LED显示技术及其应用.doc

摘 要 本文首先描述了发光二极管的物理基础，以帮助大家了解发光二极管的内部结构， 接着描述了其优缺点及分类，从各个角度来加深对发光二极管的理解，最后阐述了发光 二极管的广泛应用及其远大的发展前景。 关键字 LED 电子 空穴 显示 目 录 引言 .1 1 发光二极管的基本知识 .1 1.1 半导体光源的物理基础2.1 2 LED 的特点及其分类 .1 2.1 LED 的优点 .2 2.2 LED 的缺点 .2 2.3 LED 的分类 .3 3 LED 的应用 .3 3.1 视觉讯息显示 .3 3.1.1 各种产品、设备的状态指示灯 .3 3.1.2 交通、道路等的指示灯 .4 3.1.3 公共场所的平板显示器 .4 3.1.4 LCD 显示器背光光源 .4 3.1.5 发光二极管显示器 .4 3.2 发光二极管照明 .4 3.3 设备测量、运作时不涉及视觉所需的光源 .5 3.3.1 光通讯 .5 3.3.2 感知与测量 .5 3.4 窄波段光学传感器 .5 4 发展前景 .6 参 考 文 献 7 英文摘要 .8 1 引言 随着经济的快速发展，生活水平的逐步提高，信息技术也逐渐成为了我们生活中很 重要的一部分。大量微电子技术、自动化技术、计算机技术的迅速发展，半导体制作工 艺日趋成熟，导致 LED 显示屏中点尺寸越来越小，解析度越来越高。而可将显示光的 三基色(红、绿、蓝)集成化一体，达到全彩色效果，使得发光二极管作为 LED 显示屏器 件的应用范围日益扩大。LED 显示技术广泛应用于电力、医疗卫生、民政、工商税务、 政法系统等国民经济、社会生活领域中，并起着重要作用，它已经成为现代人类社会生 活的一项不可或缺的技术。1 1 发光二极管的基本知识 1.1 半导体光源的物理基础2 发光二极管(英文为 Light Emitting Diode, 简称 LED)是一种固态的半导体器件，也 是一种特殊的二极管，它可以直接把电转化为光。LED 的心脏是一个半导体的晶片，晶 片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树 脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是 P 型半导体，在它里面空穴占主导地 位，另一端是 N 型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们 之间就形成一个“P-N 结”。 与其它二极管一样，LED 中电流可以轻易地从 P 极(阳极)流向 N 极(负极)，而相反 方向则不能，这种现象就叫作正向偏置。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子 就会被推向 P 区，在 P 区里电子跟空穴复合，电子会跌落到较低的能阶，然后就会以光 子的形式发出能量，这就是 LED 发光的原理。这种电能直接转换为光能的发光现象也 称为电致发光效应。而光线的波长也就是光的颜色，跟其所采用的半导体物料、种类及 故意渗入的元素杂质有关。 晶片是 LED 的主要组成物料，是发光的半导体，其所发出的光的波长(决定颜色)是 由组成 P、N 架构的半导体物料的禁带能量决定。发光二极管所用的材料都是直接带隙 型的，因此能量会以光子形式释放，这些禁带能量对应着近红外线、可见光、或近紫外 线波段的光能量。较常采用磷化镓(GaP)、镓铝砷(GaAlAs)、砷化镓(GaAs)、氮化镓 (GaN)等材料组成，其内部结构具有单向导电性。 2 LED 的特点及其分类3 2 2.1 LED 的优点 (1)在低光度下能量转换效率高(电能转换成光能的效率) - 也即较省电，非常适合在 低光度(如手提电话的背光、夜灯)需求中使用。但当提高光度至如台头灯般或更高时， LED 的效率比钨丝灯泡高，但比荧光灯差。 (2)反应时间短 - 可以达到很高的闪烁频率，甚至让“可见光网络”成为可能。 (3)稳定性好，使用寿命长 - 在适当的散热和环境下可达 35,000 50,000 小时(荧光 灯为 10,000 15,000 小时，白炽灯为 1,000 2,000 小时)。 (4)耐震荡等机械冲击 - 由于 LED 是一种 PN 结二极管，属于固态元件，没有灯丝、 玻璃罩等，因此机械强度大，耐振动和耐冲击能力强。 (5)体积小，重量轻，适用性强 - 其本身体积可以造得非常细小(小于 2mm)，所以 可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。 (6)便于聚焦 - 因发光体积细小，而易于以透镜等方式达致所需集散程度，藉改变 其封装外形，其发光角度由大角度散射至细角度聚焦都可以达成。 (7)单色性强 - 由于是单一能级光出的光子，波长比较单一(相对大部份人工光源而 言)，能在不加滤光器下提供多种单纯的颜色。 (8)色域略为广阔 - 部份白色 LED 覆盖色域较其他白色光源广。 (9)绿色环保 - LED 是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时 LED 也可以回收再利用。 2.2 LED 的缺点 (1)高光度下效率较低，在一般照明用途上仍比荧光灯耗电，有些 LED 灯甚至比省 电灯泡耗电。有些设计使用多枚 LED，在保持整体光度下让每枚 LED 可以工作在较低 光度，从而增加效率，但使成本大为提高，售价难以降低。 (2)效率受高温影响而急剧下降，浪费电力之余也产生更多热，令温度进一步上升， 形成恶性循环。除浪费电力也缩短寿命，因此需要良好散热。 (3) LED 光度并非与电流成线性关系，光度调节略为复杂。 (4)成本较高。 2.3 LED 的分类 (1)按发光二极管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿 标准绿和纯绿)、 蓝色等。 (2)按发光二极管出光面特征分，可分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表 3 面安装用微型管等。 (3)按发光二极管的结构分，有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装 及玻璃封装等结构。 (4)按发光强度和工作电流分，有普通亮度的 LED(发光强度 100mcd )、高亮度发光二极管(发光强度在 10100mcd 间)；一般 LED 的工作电流在十几毫安至几十毫安，而低电流 LED 的工作电流在 2mA 以下(亮度与普 通发光管相同)。 除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法 3 LED 的应用3 随着 LED 发光效率与性能的持续提升与改善，LED 利用其使用寿命长、环境适应 能力强、性价比高、使用成本低等优势，在短短的十来年中已从指示灯、手机背光显示 屏、交通信号灯等成熟应用领域，逐步向中大尺寸 LCD 背光、汽车照明等新兴应用市 场渗透应用，主要使用在以下几个类别： (1)在视觉讯息显示时提供所需的光源 (2)照明 (3)为各种设备(机器、电器、电子产品等)提供在测量、运作时不涉及视觉所需的光 源 (4)窄波段光学传感器(LED 被置于反向偏压并对入射光线在电路上作出反应) 3.1 视觉讯息显示 3.1.1 各种产品、设备的状态指示灯 在消费性电子产品，LED 在家庭电器、玩具、各种仪器等用途上作为工作状态显示 灯。单一 LED 常被用作状态显示(例如电源状况)，也有制成七段数码管的 LED 组用作 显示数字，而通常会在右下方加上“” 、 “， ” ，以显示小数点等。在多年前，当显示器 技术并不发达时，有些 LED 组能有 14 划，可以显示 26 个英文字母，但当微电子等显 示技术成熟后，这种 LED 组已极少被采用。 3.1.2 交通、道路等的指示灯 当 LED 的光度发展达至要求后，便有汽车用 LED 作转向与刹车灯，主要好处是 LED 极高的开关速度，LED 的亮起时间比白炽灯快 0.5 秒之多，这对行车安全非常重要。 而车辆行驶环境中震荡、温差变化下，LED 仍然有稳定的光度及非常可的靠性。有些紧 4 急服务车辆的闪光警标也使用 LED，LED 可以高速闪动的特性简化了已往产生闪动效 果的机械结构而更加可靠。同样工作在户外环境的交通灯使用开关快速的 LED 也很适 合，LED 寿命较长也减少坏灯及影响交通的机会。不过在气候较低温的地方，LED 交通 灯会有比积雪盖著的问题。极小部份车辆开始使用白色 LED 作车头灯，其好处是光线 的方向控制比白炽灯加抛物线反射镜好。而公路的讯息显示板也使用 LED 点阵显示， 这些显示板多采用黄或红色 LED 以求兼顾夜间环境。这类显示器叫发光二极管显示器， 是平板显示器的一种。 3.1.3 公共场所的平板显示器 在机场、机舱、火车站、巴士站、码头等各种公共交通工具上等地方，LED 被普遍 地采用作为平板显示器以显示如班次、目的地、时间等相关讯息。而 LED 的可靠性与 低耗电，使其也适合用作紧急出囗指示灯。 3.1.4 LCD 显示器背光光源 近年 LED 在高光度下的效率不断改进，使得亮度足以应用在 LCD 电脑屏幕及 LCD 电视机的背光。相比之前的冷阴极荧光灯 CCFL(Cold cathode fluorescent lamp)，LED 省 却了 CCFL 所需的高压电源，除大幅减低了电磁干扰外，由于省却了电压转换，在使用 电池作电源的产品上也省却了电压转换时的功率损耗，而 LED 的工作寿命，颜色的稳 定性也比 CCFL 好得多。 3.1.5 发光二极管显示器 采用 LED 点矩阵型模块的大型显示器正在室内或室外显示迅速推广普及。由于采用 LED 点矩阵型模块结构，显示板的大小可由 LED 发光点纵横密排成任意尺寸；发光颜 色可以是从红到绿的任意单色，红、绿、橙三色、多色，甚至全色；灰度可从十数阶到 几十阶分阶调节；可显示数字、字符信息(如电子公告板)，与专用 IC 相组合,也可由电 视信号驱动，进行电视、录相显示。 3.2 发光二极管照明 传统照明灯俱如萤光灯、白炽灯及卤素灯都有装载气体的脆弱玻璃管，因而都不及 全固态的 LED 坚固耐用。现有单一大功率 LED 一般有 1W、3W、5W 等，由于 LED 在 增加光度时，效率会下降，所以有些 LED 灯使用多个白光 LED 组合成一簇构成一个光 源，以增加效率；同样的原因，在照明方面只用在对光度要求低的地方，以保持其较佳 效率(省电)的特性，这些用途包括： 5 手电筒 断电时用的紧急照明 入门类数码影像设备的补光灯 在光度要求低的道路、隧道、室内照明 3.3 设备测量、运作时不涉及视觉所需的光源 由于 LED 开关速度快，有利资料快速传输及减少延迟，加上推动简单，所以常用 于各种设备中作资料、讯号传送及感知用途。, 3.3.1 光通讯 电视机、录影机等家电的遥控器，使用了红外线发光二极管 红外线摇控玩具 红外通讯技术、IrDA 数码资料传输 短距离光纤通讯，例如影音产品的数码音乐光纤传送系统 3.3.2 感知与测量 光电耦合元件，是一种以光讯号把讯息由在两个电气完全隔离的电路之间传递， 其包含了两部份，一是光源，而另一是感光体，光源部份就是使用 LED。 动作传感，例如：光学鼠标 位移探测器，例如：以光学方式探知手指位置的触控式屏幕 相机的红外线自动对焦系统 红外线夜视防盗系统的红外线光源 3.4 窄波段光学传感器 可见光发光二极管与光检测器都是使用能隙落在可见光波段的 PN 结，因此具有许 多相同的物理特性，而将发光二极管应用在光检测上，是早已被熟知的技艺，但直到最 近，被称为双向发光二极管阵列方被提出，并应用在触控面板上的接触传感(touch- sensing)。在此应用中，阵列中各个发光二极管被快速地被点亮、熄灭。发光二极管点 亮后，发射光照射到操作者的手指或图案，其反射光再经由熄灭状态的发光二极管所检 测，并在反向偏压下操作的发光二极管上，感应出电压，接着透过微处理器读出该感应 电压的大小。 4 发展前景1 从 LED 的技术研发来看，世界主要的 LED 公司不断取得新技术方面的突破性 6 进展，半导体照明技术创新的步伐正在不断加快，白光 LED 进入普通照明领域的曙光 已经显现。目前从全球来看，手机背光占领 LED 的大部分市场，在接下来的一波推进 潮中，笔记本电脑、高端液晶电视背光及汽车灯将成为 LED 的新增长点；LED 在通用 照明应用领域将取得突破。从中国市场来看，建筑装饰照明、室内外显示屏、交通指示 是主要应用市场。随着国内 LED 厂家技术水平的提高和规模的扩大，国内企业在手机 背光、NB 背光、特种白光照明(包括路灯)、车用 LED 光源市场的渗透率将持续提高， 而当白光通用照明时代来临时，整个 LED 行业将步入爆发性增长的发展阶段。 7 参 考 文 献 1LED 产业发展动态J. 广东科技, 2010.7, 40-44 2李文峰, 顾洁, 赵亚辉, 吕颖利. 光电显示技术M. 清华大学出版社, 2010, 59-63 3/wiki/ 8 LED Display Technology and Its Applications Liu Weihuan (College of Science, South China Agricultural University Guangzhou 510642,China) Abstract: In order to help people understand the internal structure of LEDs, this paper firstly describes its p