LED 與半導體雷射的差異:發光機制、光的性質、用途比較

LED 與半導體雷射都是對 PN 接面施加順向電流,在電子與電洞復合時發光。LED 的光來自自發放射,波長範圍寬,並朝各個方向發散。半導體雷射具有讓光來回反射的共振腔,以受激放射放大光,因此能得到波長與相位一致、直線前進的強光。照明與顯示使用 LED,光通訊、光碟與感測則使用雷射。

項目LED半導體雷射
發光機制自發放射。電子與電洞各自在隨機的時間點復合而發光受激放射。光會進一步產生相同波長、相位與方向的光而被放大
光學共振腔無有。在劈裂的端面(邊射型)或多層膜反射鏡(VCSEL)之間讓光來回反射
波長範圍(光譜寬度)寬(約數十 nm)窄(可達 1 nm 以下。DFB 雷射以單一波長振盪)
光的發散以大角度發散小。可以聚成細光束,或傳送到遠處
相位一致的程度(同調性)低高
電流與光輸出通電後立即發光,亮度大致與電流成正比超過臨界電流後開始振盪,光輸出急遽增加。低於臨界值時只有微弱的自發放射光
調變速度較慢快。光通訊用的產品中,也有以電流直接調變、傳送數十 Gb/s 訊號的
溫度的影響溫度升高時發光效率下降溫度升高時臨界電流增加,波長也會偏移,因此有時會使用溫度控制
使用的難易度驅動電路簡單,壽命長多半需要讓光輸出保持一定的控制。強光對眼睛有危險,因此有雷射的安全標準(分級)
主要用途照明、顯示器的背光、指示燈、遙控器光纖通訊、光碟、雷射印表機、LiDAR、臉部辨識的感測器、雷射加工

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

LED
想明亮地照亮大範圍時,或用於顯示時。便宜、壽命長,驅動也簡單。
半導體雷射
想將光聚成細光束傳送到遠處時、想快速調變以傳送資訊時,或需要波長一致的光時。用於光通訊、距離量測、加工等。
共同點
兩者發出的光的顏色(波長),主要都由發光層半導體的能隙決定。使用的是發光效率高的 GaN 系、GaAs 系、InP 系等直接能隙化合物半導體,間接能隙的矽則不適合作為發光元件。

常見問題

LED 與雷射的光有什麼不同?

雷射的光波長與相位一致,直線前進且不易發散,相對地 LED 的光波長範圍寬,並朝各個方向發散。這是因為 LED 是以自發放射發光,雷射則是以共振腔內的受激放射發光。

什麼是半導體雷射的臨界電流?

是開始雷射振盪的電流。在共振腔內,受激放射造成的光放大超過損耗時就會振盪,電流大於此值時,光輸出會隨電流急遽增加。電流小於臨界值時,只會發出像 LED 那樣微弱的自發放射光。

LED 的顏色由什麼決定?

主要由發光層半導體的能隙決定,有波長 λ(nm) ≈ 1240 / Eg(eV) 的關係。藍色與綠色使用 InGaN,紅色使用 AlGaInP 等。大多數白光 LED 是用螢光粉將藍光 LED 的部分光轉換成黃色等再加以混合。

為什麼很難用矽製作 LED 或雷射?

因為矽是間接能隙半導體,電子與電洞復合發光時,還需要聲子(晶格振動)參與,發光效率非常低。在矽光子學中,會搭配使用 InP 等化合物半導體的雷射。

理解度檢測

關於半導體雷射與LED的差異,下列何者正確?

  1. ALED的波長寬度較窄,單色性較高
  2. B半導體雷射藉由受激輻射與光共振腔,發出波長與相位一致且指向性高的光
  3. C半導體雷射不通電流也能發光
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正確答案:B. 半導體雷射藉由受激輻射與光共振腔,發出波長與相位一致且指向性高的光

LED發出的是自發輻射的光,波長寬度達數十nm,並向各個方向擴散。半導體雷射在以劈裂面等形成的光共振腔中,通以超過臨界值的電流以引發受激輻射,發出波長與相位一致、寬度窄(可達1 nm以下)且指向性高的光。其用於光通訊、光碟、雷射印表機、LiDAR、加工等領域。

決定LED發光顏色(發光波長)的主要因素為下列何者?

  1. A封裝的形狀
  2. B驅動電流的方向
  3. C發光層所使用半導體的能隙
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正確答案:C. 發光層所使用半導體的能隙

在LED中,電子與電洞復合時,會發出相當於能隙能量的光。波長約為 λ(nm) ≈ 1240/Eg(eV),例如GaN系(InGaN)約2.7 eV,為藍光約460 nm;AlGaInP約1.9 eV,為紅光約650 nm。改變發光層的組成即可調整能隙,即使同為InGaN,增加In的比例就會變成綠光。白光LED是藍光LED與黃色螢光粉的組合。

關於LED發光的機制,下列何者正確?

  1. A順向偏壓注入的電子與電洞復合時發出光
  2. B因逆向崩潰電流而高溫,由熱輻射發光
  3. C有光照射時電流流動
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正確答案:A. 順向偏壓注入的電子與電洞復合時發出光

對LED施加順向電壓時,電子從n側、電洞從p側注入接面處,復合時會以光的形式釋放相當於能隙的能量。發光顏色由材料決定,紅光為AlGaInP,藍光與綠光為InGaN系。白光LED是在藍光LED上搭配黃色螢光粉。要有效率地發光需要直接躍遷型材料,因此矽無法做出實用的LED。

  1. 在光通訊中,為了以單一波長穩定振盪而內建繞射光柵的半導體雷射為下列何者?
  2. 在矽這類間接躍遷型半導體中,電子與電洞複合而發光的機率低,其原因下列何者正確?
  3. 波長620 nm的光,其1個光子所具有的能量最接近下列何者?(E [eV] ≈ 1240 / λ [nm])

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相關名詞的解說

順向偏壓
對 p 側施加正電壓、對 n 側施加負電壓。位障降低,電流容易流動。反過來施加則為逆向偏壓,幾乎沒有電流流動。
直接能隙
導電帶底部與價電帶頂端位於相同波數的能帶結構。電子與電洞復合時能有效率地發光。例如 GaAs 等。
能隙
價電帶頂端與導電帶底端之間的能量差。矽在室溫下約為 1.12 eV。能隙越大,越耐高溫與高電壓。
量子井
以能隙大的層夾住數 nm 厚、能隙小的薄層的結構。因為能侷限載子而容易發生復合,用於 LED 與雷射的發光層。
VCSEL(垂直共振腔面射型雷射)
朝垂直於基板的方向發出光的半導體雷射。可在晶圓狀態下檢測,也容易排成二維陣列,因此用於資料通訊與臉部辨識的光源等。

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