第五讲LED显示技术.pptVIP

LED电子显示技术 梁玉军 博士 Tel:E-mail: yujunliang@ 材化楼524室 360° LED环形显示器 360° LED环形显示器 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 . 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（light emitting diode，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，有电流注人，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。 2.1 晶体结构及能带结构 LED的发光来源于电子与空穴发生复合时放出的能量。作为LED用材料，一是要求电子与空穴的输运效率要高；二是要求电子与空穴复合时放出的能量应与所需要的发光波长相对应，一般多采用化合物半导体单晶材料。众所周知，在半导体中，根据晶体中电子可能存在的能态有价带、导带、禁带之分。来自半导体单晶的发光，是穿越这种材料固有禁带的电子与价带的空穴复合时所产生的现象。 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。 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。 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。 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。 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。 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