LED顯示技術及其應用復習過程

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。LED顯示技術及其應用摘要本文首先描述了發(fā)光二極管的物理基礎，以幫助大家了解發(fā)光二極管的內部結構，接著描述了其優(yōu)缺點及分類，從各個角度來加深對發(fā)光二極管的理解，最后闡述了發(fā)光二極管的廣泛應用及其遠大的發(fā)展前景。關鍵字LED電子空穴顯示目錄TOCo1-3hzuHYPERLINKl_Toc309340794引言PAGEREF_Toc309340794h1HYPERLINKl_Toc3093407951發(fā)光二極管的基本知識PAGEREF_Toc309340795h1HYPERLINKl_Toc30934079

2、61.1半導體光源的物理基礎2PAGEREF_Toc309340796h1HYPERLINKl_Toc3093407972LED的特點及其分類PAGEREF_Toc309340797h1HYPERLINKl_Toc3093407982.1LED的優(yōu)點PAGEREF_Toc309340798h2HYPERLINKl_Toc3093407992.2LED的缺點PAGEREF_Toc309340799h2HYPERLINKl_Toc3093408002.3LED的分類PAGEREF_Toc309340800h3HYPERLINKl_Toc3093408013LED的應用PAGEREF_Toc3093

3、40801h3HYPERLINKl_Toc3093408023.1視覺訊息顯示PAGEREF_Toc309340802h3HYPERLINKl_Toc3093408033.1.1各種產品、設備的狀態(tài)指示燈PAGEREF_Toc309340803h3HYPERLINKl_Toc3093408043.1.2交通、道路等的指示燈PAGEREF_Toc309340804h4HYPERLINKl_Toc3093408053.1.3公共場所的平板顯示器PAGEREF_Toc309340805h4HYPERLINKl_Toc3093408063.1.4LCD顯示器背光光源PAGEREF_Toc3093408

4、06h4HYPERLINKl_Toc3093408073.1.5發(fā)光二極管顯示器PAGEREF_Toc309340807h4HYPERLINKl_Toc3093408083.2發(fā)光二極管照明PAGEREF_Toc309340808h4HYPERLINKl_Toc3093408093.3設備測量、運作時不涉及視覺所需的光源PAGEREF_Toc309340809h5HYPERLINKl_Toc3093408103.3.1光通訊PAGEREF_Toc309340810h5HYPERLINKl_Toc3093408113.3.2感知與測量PAGEREF_Toc309340811h5HYPERLINK

5、l_Toc3093408123.4窄波段光學傳感器PAGEREF_Toc309340812h5HYPERLINKl_Toc3093408134發(fā)展前景PAGEREF_Toc309340813h6HYPERLINKl_Toc309340814參考文獻PAGEREF_Toc309340814h7HYPERLINKl_Toc309340815英文摘要PAGEREF_Toc309340815h8引言隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，生活水平的逐步提高，信息技術也逐漸成為了我們生活中很重要的一部分。大量微電子技術、自動化技術、計算機技術的迅速發(fā)展，半導體制作工藝日趨成熟，導致LED顯示屏中點尺寸越來越小，解析度越來越

6、高。而可將顯示光的三基色(紅、綠、藍)集成化一體，達到全彩色效果，使得發(fā)光二極管作為LED顯示屏器件的應用范圍日益擴大。LED顯示技術廣泛應用于電力、醫(yī)療衛(wèi)生、民政、工商稅務、政法系統(tǒng)等國民經(jīng)濟、社會生活領域中，并起著重要作用，它已經(jīng)成為現(xiàn)代人類社會生活的一項不可或缺的技術。11發(fā)光二極管的基本知識1.1半導體光源的物理基礎2發(fā)光二極管(英文為LightEmittingDiode,簡稱LED)是一種固態(tài)的半導體器件，也是一種特殊的二極管，它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由

7、兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結”。與其它二極管一樣，LED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，這種現(xiàn)象就叫作正向偏置。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復合，電子會跌落到較低的能階，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。這種電能直接轉換為光能的發(fā)光現(xiàn)象也稱為電致發(fā)光效應。而光線的波長也就是光的顏色，跟其所采用的半導體物料、種類及故意滲入的元素雜質有關。晶片是LED的主要組成物料，是發(fā)光的半

8、導體，其所發(fā)出的光的波長(決定顏色)是由組成P、N架構的半導體物料的禁帶能量決定。發(fā)光二極管所用的材料都是直接帶隙型的，因此能量會以光子形式釋放，這些禁帶能量對應著近紅外線、可見光、或近紫外線波段的光能量。較常采用磷化鎵(GaP)、鎵鋁砷(GaAlAs)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)等材料組成，其內部結構具有單向導電性。2LED的特點及其分類32.1LED的優(yōu)點(1)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。但當提高光度至如臺頭燈般或更高時，LED的效率比鎢絲燈泡高，但比熒光燈差。(2)反應時間短-可以達到很高的

9、閃爍頻率，甚至讓“可見光網(wǎng)絡”成為可能。(3)穩(wěn)定性好，使用壽命長-在適當?shù)纳岷铜h(huán)境下可達35,00050,000小時(熒光燈為10,00015,000小時，白熾燈為1,0002,000小時)。(4)耐震蕩等機械沖擊-由于LED是一種PN結二極管，屬于固態(tài)元件，沒有燈絲、玻璃罩等，因此機械強度大，耐振動和耐沖擊能力強。(5)體積小，重量輕，適用性強-其本身體積可以造得非常細小(小于2mm)，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境。(6)便于聚焦-因發(fā)光體積細小，而易于以透鏡等方式達致所需集散程度，藉改變其封裝外形，其發(fā)光角度由大角度散射至細角度聚焦都可以達成。(7)單色性強-由于

10、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。(8)色域略為廣闊-部份白色LED覆蓋色域較其他白色光源廣。(9)綠色環(huán)保-LED是由無毒的材料作成，不像熒光燈含水銀會造成污染，同時LED也可以回收再利用。2.2LED的缺點(1)高光度下效率較低，在一般照明用途上仍比熒光燈耗電，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。(2)效率受高溫影響而急劇下降，浪費電力之余也產生更多熱，令溫度進一步上升，形成惡性循環(huán)。除浪費電力也縮短壽命，因此需要

11、良好散熱。(3)LED光度并非與電流成線性關系，光度調節(jié)略為復雜。(4)成本較高。2.3LED的分類(1)按發(fā)光二極管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色(又細分黃綠標準綠和純綠)、藍色等。(2)按發(fā)光二極管出光面特征分，可分為圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側向管、表面安裝用微型管等。(3)按發(fā)光二極管的結構分，有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結構。(4)按發(fā)光強度和工作電流分，有普通亮度的LED(發(fā)光強度100mcd)、高亮度發(fā)光二極管(發(fā)光強度在10100mcd間)；一般LED的工作電流在十幾毫安至幾十毫安，而低電流LED的工作電流在2mA以下(亮度與普通發(fā)光管相同

12、)。除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法3LED的應用3隨著LED發(fā)光效率與性能的持續(xù)提升與改善，LED利用其使用壽命長、環(huán)境適應能力強、性價比高、使用成本低等優(yōu)勢，在短短的十來年中已從指示燈、手機背光顯示屏、交通信號燈等成熟應用領域，逐步向中大尺寸LCD背光、汽車照明等新興應用市場滲透應用，主要使用在以下幾個類別：(1)在視覺訊息顯示時提供所需的光源(2)照明(3)為各種設備(機器、電器、電子產品等)提供在測量、運作時不涉及視覺所需的光源(4)窄波段光學傳感器(LED被置于反向偏壓并對入射光線在電路上作出反應)3.1視覺訊息顯示HYPERLINK/wiki/File:Led

13、_traffic_lights.jpgo放大3.1.1各種產品、設備的狀態(tài)指示燈在消費性電子產品，LED在家庭電器、玩具、各種儀器等用途上作為工作狀態(tài)顯示燈。單一LED常被用作狀態(tài)顯示(例如電源狀況)，也有制成七段數(shù)碼管的LED組用作顯示數(shù)字，而通常會在右下方加上“”、“，”，以顯示小數(shù)點等。在多年前，當顯示器技術并不發(fā)達時，有些LED組能有14劃，可以顯示26個英文字母，但當微電子等顯示技術成熟后，這種LED組已極少被采用。3.1.2交通、道路等的指示燈當LED的光度發(fā)展達至要求后，便有汽車用LED作轉向與剎車燈，主要好處是LED極高的開關速度，LED的亮起時間比白熾燈快0.5秒之多，這對行

14、車安全非常重要。而車輛行駛環(huán)境中震蕩、溫差變化下，LED仍然有穩(wěn)定的光度及非常可的靠性。有些緊急服務車輛的閃光警標也使用LED，LED可以高速閃動的特性簡化了已往產生閃動效果的機械結構而更加可靠。同樣工作在戶外環(huán)境的交通燈使用開關快速的LED也很適合，LED壽命較長也減少壞燈及影響交通的機會。不過在氣候較低溫的地方，LED交通燈會有比積雪蓋著的問題。極小部份車輛開始使用白色LED作車頭燈，其好處是光線的方向控制比白熾燈加拋物線反射鏡好。而公路的訊息顯示板也使用LED點陣顯示，這些顯示板多采用黃或紅色LED以求兼顧夜間環(huán)境。這類顯示器叫發(fā)光二極管顯示器，是平板顯示器的一種。3.1.3公共場所的平

15、板顯示器在機場、機艙、火車站、巴士站、碼頭等各種公共交通工具上等地方，LED被普遍地采用作為平板顯示器以顯示如班次、目的地、時間等相關訊息。而LED的可靠性與低耗電，使其也適合用作緊急出囗指示燈。3.1.4LCD顯示器背光光源近年LED在高光度下的效率不斷改進，使得亮度足以應用在LCD電腦屏幕及LCD電視機的背光。相比之前的冷陰極熒光燈CCFL(Coldcathodefluorescentlamp)，LED省卻了CCFL所需的高壓電源，除大幅減低了電磁干擾外，由于省卻了電壓轉換，在使用電池作電源的產品上也省卻了電壓轉換時的功率損耗，而LED的工作壽命，顏色的穩(wěn)定性也比CCFL好得多。3.1.5

16、發(fā)光二極管顯示器采用LED點矩陣型模塊的大型顯示器正在室內或室外顯示迅速推廣普及。由于采用LED點矩陣型模塊結構，顯示板的大小可由LED發(fā)光點縱橫密排成任意尺寸；發(fā)光顏色可以是從紅到綠的任意單色，紅、綠、橙三色、多色，甚至全色；灰度可從十數(shù)階到幾十階分階調節(jié)；可顯示數(shù)字、字符信息(如電子公告板)，與專用IC相組合,也可由電視信號驅動，進行電視、錄相顯示。3.2發(fā)光二極管照明HYPERLINK/wiki/File:2007-07-24_High-power_light_emiting_diodes_(Luxeon,_Lumiled).jpgo放大傳統(tǒng)照明燈俱如螢光燈、白熾燈及鹵素燈都有裝載氣體的

17、脆弱玻璃管，因而都不及全固態(tài)的LED堅固耐用?，F(xiàn)有單一大功率LED一般有1W、3W、5W等，由于LED在增加光度時，效率會下降，所以有些LED燈使用多個白光LED組合成一簇構成一個光源，以增加效率；同樣的原因，在照明方面只用在對光度要求低的地方，以保持其較佳效率(省電)的特性，這些用途包括：手電筒斷電時用的緊急照明入門類數(shù)碼影像設備的補光燈在光度要求低的道路、隧道、室內照明3.3設備測量、運作時不涉及視覺所需的光源由于LED開關速度快，有利資料快速傳輸及減少延遲，加上推動簡單，所以常用于各種設備中作資料、訊號傳送及感知用途。,3.3.1光通訊電視機、HYPERLINK/wiki/%E9%8C%

18、84%E5%BD%B1%E6%A9%9Fo錄影機錄影機等家電的遙控器，使用了紅外線發(fā)光二極管紅外線搖控玩具紅外通訊技術、IrDA數(shù)碼資料傳輸短距離光纖通訊，例如影音產品的數(shù)碼音樂光纖傳送系統(tǒng)3.3.2感知與測量光電耦合元件，是一種以光訊號把訊息由在兩個電氣完全隔離的電路之間傳遞，其包含了兩部份，一是光源，而另一是感光體，光源部份就是使用LED。動作傳感，例如：光學鼠標位移探測器，例如：以光學方式探知手指位置的觸控式屏幕相機的紅外線自動對焦系統(tǒng)紅外線夜視防盜系統(tǒng)的紅外線光源3.4窄波段光學傳感器可見光發(fā)光二極管與光檢測器都是使用能隙落在可見光波段的PN結，因此具有許多相同的物理特性，而將發(fā)光二極

19、管應用在光檢測上，是早已被熟知的技藝，但直到最近，被稱為雙向發(fā)光二極管陣列方被提出，并應用在觸控面板上的接觸傳感(touch-sensing)。在此應用中，陣列中各個發(fā)光二極管被快速地被點亮、熄滅。發(fā)光二極管點亮后，發(fā)射光照射到操作者的手指或圖案，其反射光再經(jīng)由熄滅狀態(tài)的發(fā)光二極管所檢測，并在反向偏壓下操作的發(fā)光二極管上，感應出電壓，接著透過微處理器讀出該感應電壓的大小。4發(fā)展前景1從LED的技術研發(fā)來看，世界主要的LED公司不斷取得新技術方面的突破性進展，半導體照明技術創(chuàng)新的步伐正在不斷加快，白光LED進入普通照明領域的曙光已經(jīng)顯現(xiàn)。目前從全球來看，手機背光占領LED的大部分市場，在接下來的一波推進潮中，筆記本電腦、高端液晶電視背光及汽車燈將成為LED的新增長點；LED在通用照明應用領域將取得突破。從中國市場來看，建筑裝飾照明、室內外顯示屏、交通指示是主要應用市場。隨著國內LED廠家技術水平的提高和