专题二：发光二极管(LED)显示技术分解.ppt

专题二：发光二极管（LED）显示技术,LED发光原理LED的结构LED的特点LED的发光效率LED的发展应用,2.1LED的发光原理,复习一下PN结的内容,空穴与自由电子复合,物质因浓度差而产生的运动。,空穴与自由电子复合,扩散运动,内电场,PN结的形成,2.1LED的发光原理,当给PN结加以正向电压时，由于外加电场方向与势垒区的自建电场方向相反，因此势垒高度降低，势垒区宽度变窄，破坏了PN结动态平衡，产生少数载流子的电注入。空穴从P区注入N区，同样电子从N区注入到P区，注入的少数载流子将同该区的多数载流子复合，不断的将多余的能量以光的形式辐射出去或非辐射形式（转变成热能或激发别的载流子）。,PN结加正向电压,热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。在常态下及PN结阻挡层的限制，二者不能发生自然复合。,2.1LED的发光原理,PN结加反向电压,PN结加反向电压时，内建电场被增强，势垒高度升高，空间电荷区宽度变宽。阻值空穴从P区注入N区，同样阻止电子从N区注入到P区，少数载流子难以注入，几乎没有电流通过。,在某些半导体材料的PN结两端加上正向电压，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫LED（LightEmittingDiode发光二极管）。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量决定了光的颜色，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。,2.1LED的发光原理,LED的核心是一个半导体的PN结晶片，LED是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。PN结晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端是正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。LED主要由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种物料所组成。1、支架作用：用来导电和支撑。组成：由支架素材经过电镀而形成，由里到外是素材、铜、镍、铜、银这五层所组成。种类：带杯支架做聚光型，平头支架做大角度散光型。2、银胶固定晶片和导电的作用。3、晶片（Chip）LED的核心，是发光的半导体材料。4、金线连接晶片PAD（焊垫）与支架，并使其能够导通。5、环氧树脂保护内部结构。,2.2LED的结构,（1）主动发光，亮度高，一般产品发光强度大于1cd，高的可达10cd；（2）单只LED功耗低。LED直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）。一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能近80%。但由多只LED构成矩阵显示屏，总体功耗就不低了。（3）为非相干光，光谱较宽，发散角大；（4）发光颜色非常丰富；通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。（5）坚固而耐用。LED的晶片被完全的封装在环氧树脂里面。小巧的环氧树脂颗粒极难摔破，整个灯体也没有松动的部分；里面的晶片极难摔断，也少有热效应而可能挥发、熔断。这些特点使得LED很难损坏。,2.3LED的特点,（6）性能稳定，工作温度范围宽，寿命长（100000小时）；（7）响应速度快，纳秒级。（8）发光效率受温度的影响。温度上升时复合率下降，大体上温度每上升1摄氏度，发光效率相应减少1%。（9）体积小。LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小，非常轻。尺寸小；（10）安全环保。LED使用低压的直流电源（可将交流电整流为直流电），供电电压在624V之间，因产品不同而有所差异。LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源,2.3LED的特点,LED的发光效率取决于三个过程：（1）超额少子的激发；（2）载流子的辐射复合；（3）产生的光从晶体中逸出的比例。因此总的转换效率：,因为功率效率约为1，所以led的发光效率一般称为外部量子效率。内部量子效率其实就是组件本身的电光转换效率，主要与PN结芯片本身的特性，如PN结芯片材料的能带、缺陷、杂质、组件的垒晶组成及结构等相关。光学效率（取出效率）指组件内部产生的光子，在经过组件本身的吸收、折射、反射后实际上在组件外部可测量到的光子数目。因此，相关于取出效率的因素包括了组件材料本身的吸收、组件的几何结构、组件及封装材料的折射率差、组件结构的散射特性等。,2.4LED的发光效率,产生超额少子的功率效率,内部量子效率,光学效率,外部量子效率,LED的电光转换率只有20%30%，这效率不高，如何提高LED发光效率?（1）掺杂浓度的选择（提高内部量子效率出发）LED的材料和工艺应保证晶格完整和避免有害杂质混入。因为注入载流子中有一部分是通过晶格缺陷和有害杂质形成的俘获中心的非辐射复合的，不发光。扩散流由电子扩散流和空穴扩散流组成，但往往只有一种对光的贡献大。如发红光的LED主要靠电子扩散流再P区复合，应增加电子扩散流在总扩散流中的份额。（2）选择适合的结深（提高内部量子效率出发）正向偏置时，电子从N区注入到P区后，不断复合和发光，并假设由P区射出。为了保证充分复合，PN结应深一些，但PN结深了会使光在出射过程中被吸收增加，因此PN结深需又一个最佳值。,2.4LED的发光效率,2.4LED的发光效率,如何提高LED发光效率?（3）用球形发射表面。外部量子效率可以达到35%，但球形发射面是材料内部光程增大，即吸收增大。早期LED发展集中在提升其内部量子效率，方法主要是利用提高垒晶的质量及改变垒晶的结构，使电能不易转换成热能，进而间接提高led的发光效率，可获得约70%左右的理论内部量子效率。但是这样的内部量子效率几乎已经接近理论的极限，在这样的状况下，光靠提升组件的内部量子效率是不可能提升组件的总光量的，因此只能提升组件的取出效率。（4）封装材料及结构设计的优化。用折射率大的介质做成圆形窗口；常见的LED就是这种外形。在背面设置合适反射面，以充分利用侧面发射的光；即使是矩形封装，也可用折射率大，吸收小的透明材料做LED的封装以增加出射光。,2.4.1LED的发展1962年，第一颗实用型的可见光LED出现，现在LED的发展已经达到了一个很高的程度，LED已被运用到各种产品上，而人们预想随着它亮度和技术的不断提高，LED将完全取代传统的照明产品。因为LED的使用可以节省大量的能源。LED的发展可以分为三个阶段：（1）红光LED的出现；（2）绿光LED的出现；（3）蓝光和白光LED的出现。LED的终极目标就是亮度高的白光LED，完全可以代替传统的光源。这是一个漫长而艰辛的道路，一直到日本科学家中村秀二在1994年用稼合物制造出蓝光LED，这个突破对LED发的发展起到决定作用，基于这种蓝光LED的作用，白光LED很快就在1996年被发明出来。从此LED产品被广泛地应用于各个领域。,2.4LED的发展应用,早期的LED主要用于各种电子仪器仪表中作指示和数字信息显示。随着高亮度和蓝色LED的实用化，使可见光LED的应用领域由室内扩展到室外，有单色显示发展为多色显示，信息显示密度不断提高，信息显示的距离逐步由近及远。一、全色动态信息平板显示1、亮度室外LED显示亮度已达到或超过5000cd/m2。2、可靠性3、红色问题4、视角可达140度今后的改进方向：（1）提高LED亮度的一致性，或开发出对每个像素都能进行亮度调节的系统；（2）改善像素单元结构，控制点阵元间节距的均匀性；（3）降低成本。全色屏广泛用于体育馆、车站、机场、商场等公共场所。,2.4.2LED的应用,二、背光源液晶显示器背光源和电话按键发光。三、固体照明光源四、信号指示灯1、交通信号灯2、汽车指示灯五、彩色LED大屏在国内的发展简况LED全彩色大屏还有许多技术和工程问题需要解决。LED的基础和核心技术，特别是高端的纯蓝、纯绿LED管以及驱动芯片等眼器件基本上被美国和日本掌握，国内厂家集中在劳动密集型的封装、组装和安装等低端技术领域。但我国在显示屏的驱动、控制系统以及软件功能等应用技术的研究开发上已有一定的水平。,2.4.2LED的应用,一、信息刷新原理从实现刷新的原理上，可分为扫描型和锁存型两种。1、动态扫描型指显示屏上16行、8行或4行LED公用一个驱动寄存器，常称为16循环、8循环或4循环。整个屏的刷新是靠驱动寄存器的时分工作实现的。特点：驱动电路设计简单，成本低，亮度低，多用于室内显示屏。2、静态锁存型指显示屏上每个LED都对应于一个驱动寄存器，即驱动器无需时分工作，每个LED的占空比均为100%。特点：电路复杂，成本高，亮度高，一般用于室外显示屏。,2.4.3LED显示的相关电路,二、灰度扫描的实现在高速动态显示时，LED的发光亮度与扫描周期内的发光时间成正比，因此灰度等级的实现由控制LED的发光时间和扫描周期的比值，即采用调制占空比的办法来实现。例：每帧周期为T，设采用8行扫描方式，每行总选通时间为T/8，将每个周期内LED的总发光时间一次调节为0、1T/（816）、2T/（816）、15T/（816），这样将LED的发光时间为16个等级，即实现了16级灰度。灰度扫描的关键在于产生“1”和“0”组成的串行数据流。16级灰度调制系数与编码值举例如下：灰度等级占空比编码值编码序列11/1280001100000000000000066/1280110111111000000000015呢？,2.4.3LED显示的相关电路,二、灰度扫描的实现编码序列中，有i个“1”和16-i个“0”，LED实际发光时间为：t(i)=iT/（816）即第i级灰度对应的LED导通脉冲的占空比为：t(i)/T=i/（816）三、扫描控制电路,高速数据缓存处理电路，防止数据丢失。因此采用双总线结构的存储电路用于LED大屏显示的扫描控制，两组帧存储器分别交替工作于图像高速扫描和图像数据接受缓存两种方式。,2.4.3LED显示的相关电路,三、扫描控制电路从视频显示控制模块传来的数据为并行数据，而LED显示所需的是含有灰度信息的串行数据流，这就要求有灰度译码，将4位并行数据转换为16个有灰度信息的串行数据序列。,2.4.3LED显示的相关电路,四、显示屏均匀性的改进1、产生原因理想情况下，如果显示屏上每个像素在任一角度上发出的光的亮度、色度总是一致的，那么就可以认为显示屏是均匀的。而在实际的生产过程中，显示屏的均匀性会受到诸多因素的影响：（1）灯管厂商提供的LED自身存在亮度、色度上的差异性；（2）LED发光强度的空间分布特性存在差异性，这会导致不同LED在任一视角上的发光强度相对于光轴方向上的衰减值存在不一致性；（3）LED焊接时光轴方向偏离显示屏法线方向，尤其是直插LED光轴方向的控制；（4）模块拼装的平整度；,2.4.3LED显示的相关电路,（5）箱体拼装的平整度；（6）面罩、散热等其它因素的影响。2、解决方法光强均衡处理3、三种平滑技术（方法的实现）（1）最小归元法把显示屏所有的LED亮度等于最小亮度。特点：亮度均匀性好，但亮度损失大。（2）邻域平滑法任意点的灰度值是该点邻域中若干像素的加权平均。利用人眼对相邻像素不均匀很敏感，而对大面积缓变的亮度不均匀不敏感的特点。特点：比最小归元法的亮度损失小很多。（3）均值法求出光强平均值；令所有大于平均值LA的像素亮度都等于LA；用邻域平均法进行平滑处理。,2.4.3LED显示的相关电路,2.4.3LED显示的相关电路,三种数据处理方法的性能比较：,自动检测、远程控制技术LED显示屏构成复杂，特别是室外显示屏，供电、环境亮度、环境温度条件等对显示屏的正常运行都直接影响，在LED显示屏的控制系统中可根据需要对温度、亮度、电源等进行自动检测控制。也可根据需要远程实现对显示屏的亮度调节、色度调节、图像水平和垂直位置的调节、工作方式的转换等等。常见有以下几种控制模式1、单片机控制单片机控制是LED显示屏控制中最简单的一种方式。当显示信息固化在ROM里或来自传感器等，由单片机读取并控制LED显示。多用于简单固定文字或监控数据显示的条形屏等。这种控制方式简单，灵活，成本低。但是，内容和显示方式的编辑、更改较麻烦，使用不方便。,2.5LED显示的控制技术,2、微机控制微机控制LED显示屏一般都需要专用的接口电路，如LED专用显示卡、LED专用多媒体卡等。此类控制中较多的是VGA同步技术。LED显示屏的VGA同步控制技术是指LED显示屏能够实现跟踪微机CRT窗口上的显示信息，是LED显示屏成为微机的大型显示终端。一般是对显示卡的RGB信号输出进行采样，或直接从VGA卡上的特征插座上取得RGB的数字信号，处理后用于驱动LED显示屏电路。这种控制方式充分发挥了丰富强大的微机软件功能，而且具有较强的编辑功能，内容和显示方式的更改、增删简单方法，便于显示数据的保存、管理和打印输出；但是成本较高，每个显示屏都要附带微机系统，对于一些室外、远距离、分散的应用场合，工程施工和日常维护都有诸多不便。,2.5LED显示的控制技术,3、主从控制采用微机（上位机）和单片机（下位机）分布管理和控制LED的显示。上位机负责显示数据处理与显示任务分配，有时还要与其他系统进行通信；下位机作为控制器件，接收并执行来自上位机的任务，指挥控制LED显示屏上各部件协调工作。上位机与下位机一般通过RS232或RS422通信，一台上位机可以管理、控制多个下位机同时显