LED顯示技術(shù)及其應(yīng)用

PAGELED顯示技術(shù)及其應(yīng)用目錄引言 11發(fā)光二極管的基本知識(shí) 11.1半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ)[2] 12LED的特點(diǎn)及其分類 12.1LED的優(yōu)點(diǎn) 22.2LED的缺點(diǎn) 22.3LED的分類 33LED的應(yīng)用 33.1視覺訊息顯示 33.1.1各種產(chǎn)品、設(shè)備的狀態(tài)指示燈 33.1.2交通、道路等的指示燈 43.1.3公共場(chǎng)所的平板顯示器 43.1.4LCD顯示器背光光源 43.1.5發(fā)光二極管顯示器 43.2發(fā)光二極管照明 43.3設(shè)備測(cè)量、運(yùn)作時(shí)不涉及視覺所需的光源 53.3.1光通訊 53.3.2感知與測(cè)量 53.4窄波段光學(xué)傳感器 54發(fā)展前景 6參考文獻(xiàn) 7英文摘要 8PAGE6引言隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生活水平的逐步提高，信息技術(shù)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(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體制作工藝日趨成熟，導(dǎo)致LED顯示屏中點(diǎn)尺寸越來越小，解析度越來越高。而可將顯示光的三基色(紅、綠、藍(lán))集成化一體，達(dá)到全彩色效果，使得發(fā)光二極管作為L(zhǎng)ED顯示屏器件的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。LED顯示技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力、醫(yī)療衛(wèi)生、民政、工商稅務(wù)、政法系統(tǒng)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生活領(lǐng)域中，并起著重要作用，它已經(jīng)成為現(xiàn)代人類社會(huì)生活的一項(xiàng)不可或缺的技術(shù)。[1]1發(fā)光二極管的基本知識(shí)1.1半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ)[2]發(fā)光二極管(英文為L(zhǎng)ightEmittingDiode,簡(jiǎn)稱LED)是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，也是一種特殊的二極管，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“P-N結(jié)”。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(fù)極)，而相反方向則不能，這種現(xiàn)象就叫作正向偏置。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，電子會(huì)跌落到較低的能階，然后就會(huì)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(zhuǎn)換為光能的發(fā)光現(xiàn)象也稱為電致發(fā)光效應(yīng)。而光線的波長(zhǎng)也就是光的顏色，跟其所采用的半導(dǎo)體物料、種類及故意滲入的元素雜質(zhì)有關(guān)。晶片是LED的主要組成物料，是發(fā)光的半導(dǎo)體，其所發(fā)出的光的波長(zhǎng)(決定顏色)是由組成P、N架構(gòu)的半導(dǎo)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(huì)以光子形式釋放，這些禁帶能量對(duì)應(yīng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)具有單向?qū)щ娦浴?LED的特點(diǎn)及其分類[3]2.1LED的優(yōu)點(diǎn)(1)在低光度下能量轉(zhuǎn)換效率高(電能轉(zhuǎn)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(dāng)提高光度至如臺(tái)頭燈般或更高時(shí)，LED的效率比鎢絲燈泡高，但比熒光燈差。(2)反應(yīng)時(shí)間短-可以達(dá)到很高的閃爍頻率，甚至讓“可見光網(wǎng)絡(luò)”成為可能。(3)穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)-在適當(dāng)?shù)纳岷铜h(huán)境下可達(dá)35,000~50,000小時(shí)(熒光燈為10,000~15,000小時(shí)，白熾燈為1,000~2,000小時(shí))。(4)耐震蕩等機(jī)械沖擊-由于LED是一種PN結(jié)二極管，屬于固態(tài)元件，沒有燈絲、玻璃罩等，因此機(jī)械強(qiáng)度大，耐振動(dòng)和耐沖擊能力強(qiáng)。(5)體積小，重量輕，適用性強(qiáng)-其本身體積可以造得非常細(xì)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(xì)小，而易于以透鏡等方式達(dá)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(xì)角度聚焦都可以達(dá)成。(7)單色性強(qiáng)-由于是單一能級(jí)光出的光子，波長(zhǎng)比較單一(相對(duì)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(huì)造成污染，同時(shí)LED也可以回收再利用。2.2LED的缺點(diǎn)(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(shè)計(jì)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(jià)難以降低。(2)效率受高溫影響而急劇下降，浪費(fèi)電力之余也產(chǎn)生更多熱，令溫度進(jìn)一步上升，形成惡性循環(huán)。除浪費(fèi)電力也縮短壽命，因此需要良好散熱。(3)LED光度并非與電流成線性關(guān)系，光度調(diào)節(jié)略為復(fù)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(xì)分黃綠標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠)、藍(lán)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(cè)向管、表面安裝用微型管等。(3)按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。(4)按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分，有普通亮度的LED(發(fā)光強(qiáng)度<10mcd)、超高亮度的LED(發(fā)光強(qiáng)度>100mcd)、高亮度發(fā)光二極管(發(fā)光強(qiáng)度在10~100mcd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)。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(yīng)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(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、性價(jià)比高、使用成本低等優(yōu)勢(shì)，在短短的十來年中已從指示燈、手機(jī)背光顯示屏、交通信號(hào)燈等成熟應(yīng)用領(lǐng)域，逐步向中大尺寸LCD背光、汽車照明等新興應(yīng)用市場(chǎng)滲透應(yīng)用，主要使用在以下幾個(gè)類別：(1)在視覺訊息顯示時(shí)提供所需的光源(2)照明(3)為各種設(shè)備(機(jī)器、電器、電子產(chǎn)品等)提供在測(cè)量、運(yùn)作時(shí)不涉及視覺所需的光源(4)窄波段光學(xué)傳感器(LED被置于反向偏壓并對(duì)入射光線在電路上作出反應(yīng))3.1視覺訊息顯示\o"放大"3.1.1各種產(chǎn)品、設(shè)備的狀態(tài)指示燈在消費(fèi)性電子產(chǎn)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(huì)在右下方加上“?”、“，”，以顯示小數(shù)點(diǎn)等。在多年前，當(dāng)顯示器技術(shù)并不發(fā)達(dá)時(shí)，有些LED組能有14劃，可以顯示26個(gè)英文字母，但當(dāng)微電子等顯示技術(shù)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(dāng)LED的光度發(fā)展達(dá)至要求后，便有汽車用LED作轉(zhuǎn)向與剎車燈，主要好處是LED極高的開關(guān)速度，LED的亮起時(shí)間比白熾燈快0.5秒之多，這對(duì)行車安全非常重要。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?？傻目啃浴Ｓ行┚o急服務(wù)車輛的閃光警標(biāo)也使用LED，LED可以高速閃動(dòng)的特性簡(jiǎn)化了已往產(chǎn)生閃動(dòng)效果的機(jī)械結(jié)構(gòu)而更加可靠。同樣工作在戶外環(huán)境的交通燈使用開關(guān)快速的LED也很適合，LED壽命較長(zhǎng)也減少壞燈及影響交通的機(jī)會(huì)。不過在氣候較低溫的地方，LED交通燈會(huì)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(diǎn)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(chǎng)所的平板顯示器在機(jī)場(chǎng)、機(jī)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(shí)間等相關(guān)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(jìn)，使得亮度足以應(yīng)用在LCD電腦屏幕及LCD電視機(jī)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(zhuǎn)換，在使用電池作電源的產(chǎn)品上也省卻了電壓轉(zhuǎn)換時(shí)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發(fā)光二極管顯示器采用LED點(diǎn)矩陣型模塊的大型顯示器正在室內(nèi)或室外顯示迅速推廣普及。由于采用LED點(diǎn)矩陣型模塊結(jié)構(gòu)，顯示板的大小可由LED發(fā)光點(diǎn)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?dāng)?shù)階到幾十階分階調(diào)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(hào)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行電視、錄相顯示。3.2發(fā)光二極管照明\o"放大"傳統(tǒng)照明燈俱如螢光燈、白熾燈及鹵素?zé)舳加醒b載氣體的脆弱玻璃管，因而都不及全固態(tài)的LED堅(jiān)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(shí)，效率會(huì)下降，所以有些LED燈使用多個(gè)白光LED組合成一簇構(gòu)成一個(gè)光源，以增加效率；同樣的原因，在照明方面只用在對(duì)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(shí)用的緊急照明入門類數(shù)碼影像設(shè)備的補(bǔ)光燈在光度要求低的道路、隧道、室內(nèi)照明3.3設(shè)備測(cè)量、運(yùn)作時(shí)不涉及視覺所需的光源由于LED開關(guān)速度快，有利資料快速傳輸及減少延遲，加上推動(dòng)簡(jiǎn)單，所以常用于各種設(shè)備中作資料、訊號(hào)傳送及感知用途。,3.3.1光通訊電視機(jī)、\o"錄影機(jī)"錄影機(jī)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(shù)、IrDA數(shù)碼資料傳輸短距離光纖通訊，例如影音產(chǎn)品的數(shù)碼音樂光纖傳送系統(tǒng)3.3.2感知與測(cè)量光電耦合元件，是一種以光訊號(hào)把訊息由在兩個(gè)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(dòng)作傳感，例如：光學(xué)鼠標(biāo)位