞克 （Nick Holonyak Jr.）開 發出第一種實際應用的可見 光發光二極體。 19 LED的發光原理 發光二極體是一種特殊的二極體。發光二極體由半導 體晶片組成，這些半導體材料會預先透過注入或攙雜 等工藝以產生p、n架構。與其它二極體一樣，發光 二極體中電流可以輕易地從p極（陽極）流向n極 （負極），而相反方向則不能。兩種不同的載流子： 空穴和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向p、 n架構。當空穴和電子相遇而產生複合，電子會跌落 到較低的能階，同時以光子的模式釋放出能量（光子 也即是我們常稱乎的光）。 20 LED的發光原理 圖示 21 LED燈的顏色如何決定...？ [LED燈會因為二極晶圓製造過程中所添加的金屬元 素不同,成分比例不同,而發出不同波長的光,以波長在 470發藍光,530發綠光,570發黃光,630發紅光,其中又 以藍光及綠光價格較高,因為藍綠光的特殊金屬在晶 圓磊晶需成長在藍寶石上,故每顆藍綠光LED晶片都 是由藍寶石製成的. 22 發光二極體的無機半導體原料及發光顏色 23 紅光LED 採用砷化鎵 （GaAs）的發光 二極體只能發出 紅外線或紅光。 隨著材料科學的 進步，可研發各 種顏色的發光二 極體。 24 綠光LED 採用磷化鎵 （ GaP ）的發光 二極體只能發出 綠光。 25 藍光LED 自LED問世後，相隔多年仍 未能製造出能產生藍光的 LED。當時研究員都知道， 只要將氮滲入原有的LED半 導體材料中便可以造出藍色 LED，但多年也造不出來， 終於在1993年，當時在日本 日亞化學工業成功解決了如 何把氮滲入的難題，氮化鎵 （GaN）和銦氮化鎵 （InGaN）的具有商業應用 價值的藍光LED，這類 LED在1990年代後期得到 廣泛應用。 用氮化鎵（GaN）形成的藍光LED 26 白光LED 結合藍光LED、紅光 LED和綠光LED便可做 出白光LED，這樣產生 的白光LED有較廣的色 域，而且效率較其他方法 高，不過成本相當高。近 年生產技術的改進下，越 來越多產品採用這方法。 27 其他顏色 近期開發出來的LED顏色 包括粉紅色和紫色，都是在 藍光LED上覆蓋上一至兩 層的磷光體造成。粉紅色 LED用的第一層磷光體能 發黃光，而第二層則發出橙 色或紅色光。而有些則用上 白光LED加上粉紅色磷光 體或染料，可是在短時間內 顏色會褪去。 28 Take a break 29 判斷發光二極體的極性 端子名稱: 陽極 陰極 極性: 正 負 符號: + − 長 短 接腳長度 內部接點外觀 （部份廠商不 小 插入式封裝 依規范，不可 （thru-hole） 盡信） 貼片封裝 （SMD） 大而平 外殼邊緣形狀 圓 平 PCB焊盤形狀 圓 方 PCB上的焊盤 編號 2 1 封裝上的記號 無 一橫劃 PCB上的焊盤 編號 1 2 30 簡易型LED剖面結構 31 LED應用 32 33 視覺訊息顯示 交通、道路等的指示燈 34 公共場所的平板顯示器 目前在最大的LED顯示板，位於 美國內華達州拉斯維加斯Fremont Street Experience，長度1,500英 尺 35 照明 36 LCD顯示器背光光源 37 一般LCD和LED的LCD比較 38 LED 之全球與台灣市場與應用 指示燈 交通號誌 廣告看板 小尺寸背光源 汽車尾燈 彩色手機 特殊照明 汽車內裝 2000年 TV背光源 汽車頭燈 一般照明 照相手機 汽車煞車燈 2005年 NB背光源 2006年 2007年 2008年 39 LED各產業應用比例 100% 80% 60% 40% 20% 0% 2002年 行動通訊 2003年 訊號/ 展示 2004年 汽車 2005年 照明 2006年 交通號誌 2007年 其他 40 LED在手機產業的應用 41 全球手機LED產值 140% 2000 120% 1500 100% 80% 1000 60% 40% 500 20% 0% 0 2002年 2003年 2004年 2005年 2006年 2007年 全球手機LED產值(佰萬元美金) YOY 42 LED優點 在低光度下能量轉換效率高（電能轉換成光能的效率） - 也即較省電，非常適合在低光度（如手提電話的背 光、夜燈）需求中使用。但當提高光度至如檯頭燈般 或更高時，LED的效率比鎢絲燈泡高。 反應（開關）時間短 - 可以達到很高的閃爍頻率，甚 至讓「可見光網路」成為可能。 使用壽命長 - 在適當的散熱和環境下可達35,000 ~ 50,000小時（螢光燈為10,000 ~ 15,000小時，白熾 燈為1,000 ~ 2,000小時）。 耐震盪等機械衝擊 - 由於是固態元件，沒有燈絲、玻 璃罩等，相對螢光燈、白熾燈等能承受更大震盪。 43 LED優點 便於聚焦 - 因發光體積細小，而易於以透鏡等方式達 致所需集散程度，藉改變其封裝外形，其發光角度由 大角度散射至細角度聚焦都可以達成。 單色性強 - 由於是單一能級光出的光子，波長比較單 一（相對大部份人工光源而言），能在不加濾光器下 提供多種單純的顏色。 色域略為廣闊 - 部份白色LED覆蓋色域較其他白色 光源廣。 體積小 - 其本身體積可以造得非常細小（小於 2mm）。 44 LED缺點 高光度下效率較低，在一般照明用途上仍比螢光燈耗 電，有些LED燈甚至比省電燈泡耗電。有些設計使 用多枚LED，在保持整體光度下讓每枚LED可以工 作在較低光度，從而增加效率，但使成本大為提高， 售價難以降低。 效率受高溫影響而急劇下降，浪費電力之餘也產生更 多熱，令溫度進一步上升，形成惡性循環。除浪費電 力也縮短壽命，因此需要良好散熱。 LED光度並非與電流成線性關系，光度調節略為複 雜。 45 LED缺點 成本較高。 因LED為光源面積小、分佈較集中，作照明用途時 會刺眼，須運用光學設計分散光源。 演色性仍待加強。（傳統燈泡、鹵素燈演色性極佳， 而螢光燈管容易找到高演色性的產品；演色性低的光 源照明不但會有顏色不正常的感覺，對視力及健康也 有害） 每枚LED因生產技術問題都會在特性（亮度、顏色、 偏壓…等）上有一定差異，即使是同一批次的LED 差異也不少。 46 Take a break 47 OLED 有機發光二極體（Organic Light-Emitting Diode，簡 稱OLED） 48 OLED的基本結構 OLED的基本結構是由一薄而透明具半導體特性之銦 錫氧化物（ITO），與電力之正極相連，再加上另一 個金屬陰極，包成如三明治的結構。整個結構層中包 括了：電洞傳輸層（HTL）、發光層（EL）與電子 傳輸層（ETL）。當電力供應至適當電壓時，正極 電洞與陰極電子便會在發光層中結合，產生光子，依 其材料特性不同，產生紅、綠和藍 三原色，構成基 本色彩。OLED的特性是自發光，不像 LCD 需要背 光。 49 OLED的基本結構 OLED基本結構：1. 陰極 (−)；2. 發光層（Emissive Layer, EL）；3. 陽極空穴與陰極電子在發光層中結 合，產生光子；4. 導電層（Conductive Layer）；5. 陽極 (+) 50 51 各位同學有沒有問題? 52 光電科技運用(第二部分) 光儲存 藍光光碟 光纖 光纖通訊 53 光儲存 光儲存係指以光電工程之方法，將資料儲存於光學可 讀的介質上，以進行資料的儲存。電腦所使用的唯讀 記憶光碟以及藍光光碟等光學碟片就是光儲存的應用 54 藍光光碟（BLU-RAY DISC，簡稱BD） 光存儲是由光碟表面的介質影響的， 光碟上有凹凸不平的小坑，光照射到 上面有不同的反射，再轉化為0、1的 數字信號就成了光存儲。無論是CD光 碟、DVD光碟等光存儲介質，採用的 存儲方式都與軟盤、硬碟相同，是以 二進制數據的形式來存儲信息。而要 在這些光碟上面儲存數據，需要藉助 雷射把電腦轉換後的二進制數據用數 據模式刻在扁平、具有反射能力的碟 片上。而為了識別數據，光碟上定義 雷射刻出的小坑就代表二進制的「1」 ，而空白處則代表二進制的「0」。 55 56 數據傳輸速度 光碟機上燒錄速度 數據傳輸速度 傳輸速度 KB/s Mb/s 1x 150 1.2288 2x 300 2.4576 4x 600 4.9152 8x 1200 9.8304 10x 1500 12.2880 12x 1800 14.7456 20x 3000 24.5760 32x 4800 39.3216 36x 5400 44.2368 40x 6000 49.1520 48x 7200 58.9824 50x 7500 61.4400 52x 7800 63.8976 57 光碟讀取原理 58 59 光纖 光導纖維，簡稱光纖，是一 種達致光在玻璃或塑料製成 的纖維中的全反射原理傳輸 的光傳導工具。微細的光纖 封裝在塑料護套中，使得它 能夠彎曲而不至於斷裂。通 常光纖的一端的發射裝置使 用發光二極體或一束雷射將 光脈衝傳送至光纖，光纖的 另一端的接收裝置使用光敏 元件檢測脈衝。包含光纖的 線纜稱為光纜。 60 高錕因提出光纖可作長距離通訊而獲頒2009年的諾 貝爾物理學獎。諾貝爾獎評審委員會稱高錕的研究有 助建立今日網路世界的基礎，為今日的日常生活創立 許多革新，也為科學的發展提供新工具。 61 折射率 折射率可以用來計算在物質裏的光線速度。在真空裏 ，及外太空，光線的傳播速度最快，大約為 3 億公 尺／秒。一種物質的折射率是真空光速除以光線在這 物質裏傳播的速度。所以，根據定義，真空折射率是 1 。折射率越大，光線傳播的速度越慢。通常光纖的 核心的折射率是 1.48 ，包覆的折射率是 1.46 。 62 光波傳播於多模光 全反射 當移動於密度較高的介質的光線，以大角度入射於 核心-包覆邊界時，假若這入射角（光線與邊介面的 法線之間的夾角）的角度大於臨界角的角度，則這 光線會被完全地反射回去。 63 光纖接頭 64 光纖接頭 SC(Subscriber Connector / 用戶端接頭 / 標準接頭 滑扣 Standard Connector) ST / BFOC Straight Tip / Bayonet Fiber Optic 接頭 TOSLINK(Toshiba Link) 東芝連結 數據通訊 刺刀 多模網路 滑扣 數位音訊 65 Take a break 66 FTTH FTTH（Fiber To The Home），顧名思義就是一根 光纖直接到家庭。FTTH是指將光網路單元(ONU)安 裝在住家用戶或企業用戶處，是光接入系列中除 FTTD(光纖到桌面)外最靠近用戶的光接入網應用類 型。FTTH的顯著技術特點是不但提供更大的帶寬， 而且增強了網路對數據格式、速率、波長和協議的透 明性，放寬了對環境條件和供電等要求，簡化了維護 和安裝。 67 光纖通訊產業FTTH 68 69 頻寬 70 71 光通訊結論:市場規模變化 72 73 高中物理符號羅馬拼英 74