LED顯示技術白光LED的原理和應用360°LED環形顯示器360°LED環形顯示器發光二極管(LED)發光二極管(LED)電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據產品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%適用性：很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環境穩定性：10萬小時，光衰為初始的50%響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級.發光二極管(LED)對環境污染：無有害金屬汞顏色：改變電流可以變色，發光二極管方便地通過化學修飾方法，調整材料的能帶結構和帶隙，實現紅黃綠蘭橙多色發光。如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變為橙色，黃色，最后為綠色價格：LED的價格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當，而通常每組信號燈需由上300～500只二極管構成。發光二極管(LED)1.1發光二極管

發光二極管（lightemittingdiode，LED），顧名思義，是由半導體制作的二極管的一種。眾所周知，二極管具有整流作用，即在其兩極上施加電壓時，僅能單方向通過電流。所謂發光二極管是指當在其整流方向施加電壓（稱為順方向）時，有電流注入，電子與空穴復合，其一部分能量變換為光并發射的二極管。這種LED由半導體制成，屬于固體元件,工作狀態穩定、可靠性高，其連續通電時間（壽命）可達105h以上。LED元件與一般半導體元件一樣，也被稱為芯片（chip），其尺寸通常為數百微米見方，是很小的。LED的發光顏色，與白熾燈等發出的白色光等不同，而是近于單色光，換句話說，其發光的光譜是很窄的。通過選擇半導體材料，目前生產的發光二極管可以發射紅外、紅、橙、黃、綠、藍等范圍相當寬的各種各樣的顏色。發光二極管(LED)LED的開發經歷及今后展望LED的注入型發光現象是1907年H.J.Round在碳化硅晶體中發現的。1923年O.W.Lossew在S的點接觸部位觀測到發光，從而使注入型發光現象得到進一步確認。1952年J.R.Haynes等在鍺，硅的P－N結，以及1955年G.A.Wolff在GaP中相繼觀測到發光現象。一般認為，至此為LED的萌芽期發光二極管(LED)20世紀60年代可以說是基礎技術的確立時期。從1962年Pankove觀察到GaAs中P－N結的發光開始，相繼發表關于GaAs，GaP，GaAsP，ZnSe等單晶生成技術、注入發光現象的大量論文，1968年GaAsP紅色LED燈投人市場，1969年R.H.Saul等人發表GaP紅色LED的外部發光效率達7.2％，從此實用化的研究開發加速展開此后，在70～80年代，由于基板單晶生長技術、P－N結形成技術、元件制造、組裝自動化等技術的迅速進步。近年來，采用高輝度紅色、綠色LED的平面顯示元件已廣泛用于各種信息顯示板。對于最難實現的藍色LED，采用了SiC，數年前也達到了實用化，已有顯示燈產品供應市場發光二極管(LED)

Si、Ge等IV族元素單晶半導體的晶體結構，屬于圖7－2（a）所示的金剛石結構；GaAs、GaP、ZnSe等化合物半導體的晶體結構，屬于圖7－2（b）所示的閃鋅礦結構；GaN具有如圖7－2（c）所示的纖鋅礦結構，屬于六方點陣。半導體元素，有大家所熟知的、位于周期表上第IV族的S、Ge，它們作為半導體集成電路用材料，在現代電子工業中起著不可替代的作用。LED用材料，有由III族的Al、Ga、n與V族的N、P、As等兩種以上元素相結合而成的Ill—V族，由II族的Zn與VI族的S、Se相結合而成的II—VI族，由Si與C相結合而成的IV—IV族等化合物半導體。發光二極管(LED)發光二極管(LED)

一般說來，能帶結構與晶體結構關系很大，化合物半導體的能帶結構與金剛石型的能帶結構相類似。表7－1給出各種半導體晶體的特性。發光二極管(LED)為了制取發光效率高的LED，在電子與空穴發生復合放出能量時，除了要考慮復合前后的能量之外，還應保持動量守恒。可獲得最高發光效率的復合過程是電子與空穴的最初動量相同，因復合而放出的能量全部變成光，而動量卻不發生變化，這種情況如圖7-3(a)所示。其能帶結構的特點是，在價帶頂與導帶底不存在動量差，這種半導體發生的復合稱為直接躍遷型。發光二極管(LED)發光二極管(LED)對于電子與空穴的初始動量不同的情況，為了保持動量守恒，需要熱、聲等晶格振動參與遷移過程，因此發生復合的幾率變得很低，這種初始動量不同的電子、空穴的復合稱為間接躍遷型，其能帶結構如圖7-3(b)所示。發光二極管(LED)另外，如圖7-3(c)所示，通過在導帶與價帶之間加人被稱作等電子捕集器(isoelectronictrap)的雜質中心，也可以使像GaP這種間接遷移的情況達到很高的發光效率。發光二極管(LED)發光二極管(LED)2.2發光機制及發光波長

LED的發光源于電子與空穴的復合，其發光波長是由復合前空穴和電子的能量差決定的。對于直接躍遷型材料，晶體發光的波長決定于禁帶寬度Eg，發光波長可由關系式λ=1240/Eg求出。為了得到可見光，Eg必須在1.6eV以上。如圖7-3所示．在能帶結構中，由于導帶、價帶都為拋物線形狀，因此發光譜兩端都會有不同程度的加寬現象，其半高寬一般為30～50nm。發光二極管(LED)

紅色LED的中心材料是以Zn-O對作為發光中心的GaP，Zn-O對在其中起等電子捕集器的作用。GaP為間接躍遷型，在其中導入雜質Zn-O對作為發光中心，已實現較高效率的紅色LED，發光波長為700nm，晶體不發生自吸收現象，可以在低電流密度下獲得高輝度。

發光二極管(LED)在橙色、黃色LED中，使用的是以N為等電子捕集器的GaAsP；在綠色LED中，使用的是摻雜有高濃度N的間接遷移型GaP。而且，在純綠色LED中，正在使用不摻入雜質的GaP。發光二極管(LED)

藍色LED需要采用禁帶寬度大的材料已經在研究開發的有SiC，GaN，ZnSe，ZnS等。SiC是容易形成P-N結的材料，屬于間接躍遷型，依靠摻入雜質Al和N能級間的躍遷產生發光。GaN，ZnSe，ZnS為直接躍遷型，可獲得高輝度發光。這些材料的研究開發近年來獲得重大突破，高輝度藍色LED正在達到實用化。發光二極管(LED)2.3電流注入與發光

實際LED的基本結構要有一個P-N結。當在P-N結上施加順向電壓，即P型接正，N型接負的電壓，會使能壘降低，從而使穿越能壘的電子向P型區擴散，使穿越能壘的空穴向N型區擴散的量增加。通常稱此為少數載流子注入，注入的少數載流子與多數載流子發生復合從而放出光。隨電壓增加，達到一定值，電流急劇增加，光發射開始。電流開始增加時對應的電壓相應于P-N結勢壘的高度，稱該電壓為起始電壓，起始電壓隨LED材料及元件的結構不同而不同，GaAs為1.0～1.2V，GaAIAs為1.5～1.7V，GaP為1.8V，SiC為2.5V等等。發光二極管(LED)2.4發光效率、光輸出及亮度注入LED的載流子變換為光子的比率稱為內部量子效率；而射出晶體之外的光子與注入載流子之比稱為外部量子效率。由于在P-N結附近發生的光會受到晶體內部的吸收以及反射而減少，一般說來，外部量子效率要低于內部量子效率。市售LED產品的外部量子效率，紅色的大約為15％，從黃色到綠色的則在0.3％～l％范圍內，藍色的大約為3％。發光二極管(LED)

LED的發光效率與其能量收支相關，其數值可表示為載流子向P-N結的注入效率、載流子變為光的變換效率、產生的光到達晶體外部的光取出效率三者的乘積。為獲得較高的發光效率，一般要采取各種措施，例如在結構上采取讓光通過一般說來吸收率較小的N型半導體，為防止由于晶體表面反射造成的損失，在晶體表面涂覆高折射率的薄膜等等。發光二極管(LED)對于顯示用可見光LED來說，不僅僅是要求光輸出要大，重要的是與視感度相關的發光效率。人眼的視感度對555nm的綠色出現峰值，而后急速下降。光輸出中與視感度相關的部分稱為光度，光度是顯示用可見光LED的輝度指標。發光二極管(LED)3.1單晶制作技術利用水平布里奇曼（Bridgman）法（又稱為HB法或舟皿生長法）及液體保護旋轉提拉法（又稱為液體保護切克勞斯基（Czochralski）法或LEC法）可以制備這種塊狀單晶，這兩種方法都屬于可以獲得大型基板單晶體的熔液生長法。GaP單晶可由圖7-8所示的LEC法單晶拉制裝置來制造。3發光二極管(LED)制作工藝發光二極管(LED)GsAs單晶由控制溫差的HB法制作發光二極管(LED)對于其他材料來說，正在進行制作的有外延三元混晶（GaAsP，InGaP，InGaAs等）用的基板單晶，如InGaAs（LEC法）及InGaP（蒸汽壓控制法），II-VI族化合物單晶如ZnSe（布里奇曼法、seededphysicalvaportransport法、帶籽晶的物理氣相輸運法）、ZnS（碘輸運法）、SiC（升華法）等關于單晶生長，今后的研究課題是，減少雜質、提高組成及雜質分布的均勻性，減少缺陷及位錯密度。因此，生長過程的計算機模擬及生長中的監控越來越重要。目前正在研究開發的有通過裝有籽晶的超聲波傳感器，對生長中晶體的結晶生長進行監控的方法，通過X射線透視裝置進行監控的方法等。而且，單晶的分析評價技術對于單晶體的制作來說是必不可少的。發光二極管(LED)3.2外延技術

液相外延（liquidphaseepitaxy，LPE）法從原理上說是溶液冷卻法，即利用溶解度相對于溫度的變化，通過飽和溶液的冷卻，使過飽和的溶質部分在基板表面析出的方法。在LPE法中，利用源的烘烤，可以獲得高純度的優良單晶，而且生長速率大，現已用于GaP，GaAs，InP系的LED的批量化生產。紅、綠色LED用的GaP，紅色LED用的GaAIAs，紅外LED用的GaAs，長波長LED用的InGaAsP都是通過LPE法制作的。發光二極管(LED)從原理上說是溶液冷卻法，即利用溶解度相對于溫度的變化，通過飽和溶液的冷卻，使過飽和的溶質部分在基板表面析出的方法。發光二極管(LED)

氣相外延（vaporPhaseepitaxy，VPE）法，如圖7－11所示，是使III族金屬源氣體與V族鹵化物或氫化物通過開管式反應而進行的氣相生長法，適合批量生產，目前紅、橙、黃色LED用的GaAsP就是用這種方法制作的。發光二極管(LED)發光二極管(LED)分子束外延（molecularbeamepitaxy，MBE）法，如圖7－12所示，是使PBN小孔坩堝中的固體加熱氣化，得到的分子束射向加熱到一定溫度的基板單晶上進行單晶生長的方法。其特點是組成、膜厚的可控制性及均勻性都很好發光二極管(LED)發光二極管(LED)有機金屬化學氣相沉積（metal－organicchemicalvapordeposition，MOCVD）法，對于Ill-V族化合物來說，是以Ill族金屬的烷基金屬化合物為原料，V族元素以氫化物為原料的氣相生長法；以H2為載帶氣體，在常壓或減壓的氣氛中，在加熱到一定溫度的基板單晶上，在保持V族元素過剩的條件下，使氣相原料之間發生反應的單晶生長法。其裝置示意見圖7-13。其特點與MBE相似，組成、膜厚的可控制性及均勻性都很好，是適于批量生產的單晶生長法。發光二極管(LED)發光二極管(LED)3.3摻雜技術向化合物半導體單晶中摻雜雜質有各種不同的方法。在LPE法中，通過向熔液中添加各種雜質，即可獲得具有所要求的電導率、特定載流于濃度的單晶體。在VPE、MBE、MOCVD方法中，或者使固態的雜質蒸發，或者添加含有雜質的氣態化合物，以獲得所要求的電導率及載流子濃度等。摻人雜質的量可以獨立控制，重復性、可控制性都較好。擴散摻雜仍然是最重要的摻雜方法之一。擴散摻雜法分閉管式（真空閉管式）和開管式兩種，后者操作簡單，適合于大直徑晶片及批量化生產。發光二極管(LED)發光二極管(LED)近年來，出現一些新的擴散方法，例如通過Zn及S的離子注入層以及電子束（electronbeam，EB）蒸鍍的Si層，利用快速燈退火進行摻雜，但由于易產生晶體缺陷及結淺等原因，不適于LED的制作。選擇擴散用掩模一般用SiO2及SiNx等，但由于它們與GaAs的熱膨脹系數不同容易造成應變等，在與掩模的界面處，會產生由擴散引起的所謂“鳥嘴”現象。為了防止其發生，可用Si作擴散掩模，而在進行Si的擴散時，可以用Si膜作擴散源。今后的課題是提高摻雜的均勻性以及采用無掩模的選擇摻雜技術等發光二極管(LED)3.4元件制作及組裝技術LED的制作分前道（外延）、中道（芯片）、后道（封裝）技術。具體說來，包括下述工序：由單晶生長及擴散制作P-N結形成電極；解理或劃片，將晶片分割成一個個的芯片；包覆保護膜；對芯片檢測分級；將芯片固定于引線框架中；引線鍵合；樹脂封裝；檢查并完成成品。發光二極管(LED)對LED的檢查項目包括：VI特性，CV特性，電流—輝度（功率）特性，發光峰波長，發光譜半高寬，響應速度，發光效率，溫度特性，角度特性，壽命等；此外還有電流、電壓、溫度的最高允許值等。對光通訊應用來說，需要測定光輸出，截止周波數，在光纖端的輸出，耦合損失，指向特性，靜電破壞特性等。在上述的LED組裝、檢查工藝中，還需要實現自動化以提高效率、降低價格。發光二極管(LED)在LED領域，最近十余年間，在單晶生長方法、新材料等的研究方面獲得了十分突出的進展最常見的紅光LED，十余年間其光度得到飛躍性的提高。其原因是由于采用了由直接躍遷型化合物半導體GaAIAs構成的雙異質結結構，目前已出現軸上光度超過3000mcd（20mA）的制品。在橙、黃色LED中，采用紅色LED所用的材料GaAsP，使其發光波長縮短，再加上近年來新開發的InGaAlP混晶材料，實現了高輝度LED。發光二極管(LED)4.1全彩色LED

目前，由全彩色LED構成的大屏幕顯示器正在試制中，一般是由SiC或GaN等藍色LED與由其他材料構成的紅、綠色LED相組合，構成混合型全彩色LED泡。最近各國都在采用前述的高發光效率的SiC藍色LED，GaP紅色及綠色LED，并做成LED泡，制成包括純白色發光在內的可以多色發光的全彩色LED。圖7-20表示全彩色LED顯示泡的結構，圖7-21表示全彩色LED在CIE色度圖上的發光色度坐標。為做成產品，需要進行封裝，包括引線鍵合，澆注或模壓透明樹脂，采取相應的散熱措施，引出電極等。由這種全彩色LED矩陣布置構成大屏幕顯示器，顏色鮮明、醒目，具有比一般顯示器更接近自然的色彩，作為高品位信息及圖像顯示器具有良好的發展前景。4特種發光二極管(LED)發光二極管(LED)4.2紅外LED

盡管紅外LED的用途與普通顯示器的用途不同，在此也略加介紹。紅外LED的材料主要是GaAs，P型及N型雜質都用Si，通過改變LPE單晶生長的條件，可控制Si原子的置換位置（置換Ga原子或As原子），并由此形成P-N結。相應于這種情況，發光由深受主能級與導帶間的遷移引起，與GaAs的帶隙相對應，發光波長是相當長的，發光效率很高，接近20％，但響應速度慢。作為不需要高速響應的光耦合器、光分離器等復合光學器件應用更為廣泛。對于要求高速響應的情況，在犧牲發光效率的情況下，或采用Zn擴散的LED，或者由GaAIAs構成的DH結構。在這種情況下，波長降為900nm或更低。此外，最近在照相機的自動聚焦等需要高輸出的場合，以及遠程控制用光源等，都在使用帶有由GaAIAs制作的DH結結構的高輸出型紅外LED。發光二極管(LED)

LED在我們的日常生活中屢見不鮮，廣泛應用于家用電器、音響設備、汽車及照相機等產品中。在這些產品中，LED或者用作顯示元件，通過顏色、數字、文字、符號等顯示機器設備的工作狀態，向使用者提供必要的信息，或者用作各種用途的發光光源。在一些發達國家，LED顯示器的應用更為普遍。從小店鋪的營業標志到大商場的商品廣告，從加油站的價目牌到大飯店的大廳壁畫以及鬧市區的公共告示牌、運動場的比賽成績顯示板等都在應用LED，其顯示鮮明、醒目，動態效果極好。在交通運輸領域的應用有自動售票機、進站自動檢票口的信息顯示，火車車廂內到站站名、時刻顯示、站內列車時刻表、到達和發車車次顯示板等。在公路兩旁，都設有采用LED的夜間交通指示標志、交叉路口路標指示、前方道路通行狀態顯示等，由于大型動態的紅、黃色LED顯示板極為鮮明、醒目，無疑為汽車司機提供了很大的方便。下面，針對LED在顯示器中的基本應用，分別加以簡單介紹。發光二極管(LED)5.1指示燈

在LED的應用中，首先應舉出的是各種類型的指示燈、信號燈等。以前，作為顯示用光源，一直采用普通鎢絲白熾燈泡，但存在耐振性差、易破碎等問題。隨著LED的登場，特別是鑒于LED的許多優點，指示燈目前正處于更新換代中。通常，LED的壽命在數十萬小時以上（在規定的使用條件下），為普通白熾燈泡的100倍以上。而且具有功耗小、發光響應速度快、亮度高、小型、耐振動等特點，在各種應用中占有明顯優勢。5發光二極管(LED)應用5.2數字顯示用顯示器利用LED進行數字顯示，有點矩陣型和字段型兩種方式。點矩陣型如圖7-25所示，使LED發光元件縱橫按矩陣排列，按需要顯示的文字只讓相應的元件發光。為進行數字顯示，每個數字通常需要7行5列的矩陣，共35個元件。除數字之外，還可顯示漢語拼音字母、英文字符、羅馬字符、日文片假名等，其視認性也很好。但是，從驅動的簡便性及價格等方面考慮，筆段型顯示方式更為有利。發光二極管(LED)發光二極管(LED)

筆段型數字顯示器如圖7-26所示，在LED芯片的周圍設置反射框，芯片上方或者裝有光擴散用的散擴片，或者通過混有光擴散劑（三氧化二鋁的微細粉末等）的環氧樹脂，將芯片與其周圍的結構模注在一起，則由一個LED即可構成長方形的均勻發光面。反射框所圍的LED作為一個筆段單位，大小可以變化，由此可以形成任意尺寸的數字顯示元件。筆段型顯示中，多數為7筆段型及16筆段型（見圖7-27）發光二極管(LED)發光二極管(LED)5.3陣列顯示器

將筆段顯示用的反射框按各種各樣的形式直線排列，可對各種變化的量進行連續顯示，如果再使用不同發光顏色的LED芯片，則可以對大量信息進行全彩色連續顯示。音響設備用的分頻音量水平顯示器（見圖7-29）以及汽車用平面轉速顯示器等都是采用陣列顯示器的實例。發光二極管(LED)發光二極管(LED)5.4單片型平面顯示器

單片型LED顯示元件是在同一基板單晶上使發光點形成字段狀或矩陣狀的平面顯示元件。這種顯示元件的特點是，在保證高密度像素的前提下，可實現超小型化，其新的用途會不斷得到開發。圖7-30是單片型GaP綠色LED平面顯示元件的結構（點矩陣型）的實例。每個發光部分的尺寸及節距分別是0.23mmX0.23mm，及0.28mm，在11.2mmX11.2mm大小的單晶表面上可形成40×40=1600個像素。發光二極管(LED)發光二極管(LED)5.5混合型平面顯示器

混合型平面顯示器與單片型不同，是在組裝基板上使每個LED芯片排列成矩陣狀，構成顯示元件。當用于大型畫面時，通常3000～4000個像素構成一個模塊，在實裝基板的背面設置驅動回路，按瓦塊狀排列。例如，利用GaP多色LED芯片，該芯片可發出從紅色到綠色的任何中間色的光，按96X64=6144個像素排列的平面顯示元件已達到實用化。發光二極管(LED)5.6點矩陣型平面顯示器

目前，用于室內或室外顯示，采用LED點矩陣型模塊的大型顯示器正在迅速推廣普及。由于采用LED點矩陣型模塊結構，顯示板的大小可由LED發光點縱橫密排成任意尺寸；發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；灰度可從十數階到幾十階分階調節；與專用IC相組合，也可由電視信號驅動，進行電視、錄相顯示。

發光二極管(LED)

模塊結構可分為兩大類。一類為小型模塊，如前面數字顯示用顯示器一節中所述，將芯片連同其周圍的反射框在基板上按矩陣排列，用樹脂模注或蓋以散射板，構成如圖7-31所示的小型模塊點矩陣型平面顯示器。另一類為大型模塊，一般是將一個或多個LED芯片裝在同一顯示泡中，再將該顯示泡按矩陣狀排列而構成。發光二極管(LED)

關于模塊的驅動方式，一般是將微機輸入的數據送到顯示器的控制部分，顯示模塊中的像素將根據LED的點數據、左旋或右旋數據以及亮暗數據等驅動信號進行顯示。圖7-32是市售16X32點LED顯示模塊的驅動電路方塊圖，圖7-33是顯示模塊的一例。發光二極管(LED)發光二極管(LED)

室外用單色新聞及廣告顯示板采用集合型LED顯示泡方法，由若干個LED泡構成一個像素，由16X16=256個像素顯示一個文字。多色顯示比較容易實現的一般是紅、綠、橙三色顯示。現在已有多色顯示大型電視的制品問世。與此同時，采用紅、綠、藍LED芯片，可以在更寬的色調范圍內進行全色顯示的LED顯示板也逐步完善。LED平面顯示器出現的歷史很短，必要的技術積累和實際制作經驗都還很不充分，在可靠性、生產效率、價格等方面都存在不少問題。在充分發掘其大型化、高功能化潛力的同時，各方面還需要進一步發展與完善。發光二極管(LED)

由LED陣列布置成的線光源是LED新的應用領域之一。這