LED 為什麼這麼省電？
― 它不是靠熱，而是「直接」產生光
把老式的白熾燈泡換成 LED 燈泡後，亮度差不多，標示的耗電量卻只有原來的七分之一左右，這種情況並不少見。而且點亮一陣子後，LED 也不像白熾燈泡那麼燙。這種「省電」的關鍵，在於兩者產生光的方式，根本上就不一樣。
白熾燈泡點亮一陣子後，你是否曾不小心碰到，差點燙傷呢？白熾燈泡在點亮期間一直處於相當高的溫度。
相對地，同樣亮度的 LED 燈泡，即使長時間點亮，也不像白熾燈泡那麼燙。而且看看標示的耗電量（瓦數），LED 的數字要小得多。
明明產生的是同樣的「亮度」，為什麼所需的電量會差這麼多呢？
把燈絲加熱到高溫，利用它的熱發光。真正變成光的，只是所用電能的一小部分。
在半導體內部，電子所帶的能量幾乎不經過熱，就直接轉換成光。
「發光方式」完全不同，造成了耗電量的差距。我們一步步來看。
白熾燈泡是靠「熱」發光
白熾燈泡裡有一根由鎢這種金屬製成的細燈絲。通電後，燈絲因為電阻，溫度會升到 2000℃ 以上。
任何物體加熱到高溫都會發光，就像鐵加熱後會發紅光一樣。白熾燈泡利用的，正是這種「熱的東西會發光」的現象（熱輻射）。
不過，被加熱的物體所發出的光，不只有看得見的光（可見光），還含有大量看不見的紅外線（我們感覺是熱的光）。白熾燈泡所用的電，有很大比例都以看不見的紅外線形式損失掉了。摸起來很燙，就是因為大量的紅外線和熱被放出來。
LED 把電子的能量直接變成光
LED（發光二極體）的發光原理完全不同。LED 的核心是由一種叫半導體的特殊材料製成。通電後，在半導體內，電子會跳進特定的位置（稱為電洞，也就是電子空出來的地方）。
電子跳進去的時候，會把原本所帶能量的一部分，直接以光的形式放出。這稱為電致發光（electroluminescence）。它不經過熱，可以說是從電能到光能「一步」完成轉換，這是它和白熾燈泡最大的不同。
而且，這種光的顏色（波長），大致上事先就由所用的半導體材料決定。能夠只產生想要的顏色的光，也被認為是 LED 效率高的原因之一。
LED 則是把電子的能量，直接當成光來接收。
為什麼這個差異會帶來「省電」？
在白熾燈泡裡，電能之中變成光的比例非常小，其餘大部分都以熱的形式損失掉。要得到同樣的亮度，就得持續通入相對更多的電。
在 LED 裡，電能有很大比例幾乎不經過熱，就直接變成光。當然 LED 也會因電阻產生少量的熱，但比起白熾燈泡，浪費掉的部分少得多。因此，可以用更少的電產生同樣的亮度。實際上差距有多大？我們在下方的摺疊區塊用數字來確認。
從白熾燈泡的燙，有些人可能會產生「越亮的光就會放出越多熱」的印象。但正如本文所見，熱和光不一定會成套出現。像 LED 這樣，幾乎不產生熱就製造出明亮的光，在原理上是可能的。
可以自己驗證的事
- 如果家裡有白熾燈泡（有的話）和 LED 燈泡，各自點亮約 5 分鐘
- 把手掌靠近燈泡旁邊（不要碰到），比較熱傳過來的感覺
- 如果沒有白熾燈泡，可以到店裡看標示「相當於白熾燈泡○W」的 LED 燈泡包裝，確認實際的瓦數小多少
靠近白熾燈泡的手掌，應該能明顯感覺到熱。這就是白熾燈泡把大部分的電當成熱放出的直接體驗。
總結
白熾燈泡是把燈絲加熱到高溫，從熱輻射的一部分取得光。大部分的電都變成看不見的熱而損失。LED 則是在半導體內，幾乎不經過熱，就把電子的能量直接變成光。這種「產生光的方式」本身的差異，被認為是耗電量大幅不同的原因。
LED 省電，並不是因為它「吝嗇」於發光。
而是因為它不繞熱這條遠路，直接朝光走去。
想知道更多 ― 名詞、數值，以及與課本的連結從國中理化到研究中的話題，都會標明屬於哪個程度
- 國中國中自然科學課會學到的範圍
- 高中高中「物理」會學到的範圍
- 高中＋高中「物理」，或課本中屬於延伸、專欄的內容
- 大學高中不會學到，大學專業科目（半導體工程）的內容
- 研究連大學也不會當成「定論」教，目前研究者仍在探討的話題
國中名詞：與 LED 和燈泡有關的詞
- 燈絲：白熾燈泡裡的細線，通電後會變得很燙。
- 半導體：導電的難易度會隨條件改變的材料。用於 LED 和電腦的零件。
- 流明（lm）：表示光的亮度（光通量）的單位。
- 瓦特（W）：表示消耗電力（每 1 秒使用的能量）的單位。
高中用算式驗證：LED 發出的光的顏色，為什麼由材料決定？
LED 發出的光的顏色（波長），是由電子在半導體內跳進去時所放出的能量大小決定的。我們用光的能量與波長的關係，實際算算某個波長的光帶有多少能量。
光子的能量 ＝ 普朗克常數 × 光速 ÷ 波長
| 光子的能量 | 單位是 J（焦耳） |
| 普朗克常數 | 約 6.63×10⁻³⁴ J・s，是固定的值 |
| 光速 | 約 3.00×10⁸ m/s |
| 波長 | 單位是 m。紅光 LED 的光，據說約為 630nm（6.30×10⁻⁷ m） |
這是把光看成粒子（光子）時，求出每 1 顆所帶能量的著名關係式。波長越短（越偏藍）的光，每 1 顆的能量越大。
普朗克常數與光速的乘積，事先算出來的結果是hc ≒ 1.989×10⁻²⁵ J・m。把這個值除以紅光 LED 的波長。
| hc 除以波長 | (1.989×10⁻²⁵) ÷ (6.30×10⁻⁷) ≒ 3.157×10⁻¹⁹ |
| 光子的能量 | 約 3.16×10⁻¹⁹ J |
這個值太小，不容易有實感，所以換算成「電子 1 個被 1 伏特加速時的能量」這個單位（電子伏特，eV）。1eV 約為 1.602×10⁻¹⁹ J。
| 換算成 eV | (3.157×10⁻¹⁹) ÷ (1.602×10⁻¹⁹) ≒ 1.97 |
| 光子的能量（換算成 eV） | 約 1.97 eV |
紅光 LED 所用半導體材料中，電子跳進去時失去的能量大小（能隙），據報告約為 1.9～2.2eV，與這次的計算結果相當接近。這證實了只要指定波長（顏色），就能求出所需的能量。
※ 實際 LED 的發光波長和能隙數值，會因材料種類和製法而有差異。這裡使用的是具代表性的參考數值。
高中＋白熾燈泡為什麼效率差？（黑體輻射）
高溫物體所發出的光的量與顏色分布，可以用稱為黑體輻射的理論來清楚說明。溫度越高，輻射的光量越多，峰值波長也越短（偏藍），但在白熾燈泡燈絲這種程度的溫度（約 2000～3000℃）下，輻射的峰值仍位於看不見的紅外線區域。也就是說，不論燈絲怎麼改良，原理上就有很多能量會以看不見的熱的形式放出，這是無法避免的限制。
大學直接能隙半導體與間接能隙半導體
LED 所用的半導體（砷化鎵、磷砷化鎵等）大多屬於直接能隙類型，電子跳進電洞時，具有能有效放出光的性質。另一方面，像矽這樣的間接能隙半導體，電子要發光需要額外的過程，發光效率非常低。我們身邊的電腦大多以矽製成，LED 卻使用其他半導體材料，這種差異就是原因之一。
研究目前還不清楚的事
- 已知當通入 LED 的電流越來越大，發光效率反而會下降的現象（效率下降，efficiency droop）。原因有電子之間碰撞而浪費能量的現象（歐傑複合），以及電子從參與發光的區域漏出去的現象等，雖然提出了多種假說，但各個因素各自有多大貢獻，至今仍在爭論。
- 使用稱為鈣鈦礦的新型材料所製成的 LED，研究也正在進行中。相較於傳統的半導體 LED，有可能降低製造成本，但如何確保實用所需的耐久性是課題。
- 把非常小的 LED 大量排列而成的「Micro LED」顯示器，研發也在進展中，但因為製造困難，大尺寸螢幕的量產仍有課題。
LED 雖然已是普及的技術，但進一步提高效率、讓新材料實用化的研究，至今仍持續進行。
與課本的連結（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 自然科學・電與能量 | 燈絲、半導體、瓦特的基本名詞 |
| 高中 | 物理・光的粒子性 | 光子能量與波長關係的計算 |
| 高中＋ | 物理・熱輻射 | 黑體輻射與白熾燈泡的效率極限 |
| 大學 | 半導體工程 | 直接能隙與間接能隙半導體的差異 |
| 研究 | 光學工程（研究中） | 效率下降、鈣鈦礦 LED、Micro LED |
- 照明工程相關教科書中，對白熾燈泡與 LED 發光原理的比較解說。
- 半導體工程相關教科書中，對電致發光（electroluminescence）與能隙的解說。
- Agency for Natural Resources and Energy (資源エネルギー庁)「LED 照明的節能效果」相關解說資料。
- Schubert, E. F., Light-Emitting Diodes（關於 LED 發光原理與效率下降的代表性專業書籍）。
- 物理教科書中，對黑體輻射、普朗克定律的解說。
※ 波長、能隙、效率等數值皆為具代表性的參考值，實際會因產品或材料而有差異。
※本文是給一般讀者的科學解說。關於燈泡、LED 產品的性能與節能效果的詳細資訊，請參閱各產品的包裝標示，以及能源主管機關（日本經濟產業省的 Agency for Natural Resources and Energy）等公家機關的資訊。