LED显示技术课件

LED显示技术白光LED的原理和应用360°LED环形显示器360°LED环形显示器发光二极管(LED)发光二极管(LED)电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境稳定性：10万小时，光衰为初始的50%响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级.发光二极管(LED)对环境污染：无有害金属汞颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。发光二极管(LED)1.1发光二极管

发光二极管（lightemittingdiode，LED），顾名思义，是由半导体制作的二极管的一种。众所周知，二极管具有整流作用，即在其两极上施加电压时，仅能单方向通过电流。所谓发光二极管是指当在其整流方向施加电压（称为顺方向）时，有电流注入，电子与空穴复合，其一部分能量变换为光并发射的二极管。这种LED由半导体制成，属于固体元件,工作状态稳定、可靠性高，其连续通电时间（寿命）可达105h以上。LED元件与一般半导体元件一样，也被称为芯片（chip），其尺寸通常为数百微米见方，是很小的。LED的发光颜色，与白炽灯等发出的白色光等不同，而是近于单色光，换句话说，其发光的光谱是很窄的。通过选择半导体材料，目前生产的发光二极管可以发射红外、红、橙、黄、绿、蓝等范围相当宽的各种各样的颜色。发光二极管(LED)LED的开发经历及今后展望LED的注入型发光现象是1907年H.J.Round在碳化硅晶体中发现的。1923年O.W.Lossew在S的点接触部位观测到发光，从而使注入型发光现象得到进一步确认。1952年J.R.Haynes等在锗，硅的P－N结，以及1955年G.A.Wolff在GaP中相继观测到发光现象。一般认为，至此为LED的萌芽期发光二极管(LED)20世纪60年代可以说是基础技术的确立时期。从1962年Pankove观察到GaAs中P－N结的发光开始，相继发表关于GaAs，GaP，GaAsP，ZnSe等单晶生成技术、注入发光现象的大量论文，1968年GaAsP红色LED灯投人市场，1969年R.H.Saul等人发表GaP红色LED的外部发光效率达7.2％，从此实用化的研究开发加速展开此后，在70～80年代，由于基板单晶生长技术、P－N结形成技术、元件制造、组装自动化等技术的迅速进步。近年来，采用高辉度红色、绿色LED的平面显示元件已广泛用于各种信息显示板。对于最难实现的蓝色LED，采用了SiC，数年前也达到了实用化，已有显示灯产品供应市场发光二极管(LED)

Si、Ge等IV族元素单晶半导体的晶体结构，属于图7－2（a）所示的金刚石结构；GaAs、GaP、ZnSe等化合物半导体的晶体结构，属于图7－2（b）所示的闪锌矿结构；GaN具有如图7－2（c）所示的纤锌矿结构，属于六方点阵。半导体元素，有大家所熟知的、位于周期表上第IV族的S、Ge，它们作为半导体集成电路用材料，在现代电子工业中起着不可替代的作用。LED用材料，有由III族的Al、Ga、n与V族的N、P、As等两种以上元素相结合而成的Ill—V族，由II族的Zn与VI族的S、Se相结合而成的II—VI族，由Si与C相结合而成的IV—IV族等化合物半导体。发光二极管(LED)发光二极管(LED)

一般说来，能带结构与晶体结构关系很大，化合物半导体的能带结构与金刚石型的能带结构相类似。表7－1给出各种半导体晶体的特性。发光二极管(LED)为了制取发光效率高的LED，在电子与空穴发生复合放出能量时，除了要考虑复合前后的能量之外，还应保持动量守恒。可获得最高发光效率的复合过程是电子与空穴的最初动量相同，因复合而放出的能量全部变成光，而动量却不发生变化，这种情况如图7-3(a)所示。其能带结构的特点是，在价带顶与导带底不存在动量差，这种半导体发生的复合称为直接跃迁型。发光二极管(LED)发光二极管(LED)对于电子与空穴的初始动量不同的情况，为了保持动量守恒，需要热、声等晶格振动参与迁移过程，因此发生复合的几率变得很低，这种初始动量不同的电子、空穴的复合称为间接跃迁型，其能带结构如图7-3(b)所示。发光二极管(LED)另外，如图7-3(c)所示，通过在导带与价带之间加人被称作等电子捕集器(isoelectronictrap)的杂质中心，也可以使像GaP这种间接迁移的情况达到很高的发光效率。发光二极管(LED)发光二极管(LED)2.2发光机制及发光波长

LED的发光源于电子与空穴的复合，其发光波长是由复合前空穴和电子的能量差决定的。对于直接跃迁型材料，晶体发光的波长决定于禁带宽度Eg，发光波长可由关系式λ=1240/Eg求出。为了得到可见光，Eg必须在1.6eV以上。如图7-3所示．在能带结构中，由于导带、价带都为抛物线形状，因此发光谱两端都会有不同程度的加宽现象，其半高宽一般为30～50nm。发光二极管(LED)

红色LED的中心材料是以Zn-O对作为发光中心的GaP，Zn-O对在其中起等电子捕集器的作用。GaP为间接跃迁型，在其中导入杂质Zn-O对作为发光中心，已实现较高效率的红色LED，发光波长为700nm，晶体不发生自吸收现象，可以在低电流密度下获得高辉度。

发光二极管(LED)在橙色、黄色LED中，使用的是以N为等电子捕集器的GaAsP；在绿色LED中，使用的是掺杂有高浓度N的间接迁移型GaP。而且，在纯绿色LED中，正在使用不掺入杂质的GaP。发光二极管(LED)

蓝色LED需要采用禁带宽度大的材料已经在研究开发的有SiC，GaN，ZnSe，ZnS等。SiC是容易形成P-N结的材料，属于间接跃迁型，依靠掺入杂质Al和N能级间的跃迁产生发光。GaN，ZnSe，ZnS为直接跃迁型，可获得高辉度发光。这些材料的研究开发近年来获得重大突破，高辉度蓝色LED正在达到实用化。发光二极管(LED)2.3电流注入与发光

实际LED的基本结构要有一个P-N结。当在P-N结上施加顺向电压，即P型接正，N型接负的电压，会使能垒降低，从而使穿越能垒的电子向P型区扩散，使穿越能垒的空穴向N型区扩散的量增加。通常称此为少数载流子注入，注入的少数载流子与多数载流子发生复合从而放出光。随电压增加，达到一定值，电流急剧增加，光发射开始。电流开始增加时对应的电压相应于P-N结势垒的高度，称该电压为起始电压，起始电压随LED材料及元件的结构不同而不同，GaAs为1.0～1.2V，GaAIAs为1.5～1.7V，GaP为1.8V，SiC为2.5V等等。发光二极管(LED)2.4发光效率、光输出及亮度注入LED的载流子变换为光子的比率称为内部量子效率；而射出晶体之外的光子与注入载流子之比称为外部量子效率。由于在P-N结附近发生的光会受到晶体内部的吸收以及反射而减少，一般说来，外部量子效率要低于内部量子效率。市售LED产品的外部量子效率，红色的大约为15％，从黄色到绿色的则在0.3％～l％范围内，蓝色的大约为3％。发光二极管(LED)

LED的发光效率与其能量收支相关，其数值可表示为载流子向P-N结的注入效率、载流子变为光的变换效率、产生的光到达晶体外部的光取出效率三者的乘积。为获得较高的发光效率，一般要采取各种措施，例如在结构上采取让光通过一般说来吸收率较小的N型半导体，为防止由于晶体表面反射造成的损失，在晶体表面涂覆高折射率的薄膜等等。发光二极管(LED)对于显示用可见光LED来说，不仅仅是要求光输出要大，重要的是与视感度相关的发光效率。人眼的视感度对555nm的绿色出现峰值，而后急速下降。光输出中与视感度相关的部分称为光度，光度是显示用可见光LED的辉度指标。发光二极管(LED)3.1单晶制作技术利用水平布里奇曼（Bridgman）法（又称为HB法或舟皿生长法）及液体保护旋转提拉法（又称为液体保护切克劳斯基（Czochralski）法或LEC法）可以制备这种块状单晶，这两种方法都属于可以获得大型基板单晶体的熔液生长法。GaP单晶可由图7-8所示的LEC法单晶拉制装置来制造。3发光二极管(LED)制作工艺发光二极管(LED)GsAs单晶由控制温差的HB法制作发光二极管(LED)对于其他材料来说，正在进行制作的有外延三元混晶（GaAsP，InGaP，InGaAs等）用的基板单晶，如InGaAs（LEC法）及InGaP（蒸汽压控制法），II-VI族化合物单晶如ZnSe（布里奇曼法、seededphysicalvaportransport法、带籽晶的物理气相输运法）、ZnS（碘输运法）、SiC（升华法）等关于单晶生长，今后的研究课题是，减少杂质、提高组成及杂质分布的均匀性，减少缺陷及位错密度。因此，生长过程的计算机模拟及生长中的监控越来越重要。目前正在研究开发的有通过装有籽晶的超声波传感器，对生长中晶体的结晶生长进行监控的方法，通过X射线透视装置进行监控的方法等。而且，单晶的分析评价技术对于单晶体的制作来说是必不可少的。发光二极管(LED)3.2外延技术

液相外延（liquidphaseepitaxy，LPE）法从原理上说是溶液冷却法，即利用溶解度相对于温度的变化，通过饱和溶液的冷却，使过饱和的溶质部分在基板表面析出的方法。在LPE法中，利用源的烘烤，可以获得高纯度的优良单晶，而且生长速率大，现已用于GaP，GaAs，InP系的LED的批量化生产。红、绿色LED用的GaP，红色LED用的GaAIAs，红外LED用的GaAs，长波长LED用的InGaAsP都是通过LPE法制作的。发光二极管(LED)从原理上说是溶液冷却法，即利用溶解度相对于温度的变化，通过饱和溶液的冷却，使过饱和的溶质部分在基板表面析出的方法。发光二极管(LED)

气相外延（vaporPhaseepitaxy，VPE）法，如图7－11所示，是使III族金属源气体与V族卤化物或氢化物通过开管式反应而进行的气相生长法，适合批量生产，目前红、橙、黄色LED用的GaAsP就是用这种方法制作的。发光二极管(LED)发光二极管(LED)分子束外延（molecularbeamepitaxy，MBE）法，如图7－12所示，是使PBN小孔坩埚中的固体加热气化，得到的分子束射向加热到一定温度的基板单晶上进行单晶生长的方法。其特点是组成、膜厚的可控制性及均匀性都很好发光二极管(LED)发光二极管(LED)有机金属化学气相沉积（metal－organicchemicalvapordeposition，MOCVD）法，对于Ill-V族化合物来说，是以Ill族金属的烷基金属化合物为原料，V族元素以氢化物为原料的气相生长法；以H2为载带气体，在常压或减压的气氛中，在加热到一定温度的基板单晶上，在保持V族元素过剩的条件下，使气相原料之间发生反应的单晶生长法。其装置示意见图7-13。其特点与MBE相似，组成、膜厚的可控制性及均匀性都很好，是适于批量生产的单晶生长法。发光二极管(LED)发光二极管(LED)3.3掺杂技术向化合物半导体单晶中掺杂杂质有各种不同的方法。在LPE法中，通过向熔液中添加各种杂质，即可获得具有所要求的电导率、特定载流于浓度的单晶体。在VPE、MBE、MOCVD方法中，或者使固态的杂质蒸发，或者添加含有杂质的气态化合物，以获得所要求的电导率及载流子浓度等。掺人杂质的量可以独立控制，重复性、可控制性都较好。扩散掺杂仍然是最重要的掺杂方法之一。扩散掺杂法分闭管式（真空闭管式）和开管式两种，后者操作简单，适合于大直径晶片及批量化生产。发光二极管(LED)发光二极管(LED)近年来，出现一些新的扩散方法，例如通过Zn及S的离子注入层以及电子束（electronbeam，EB）蒸镀的Si层，利用快速灯退火进行掺杂，但由于易产生晶体缺陷及结浅等原因，不适于LED的制作。选择扩散用掩模一般用SiO2及SiNx等，但由于它们与GaAs的热膨胀系数不同容易造成应变等，在与掩模的界面处，会产生由扩散引起的所谓“鸟嘴”现象。为了防止其发生，可用Si作扩散掩模，而在进行Si的扩散时，可以用Si膜作扩散源。今后的课题是提高掺杂的均匀性以及采用无掩模的选择掺杂技术等发光二极管(LED)3.4元件制作及组装技术LED的制作分前道（外延）、中道（芯片）、后道（封装）技术。具体说来，包括下述工序：由单晶生长及扩散制作P-N结形成电极；解理或划片，将晶片分割成一个个的芯片；包覆保护膜；对芯片检测分级；将芯片固定于引线框架中；引线键合；树脂封装；检查并完成成品。发光二极管(LED)对LED的检查项目包括：VI特性，CV特性，电流—辉度（功率）特性，发光峰波长，发光谱半高宽，响应速度，发光效率，温度特性，角度特性，寿命等；此外还有电流、电压、温度的最高允许值等。对光通讯应用来说，需要测定光输出，截止周波数，在光纤端的输出，耦合损失，指向特性，静电破坏特性等。在上述的LED组装、检查工艺中，还需要实现自动化以提高效率、降低价格。发光二极管(LED)在LED领域，最近十余年间，在单晶生长方法、新材料等的研究方面获得了十分突出的进展最常见的红光LED，十余年间其光度得到飞跃性的提高。其原因是由于采用了由直接跃迁型化合物半导体GaAIAs构成的双异质结结构，目前已出现轴上光度超过3000mcd（20mA）的制品。在橙、黄色LED中，采用红色LED所用的材料GaAsP，使其发光波长缩短，再加上近年来新开发的InGaAlP混晶材料，实现了高辉度LED。发光二极管(LED)4.1全彩色LED

目前，由全彩色LED构成的大屏幕显示器正在试制中，一般是由SiC或GaN等蓝色LED与由其他材料构成的红、绿色LED相组合，构成混合型全彩色LED泡。最近各国都在采用前述的高发光效率的SiC蓝色LED，GaP红色及绿色LED，并做成LED泡，制成包括纯白色发光在内的可以多色发光的全彩色LED。图7-20表示全彩色LED显示泡的结构，图7-21表示全彩色LED在CIE色度图上的发光色度坐标。为做成产品，需要进行封装，包括引线键合，浇注或模压透明树脂，采取相应的散热措施，引出电极等。由这种全彩色LED矩阵布置构成大屏幕显示器，颜色鲜明、醒目，具有比一般显示器更接近自然的色彩，作为高品位信息及图像显示器具有良好的发展前景。4特种发光二极管(LED)发光二极管(LED)4.2红外LED

尽管红外LED的用途与普通显示器的用途不同，在此也略加介绍。红外LED的材料主要是GaAs，P型及N型杂质都用Si，通过改变LPE单晶生长的条件，可控制Si原子的置换位置（置换Ga原子或As原子），并由此形成P-N结。相应于这种情况，发光由深受主能级与导带间的迁移引起，与GaAs的带隙相对应，发光波长是相当长的，发光效率很高，接近20％，但响应速度慢。作为不需要高速响应的光耦合器、光分离器等复合光学器件应用更为广泛。对于要求高速响应的情况，在牺牲发光效率的情况下，或采用Zn扩散的LED，或者由GaAIAs构成的DH结构。在这种情况下，波长降为900nm或更低。此外，最近在照相机的自动聚焦等需要高输出的场合，以及远程控制用光源等，都在使用带有由GaAIAs制作的DH结结构的高输出型红外LED。发光二极管(LED)

LED在我们的日常生活中屡见不鲜，广泛应用于家用电器、音响设备、汽车及照相机等产品中。在这些产品中，LED或者用作显示元件，通过颜色、数字、文字、符号等显示机器设备的工作状态，向使用者提供必要的信息，或者用作各种用途的发光光源。在一些发达国家，LED显示器的应用更为普遍。从小店铺的营业标志到大商场的商品广告，从加油站的价目牌到大饭店的大厅壁画以及闹市区的公共告示牌、运动场的比赛成绩显示板等都在应用LED，其显示鲜明、醒目，动态效果极好。在交通运输领域的应用有自动售票机、进站自动检票口的信息显示，火车车厢内到站站名、时刻显示、站内列车时刻表、到达和发车车次显示板等。在公路两旁，都设有采用LED的夜间交通指示标志、交叉路口路标指示、前方道路通行状态显示等，由于大型动态的红、黄色LED显示板极为鲜明、醒目，无疑为汽车司机提供了很大的方便。下面，针对LED在显示器中的基本应用，分别加以简单介绍。发光二极管(LED)5.1指示灯

在LED的应用中，首先应举出的是各种类型的指示灯、信号灯等。以前，作为显示用光源，一直采用普通钨丝白炽灯泡，但存在耐振性差、易破碎等问题。随着LED的登场，特别是鉴于LED的许多优点，指示灯目前正处于更新换代中。通常，LED的寿命在数十万小时以上（在规定的使用条件下），为普通白炽灯泡的100倍以上。而且具有功耗小、发光响应速度快、亮度高、小型、耐振动等特点，在各种应用中占有明显优势。5发光二极管(LED)应用5.2数字显示用显示器利用LED进行数字显示，有点矩阵型和字段型两种方式。点矩阵型如图7-25所示，使LED发光元件纵横按矩阵排列，按需要显示的文字只让相应的元件发光。为进行数字显示，每个数字通常需要7行5列的矩阵，共35个元件。除数字之外，还可显示汉语拼音字母、英文字符、罗马字符、日文片假名等，其视认性也很好。但是，从驱动的简便性及价格等方面考虑，笔段型显示方式更为有利。发光二极管(LED)发光二极管(LED)

笔段型数字显示器如图7-26所示，在LED芯片的周围设置反射框，芯片上方或者装有光扩散用的散扩片，或者通过混有光扩散剂（三氧化二铝的微细粉末等）的环氧树脂，将芯片与其周围的结构模注在一起，则由一个LED即可构成长方形的均匀发光面。反射框所围的LED作为一个笔段单位，大小可以变化，由此可以形成任意尺寸的数字显示元件。笔段型显示中，多数为7笔段型及16笔段型（见图7-27）发光二极管(LED)发光二极管(LED)5.3阵列显示器

将笔段显示用的反射框按各种各样的形式直线排列，可对各种变化的量进行连续显示，如果再使用不同发光颜色的LED芯片，则可以对大量信息进行全彩色连续显示。音响设备用的分频音量水平显示器（见图7-29）以及汽车用平面转速显示器等都是采用阵列显示器的实例。发光二极管(LED)发光二极管(LED)5.4单片型平面显示器

单片型LED显示元件是在同一基板单晶上使发光点形成字段状或矩阵状的平面显示元件。这种显示元件的特点是，在保证高密度像素的前提下，可实现超小型化，其新的用途会不断得到开发。图7-30是单片型GaP绿色LED平面显示元件的结构（点矩阵型）的实例。每个发光部分的尺寸及节距分别是0.23mmX0.23mm，及0.28mm，在11.2mmX11.2mm大小的单晶表面上可形成40×40=1600个像素。发光二极管(LED)发光二极管(LED)5.5混合型平面显示器

混合型平面显示器与单片型不同，是在组装基板上使每个LED芯片排列成矩阵状，构成显示元件。当用于大型画面时，通常3000～4000个像素构成一个模块，在实装基板的背面设置驱动回路，按瓦块状排列。例如，利用GaP多色LED芯片，该芯片可发出从红色到绿色的任何中间色的光，按96X64=6144个像素排列的平面显示元件已达到实用化。发光二极管(LED)5.6点矩阵型平面显示器

目前，用于室内或室外显示，采用LED点矩阵型模块的大型显示器正在迅速推广普及。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；与专用IC相组合，也可由电视信号驱动，进行电视、录相显示。

发光二极管(LED)

模块结构可分为两大类。一类为小型模块，如前面数字显示用显示器一节中所述，将芯片连同其周围的反射框在基板上按矩阵排列，用树脂模注或盖以散射板，构成如图7-31所示的小型模块点矩阵型平面显示器。另一类为大型模块，一般是将一个或多个LED芯片装在同一显示泡中，再将该显示泡按矩阵状排列而构成。发光二极管(LED)

关于模块的驱动方式，一般是将微机输入的数据送到显示器的控制部分，显示模块中的像素将根据LED的点数据、左旋或右旋数据以及亮暗数据等驱动信号进行显示。图7-32是市售16X32点LED显示模块的驱动电路方块图，图7-33是显示模块的一例。发光二极管(LED)发光二极管(LED)

室外用单色新闻及广告显示板采用集合型LED显示泡方法，由若干个LED泡构成一个像素，由16X16=256个像素显示一个文字。多色显示比较容易实现的一般是红、绿、橙三色显示。现在已有多色显示大型电视的制品问世。与此同时，采用红、绿、蓝LED芯片，可以在更宽的色调范围内进行全色显示的LED显示板也逐步完善。LED平面显示器出现的历史很短，必要的技术积累和实际制作经验都还很不充分，在可靠性、生产效率、价格等方面都存在不少问题。在充分发掘其大型化、高功能化潜力的同时，各方面还需要进一步发展与完善。发光二极管(LED)

由LED阵列布置成的线光源是LED新的应用领域之一。这