1、1 4.1 发光二极管基本知识 半导体光源的物理基础 发光二极管的结构 发光二极管的驱动 发光二极管的特点及应用 4.2 发光二极管显示器件 LED显示设备的显示原理 LED显示设备的扫描驱动电路 LED显示设备的技术指标 4.3 量子点LED第第4章章 发光二极管显示技术及设备发光二极管显示技术及设备12022-12-14222022-12-14332022-12-14442022-12-145LED显示屏组成 LED显示屏：是通过一定控制方式，由LED器件阵列组成的显示屏幕。LED模块：组成LED显示屏的独立单元，由若干像素组成。LED像素：组成LED显示屏的最小成像单元。52022-12
2、-1464.1 发光二极管基本知识发光二极管基本知识 4.1.1 半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础 LED,Light Emitting Diode，依靠半导体载流子（空穴、电子）复合发光的二极管器件 LED发展史 LED相关半导体材料的研究 1923，发现SiC单晶注入型发光现象俄 1952，发现Ge，Si的P-N结发光现象美 1954，发现GaP的发光现象美 1964，发现GaAs的发光现象美62022-12-147LED发展史 中低亮度的红、绿色LED 1966，红色GaAsP LED，发光效率0.1lm/W 1974，绿色GaP:N LED，发光效率1lm/W 1982，红色A
3、lGaInP LED，发光效率2lm/W 主要用于电器仪表的指示灯72022-12-148LED发展史 高亮度的红、绿、蓝全色LED 1990，红、橙色LED发光效率10lm/W 1991，发明GaN基蓝色LED日 1994，InGaN基蓝色LED发光效率 3lm/W，1999，7lm/W 1994，InGaN基绿色LED发光效率 7lm/W，1999，25lm/W 2000，全彩色LED户外大画面显示屏大量使用，并进入照明领域82022-12-14992022-12-1410102022-12-14112014 诺贝尔物理学奖 官方获奖理由 for the invention of effi
4、cient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources112022-12-1412LED发光的基本原理 电子能带间跃迁复合发光 能带理论简要介绍 单个原子，带正电原子核环绕带负电的电子，不同电子具有特定的波函数，对应不同的能级。多个原子相互作用，使电子的能级（主要是外层价电子）分裂。当大量（数量级为1020或更多）的原子周期性排列形成固体时，能级分裂成能量的差别变的非常小的能级带（能带）。122022-12-1413能带理论简要介绍 能带内的电子可以连续存在，
5、能带之间不会有电子存在。较高能量的区域为填满电子的能带称为导导带带，较低能量的区域填满电子的能带称为价带价带。导带和价带之间就是禁带禁带。带隙带隙：也叫能隙能隙，导带最低点和价带最高点的能量之差。132022-12-1414 能隙决定导电性 金属能隙很小，有的价带与传导带之间重合，电子可以在导带自由移动。绝缘体的能隙很大（9eV），电子难以从价带跃迁至传导带。导体的能隙在两者之间，可以通过激发的方式让电子从价带跃迁至导带。导带电子返回价带，就释放出多余的能量，电子跃迁。142022-12-1415掺杂半导体 没有杂质、没有缺陷的半导体：本征半导体 本征半导体掺杂多(少)电子材料，形成n(p)型
6、半导体 Si，掺P，n型；掺B，p型 GaN，掺Mg,p型；掺Si，n型 费米能级Ef 电子为费米子，遵循费米-狄拉克分布 Ef：绝对零度下电子所能占据的最高能级 本征半导体，Ef位于能隙正中间，Ei p型半导体，掺杂浓度，Efp，接近价带顶部 n型半导体，掺杂浓度，Efn，接近导带底部p,n半导体未接触时的能带图半导体未接触时的能带图152022-12-1416半导体pn结 p型、n型半导体接触。电子从n区向p区扩散，空穴从p区向n区扩散。pn结界面，靠n区带正电，靠p区带负电，pn结内建电场，载流子定向漂移。扩散和漂移达到平衡，n区、p区费米能级拉平。导带和价带弯曲。p,n结未加电场时的平
7、衡能带图结未加电场时的平衡能带图162022-12-1417有效发光的条件 外加电场完全消除电子和空穴注入的势垒，并提供电子空穴复合场所 EfnEc，注入电子 EfpEc-Ev=EgUth=Eg/q0：理想阈值电压p,n结加电场时的平衡能带图结加电场时的平衡能带图172022-12-1418同质结 用同一种材料制作的p型和n型半导体构成的pn结。最早的LED pn结，没有很大的势垒，电子和空穴扩散到对向电极。相遇复合发光的概率很低。p,n结加电场时的平衡能带图结加电场时的平衡能带图182022-12-1419单异质结 由两种具有不同能隙宽度的半导体构成的PN结 异质结中电子和空穴的势垒高度不同
8、，交接面的两边形成的内建场不连续单异质结不加电场时的平衡能带图单异质结不加电场时的平衡能带图192022-12-1420 在正向注入时电子流和空穴流不相等，形成一种载流子为主的注入方式。窄能隙材料的一侧势垒高，宽能隙材料的一侧势垒低。载流子在一侧顺利通过，不被吸收，称为注入区。在另一侧受限制，发生复合发光，称为发光区。p-GaAs能隙小于n-GaAlAs能隙，主要注入载流子为电子，n型GaAlAs为注入区，p型GaAs为发光区。单异质结加电场时的平衡能带图单异质结加电场时的平衡能带图202022-12-1421双异质结 三层p-i-n结构。中间层为直接能隙发光材料，能隙较窄，称为有源层。两侧为
9、n型和p型半导体，能隙较宽，称为包层或束缚层。载流子注入 正电压降低p-i和i-n势垒，使得电子从n区、空穴从p区注入到有源层 载流子复合 载流子被限制在有源层内，直接复合发光p-i-n加正向电压时的能带图加正向电压时的能带图212022-12-1422LED典型结构及材料要求 发光材料：禁带宽度与跃迁发光波长匹配：Eg=h=hc/Eg(eV)=1240/(nm)载流子注入和传输材料 从电极注入的载流子（电子、空穴）能顺利的到达发光区域 高纯度的单晶薄膜 电极材料 提供载流子，并与LED半导体能级匹配。222022-12-1423直接带隙和间接带隙232022-12-1424LED材料元素周期
10、表，最左边IA族，除氢以外良导体；最右边VIII族，稳定惰性气体。中部IV族半导体，Ge，Si，间接能隙。LED采用化合物半导体，III-V族化合物半导体。IV化合物SiC，蓝光LED，目前被GaN基材料取代。242022-12-1425 晶片的发光颜色取决于波长（），常见可见光的分类大致为：暗红色（700nm）、深红色（640-660nm）、桔红色（615-635nm）、琥珀色（600-610nm）、黄色（580-595nm）、黄绿色（565-575nm）、纯绿色（500-540nm）、蓝色（435-490nm）、紫色(380-430nm)。白光和粉红光是一种光的混合效果。最常见的是由蓝光+
11、黄色荧光粉和蓝光+红色荧光粉混合而成。晶片的组成：晶片是采用磷化镓（GaP）、镓铝砷（GaAlAs）或砷化镓（GaAs）、氮化镓GaN）等材料组成，其内部结构具有单向导电性。LED的正向压降与其光色有关:红、绿、黄通常为1.4-2.6V，而白光LED的正向压降为3-4.2V252022-12-1426262022-12-1427发光二极管的结构发光二极管的结构 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，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。LED主要由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种材料组成。1、支架：用来导电和支撑，铜
12、镀银/镍 2、银胶：固定晶片和导电的作用3、晶片：LED的核心，发光的半导体材料4、金钱：连接晶片PAD与支架5、环氧树脂：固定、透光272022-12-1428282022-12-1429LED制作工艺InGaN LED(Al2O3衬底衬底)的典型工艺流程的典型工艺流程292022-12-1430LED性能的决定因素能量损失机制 输入电功率：Pin=IU 电压损失：PRs p-i-n结所需电压：Eg/q0，消耗的电功率为IEg/q0 n区、p区存在体电阻，半导体与金属存在接触电阻等，PRs=I2Rs Rs：LED串联电阻 非辐射复合损失Pnon 俄歇复合、发光层存在缺陷、载流子限制不足等 光
13、提取损失：LED内部的光只能部分出射302022-12-1431 电路效率c：消耗在发光层的电功率/整个LED电功率 内量子效率int：一对载流子（电子-空穴）复合产生的光子数。受限于LED芯片的材料特性，如能带结构、单晶杂质、缺陷等 目前达到7090%，接近极限 光提取效率ext：LED芯片内部产生的光子，经过元件本身的吸收、折射和反射后，在外部可测到的光子数目。受LED芯片本身的吸收、几何结构、芯片与封装材料的折射、反射等影响 外量子效率e：一对载流子（电子-空穴）辐射复合并发射到外部的光子数目。功率转换效率P：LED的发光功率和消耗电功率的比值，cint ext312022-12-143
14、2 品质优良的LED要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。事实上，LED向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为 式中向为p、n结区少子注入效率，为在势垒区少子与多子复合效率，为外部出光（光取出效率）效率。鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。由于LED材料折射率很高。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装）若垂直入射，被空气反射，反射率为 ，反射出的占32%32.0112121nneci322022-12-1433 为了进一步提高外部出光效率可采取以下措施：用合适的掺杂浓度；选择适合的结深以减少光子吸收；用球形发射表面，发射光子
15、效率可达35%，但内部光子吸收率会增加；封装材料及结构设计优化：用折射率大的介质做成圆形窗口；在背面设置合适的反射面，以充分利侧面发射的光332022-12-1434提高LED的光提取效率AlGaInP LED 具有电流扩展层的结构（InGaAlP红光LED）用对发光层透明的p型Al0.7Ga0.3As作为电流扩展层，加大电流扩展层的厚度 改善连接电极形状342022-12-1435 具有厚窗口层的结构 常规薄窗口层，向顶部发射的光只有小于临界角的部分才能透射出去，其余被反射回来；向侧面发射的光只有很少部分透射出去 加厚窗口层，增加侧面透光352022-12-1436 斗行结构 有源层AlGa
16、InP、透明的GaP构成缓冲层，阳极连接金属做成反射器，阴极只占斗行表面的很小部分 斗行的几何形状使光线在内部多次反射的机会减少，最大限度的减少光线的吸收。362022-12-1437 正装、粗糙化表面372022-12-1438发光二极管的特点及应用发光二极管的特点及应用1.LED的主要特点：的主要特点：(1)LED为非相干光，光谱较宽，发散角大；(2)LED的发光颜色非常丰富；红色：GaP:ZnO或GaAaP 材料 橙色、黄色：GaAaP 材料 蓝色：GaN 材料 通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。改变电流可以变色 (3)LED的辉度高，即使在日光下，也能视认；亮度、对比度：LE
17、D亮度调整范围大，不像CCFL的最低亮度存在一个门槛，LED背光白平衡的同时可以很好的保证整体对比度、亮度，LED是一种平面状光源，最基本的发光单元是35mm边长的正方形封装后，极容易组合在一起成为既定面积的面光源，具有很好的亮度均匀性，如果作为液晶电视的背光源，所需的辅助光学组件可以做得非常简单，屏幕亮度均匀性更为出色。(4)LED是点光源，单元体积小；(5)寿命长，基本上不需要维修,10万小时，光衰为初始的50%。(6)电压：LED使用低压电源，供电电压在5-65V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。(7)效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少8
18、0%。382022-12-1439LED的其他特点：机械强度大，耐振动和耐冲击能力；使用低压电源，供电电压在6-24V之间，特别适用于公共场所；功耗低，易于实现低压驱动；体积小，重量轻，适用性强；寿命长达10万小时，响应时间为纳秒级 ；无有害金属汞，对环境无污染；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；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300500只二极管构成。存在视角窄、不易滤色，扩散不足等缺点392022-12-1440 2.LED的主要应用的主要应用:指示灯：
19、LED正在成为指示灯的主要光源 数字显示用显示器：点矩阵型和字段型两种方式 平面显示器：可进行电视画面显示 光源：电视机、空调等的遥控器的光源干涉仪的光源 低速率、短距离光纤通信系统的光源。照明：402022-12-1441 发光二极管显示器件发光二极管显示器件 LED显示器件的显示原理显示器件的显示原理 LED显示屏是通过一定的控制方式，用于显示文本、图像、视频等各种信息。LED显示屏按使用环境分为室内屏和室外屏，室内屏基本发光点按采用的LED单点直径有3、3.75、5、8和10等几种规格，室外屏按采用的像素直径有19、22、26等规格。412022-12-1442 LED显示屏按显色分为单
20、基色屏（含伪色彩屏，几在不通的区域安装不同颜色）屏；按灰度级又可分为16、32、64、128、256级灰度屏等。LED显示屏按显示性能分为文本屏、图文屏、计算机视频屏、电视视频LED显示屏等。按控制方式：同步屏，异步屏 422022-12-1443432022-12-1444442022-12-1445典型的LED显示系统一般由信号控制系统、扫描和驱动电路以及LED阵列组成。信号控制系统可以是嵌入式LED 显示屏的单片机系统、独立的微机系统、传呼接收与控制系统等。其任务是生成或接收LED显示所需要的数字信号，并控制整个LED显示系统的各个不同部件按一定的分工和时序协调工作。452022-12-
21、14464.2.2 LED显示器件的扫描驱动电路显示器件的扫描驱动电路 LED 显示器件扫描驱动电路实现对显示屏所要显示的信息内容的接收、转换及处理功能。一般地说，显示屏的控制系统包括了输入接口电路、信号的控制、转换和数字化处理电路、输出接口电路等，涉及的具体技术很多。1.串行传输与并行传输。2.动态扫描与静态锁存。3.校正技术(GAMMA CORRECTION)。4.输入接口技术。5.自动检测、远程控制技术 462022-12-1447 LED屏控制机制屏控制机制 单片机控制 微机控制 主从控制 红外遥控 通信传输和网络控制 通信传输和网络控制472022-12-1448LED显示屏技术指标
22、的选择 LED显示屏种类多，性能、价格差异大，显示屏用途是LED技术指标选择的最重要依据 形象工程：追求尽可能完美的性能和效果 商业广告：力争最佳的性能价格比 智能信息发布：稳定可靠、尽可能降低成本482022-12-1449LED显示屏亮度 取决于环境亮度，环境亮度，要求LED亮度。492022-12-1450LED像素要求 点间距受限于观看距离 人眼最高分辨能力=1，点间距dL*L=10m，d3mm L=50m，d 14.5mm 像素数由显示内容决定 文字显示 一个简化汉字，需要166=256个像素20个汉字一排，需要201616=5120个像素超出部分，文字滚动或移动来解决 显示视频 1
23、280720，19201080502022-12-1451 颜色：单色、多色和全彩色 单色，每个像素一种颜色LED 彩色，每个像素至少RGB三个LED 单点光强Iv=L/m，L是屏幕亮度，m是像素密度512022-12-1452LED显示屏的设计关键 对分立LED的一致性控制 光强 颜色 电路 结构设计和加工误差522022-12-1453光强控制532022-12-1454光强控制要求 大面积渐变不均匀性 50%边到边 边到中 小区域不均匀性 5000h，MTTR15分钟，可保证长期稳定每天工作12h762022-12-1477 LED显示器件的技术指标显示器件的技术指标 像素失控率 灰度等级 亮度鉴别等级 灰度非线性变换772022-12-1478 评估LED显示屏的好坏 平整度 亮度 可视角度 白平衡效果 色彩的还原性 有无死点、马赛克 有无色块782022-12-1479三个档次全彩屏的技术指标792022-12-1480802022-12-1481习题四习题四1.简述发光二极管的结构。发光二极管的驱动有几种方式？简述发光二极管的结构。发光二极管的驱动有几种方式？2.典型典型LED显示系统有哪几个单元组成？说明各单元作用。显示系统有哪几个单元组成？说明各单元作用。3.LED显示器件有哪些控制模式？显示器件有哪些控制模式？812022-12-14
