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详解led屏的发光原理

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详解led屏的发光原理

发布日期:2017-11-03 作者: 点击:

      几十年前大型的电子显示屏是用灯泡或照明灯构成,发展到后来的显像管(CRT)显示技术, LCD液晶显示和PDP等离子显示,主要用在运动场所转播比赛,如今常用的电子显示屏是LED显示屏,LED显示屏被证明是最可靠,高效,节能,明亮的大型电子显示屏,在技术上也最方便实现。 
      LED发光技术的原理是某些半导体材料在通以电流的情况下会发出特定波长的光,这种电到光的转换效率非常高,对所用材料进行不同的化学处理,就可以得到各种亮度和视角的LED。LED显示屏是将LED模块或像素管按照实际需要大小拼装排列成矩阵,配以专用显示电路,直流稳压电源,软件,框架及外装饰等,即构成一台LED显示屏。
      那么什么是LED呢?L-E-D是英文Light Emitting Diode (发光二极管) 的缩写。它是一种固态的半导体器件,可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,电子占主导地位。但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里注入的电子跟空穴复合(注入的少数载流子与多数载流子复合时),电子由高能级跃迁到低能级,会把多余的能量以发射光子(电磁波)的形式释放出来,产生电致发光现象,从而把电能直接转换为光能。所以简单的说, 就是电子将多余的能量以光的形式释放出来。PN结加反向电压, 少数载流子难以注入,故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED 。而发出光的波长也就是光的颜色,它是由形成P-N结的材料决定的,也就是说其发光的颜色也与构成其基底(P-N结)的材质元素有关。
LED显示屏
      LED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+黄色荧光粉和蓝光+红色荧光粉混合而成。LED半导体器件常采用磷化镓(GaP,绿光)、镓铝砷(GaAlAs)或砷化镓(GaAs,红光)、氮化镓(GaN,蓝光)等材料组成,其内部结构具有单向导电性。
      LED的发光颜色和发光效率与制作LED 的材料和工艺有关 , 目前广泛使用的有红、绿、蓝三种。由于LED工作电压低(仅1.5-3V ),能主动发光且有一定亮度,亮度又能用电压(或电流)调节,本身又耐冲击、抗振动、寿命长(10万小时),所以在大型的显示设备中,目前尚无其他的显示方式与LED 显示方式匹敌。
      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。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。
      反射出的占32%,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。为了进一步提高外部出光效率可采取以下措施:用折射率较高的透明材料(环氧树脂n=1.55并不理想)覆盖在芯片表面;把芯片晶体表面加工成半球形。
      前面有提到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,电子与空穴符合,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。
      把红色和绿色的LED 放在一起作为一个象素制作的显示屏叫双色屏或彩色屏;把红、绿、蓝三种LED 管放在一起作为一个象素的显示屏叫三色屏或全彩屏。制作室内的象素尺寸一般是2-10 毫米,常常采用把几种能产生不同基色的LED管芯封装成一体,室外LED 屏的象素尺寸多为12-26 毫米,每个象素由若干个各种单色 LED 组成,常见的成品称象素筒,双色象素筒一般由3 红2 绿组成,三色象素筒用2 红1 绿1蓝组成。无论用LED 制作单色、双色或三色屏,欲显示图象需要构成象素的每个LED的发光亮度都必须能调节,其调节的精细程度就是显示屏的灰度等级。灰度等级越高,显示的图像就越细腻,色彩也越丰富,相应的显示控制系统也越复杂。一般256级灰度的图像,颜色过渡已十分柔和,而16 级灰度的彩色图像,颜色过渡界线十分明显。所以彩色LED屏当前都要求做成256 级灰度的。


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