LED复习要点.docx
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LED复习要点
第一章
•LED:
LightEmittingDiode
•发光二极管
•利用固体半导体芯片作为发光材料,当其两端加正向电压时,半导体中的载流子复合,放出过剩的能量,引起光子发射,产生可见光。
2.LED的产业分布
•LED的产业链
•上游:
主要是LED灯内部的衬底材料和外延片研发生产。
•中游:
LED芯片的制备
•下游:
主要是LED的封装和应用领域
LED的产业分布
•美国和日本在LED新产品和新技术领域拥有创新优势,主要从事最高附加值产品的生产。
•欧洲在LED应用技术开发和最新技术转换方面拥有优势,其产品的附加值较高。
•台湾最近10年迅速崛起,在LED芯片产品和封装产量方面占据世界第一。
•LED优点:
功耗低
•在用电量巨大的景观照明市场中具有很强的市场竞争力。
•缺点:
发光效率低、散热不好、成本过高等问题
只有0.38~0.78μm的光才能引起人眼的视觉感,故称这部分光为可见光。
•光纤的结构
•光纤(OpticFiber),是光导纤维的简称,它能够将进入光纤一端的光线传送到光纤的另一端。
•光纤是一种多层介质结构的对称柱体光学纤维,它一般由纤芯、包层、涂覆层与护套层构成。
•纤芯多为石英玻璃,材料主体为二氧化硅,其中掺杂其他微量元素,以提高纤芯的折射率。
包层主体为二氧化硅,折射率低于纤芯。
全反射---光纤
•对于光纤,由于纤芯与包层的折射率均为常数,因此光在光纤内的传播途径为折线,如图所示。
•由于纤芯折射率大于包层折射率,即n1>n2,因此折射角大于入射角,即θ2>θ1。
随着入射角θ1的增大,折射角θ2随之增大。
当折射角θ2=90°时,折射消失,入射光线全部被反射,从而发生全反射。
光纤的传光原理
•根据折射定律,满足全反射条件的最小入射角θC为
•sinθc=n2/n1(7-1)
•当入射角θ1>θC时,光线不再进入包层,而是在光纤内不断反射并向前传播,直至从光纤的另一端射出,即光纤的传光原理。
光线从外界介质射入纤芯后,能够实现全反射的最大入
射角θ0(称为张角)应满足
n0sinθ0称为数值孔径,
光的基本度量单位
光通量Φ,光通量的单位为流明(简写lm),
发光强度.单位为坎德拉(cd).
光照度E,光照度的单位是勒克斯,是英文lux的音译,也可写为lx。
光出射度M
亮度L,单位为坎/米2(cd/m2)。
发光效率(光效)η
允许功耗Pm
最大正向直流电流IFm
最大反向电压VRm
工作环境topm
光谱半宽度Δλ
正向工作电流If
正向工作电压VF
正向电压VF
正向电流IF
反向漏电流IR
工作时的耗散功率PD
最大允许耗散功率Pmax
最大允许工作电流IFM
反向击穿电压VR
1)LED基本结构
2)LED的单向导通性
LED发光的颜色由半导体的种类决定,不同种类的半导体具有不同的禁带宽度Eg。
电子、空穴复合释放的能量由禁带宽度Eg决定。
要产生可见光(波长在380nm紫光~780nm红光),半导体材料的Eg应在3.26eV~1.63eV之间,比红光波长长的光为红外光。
现在已有红外、红、黄、绿及蓝光等各种颜色的LED。
4.LED的分类与常见器件形式
1)按发光颜色分类
按发光管发光颜色分,可分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光等。
另外,有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。
2)按出光面特征分类
按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。
圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。
3)按发光强度角分类
1.高指向性
2.标准型
3.散射型
4)按发光二极管的结构分类
按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。
5.白光LED的种类、实现方法与结构
•蓝光LED+不同色光荧光粉
•紫外光或紫光(300~400nm)LED+RGB荧光粉
•利用三基色原理将RGB三种超高亮度LED混合生成白光
白光LED的实现方法
第一种方法是:
在蓝色LED芯片上涂敷能被蓝光激发的黄色荧光粉,芯片发出的蓝光与荧光粉发出的黄光互补形成白光。
该技术被日本Nichia公司垄断,而且这种方案的一个原理性的缺点就是该荧光体中Ce3+离子的发射光谱不具连续光谱特性,显色性较差,难以满足低色温照明的要求。
同时发光效率还不够高,需要通过开发新型的高效荧光粉来改善。
第二种方法是:
在蓝色LED芯片上涂敷绿色和红色荧光粉,通过芯片发出的蓝光与荧光粉发出的绿光和红光复合得到白光。
该类产品虽显色性较好,但所用荧光粉的转换效率较低,尤其是红色荧光粉的效率需要较大幅度的提高,因此推广也较慢。
第三种方法:
在紫光或紫外光LED芯片上涂敷三基色或多种颜色的荧光粉,利用该芯片发射的长波紫外光(370nm-380nm)或紫光(380nm-410nm)来激发荧光粉,从而实现白光发射。
该种LED的显色性更好,但存在与第二种方法类似的问题,且目前转换效率较高的红色和绿色荧光粉多为硫化物体系。
这类荧光粉发光稳定性差、光衰较大,故还没批量使用。
其他方法:
在特殊的场合,白光LED还有其他几种封装方法。
这里简单的介绍一下:
第一种:
将红、蓝、绿三芯片封装在一起,按照一定的比例对其光色进行控制,混出白光。
第二种:
实现方法是用红、蓝、绿、黄四芯片混出白光。
白光LED的两种基本方式
•单芯片型
•多芯片型
芯片数
激发源
发光材料
发光原理
蓝光LED
InGaN(铟氮化稼)/YAG
InGaN的蓝光与YAG的黄光混合成白光
蓝光LED
InGaN荧光粉
InGaN的蓝光激发红、绿、蓝三基色荧光粉发出白光
1
蓝光LED
ZnSe(硒化锌)
由薄膜层发出的蓝光和在基板上激发出的黄光混合成白光
紫外光LED
InGaN/荧光粉
InGaN的紫外光激发红、绿、蓝三基色荧光粉发出白光
2
蓝光LED
黄绿LED
InGaN.GaP
将具有补色关系的两种芯片封装在一起制成白光LED
3
蓝光LED
绿光LED
红光LED
InGaN.AlInGaP
将发三原色的三种芯片封装在一起制成白光LED
多个
多种光色的LED
InGaN.GaP.AlInGaP
将遍布可见光区的多种光芯片封装在一起制成白光LED
第二章
对LED芯片外延材料的基本要求及选择考虑通常有以下几点:
1.要求有合适的带隙宽度Eg
2.可获得高电导率的P型和N型晶体,以制备优良的PN结
为使P区和N区有足够高的电导率,通常要求掺杂浓度不小于1*1017/cm3
选择迁移率高的材料
3.可获得完整性好的优良晶体
晶体的晶格缺陷和外来杂质会形成复合中心,影响器件的发光效率。
4.发光复合概率大
采用直接间隙型的半导体材料来制备LED
导带底和价带顶在空间内相同点的情况下
因为直接能隙半导体材料中的电子、空穴复合时,没有动量的改变,则不需要第三者参与,故能量都可以发光的形式释放出来——发光强度大。
2.几种主要的外延材料
1)AlInGaP外延材料。
可以实现:
红光(625nm)、橙光(611nm)和黄光(590nm)的发射。
2)GaN外延材料制备白光LED的基石。
问题:
晶格适配度较大。
3)AlInGaN外延材料,蓝光发射的宽禁带半导体材料
4)AIGaAs外延材料,红光
5)其他新型外延材料,制备高效紫光发光器件的候选材料
1优化芯片发光层能带结构
1)双异质结2)量子阱结构
2.提高光引出效率的芯片技术
1)在芯片与电极之间加入厚窗口层
在芯片和电极之间引入折射率更低的厚窗口层,可以有效扩大光引出角锥,提高光效率。
3)双反射(DR)和分布式布拉格反射(DBR)结构(比传统结构亮度增大2倍)
4)倒装芯片(Flip-chip)技术
倒装芯片优点:
(1)避开电极遮光的问题
(2)解决了蓝宝石散热的问题
(3)增加静电放电保护回路
5)表面粗糙化纹理结构(表面粗糙化的主要作用是增加透射率)
6)异形芯片技术
封装的作用
将普通二极管的管芯密封在封装体内,起作用是保护芯片和完成电气互连。
功能:
1,保护芯片不受外界环境的影响2,提高器件导热能力3,提高出光效率
常用的LED芯片封装方式包括:
引脚式封装平面式封装表贴封装食人鱼封装
功率型封装
3白光LED的实现方法
1)荧光粉转换(PC)LED
2)三基色荧光粉转换(PC)LED
3)多芯片(MC)白光LED(三基色RGB合成)
LED的结温热阻
2.采用微通道制冷的LED
1)硅基微通道致冷器的基本结构及其研究结果
2)微通道致冷器技术
第三章
4.LED的其他电学参数
在高频电路中使用LED时,还要考虑以下两个因素:
●结电容Cj
●响应时间:
上升时间tr,下降时间tf
当LED接在高频电路中使用时,要考虑到结电容和上升、下降时间,否则LED无法正常工作。
2LED电学参数的测量
1)大功率LED的测试
2)插件式单颗LED(功率为0.2W)的测试
3)贴片式单颗LED(功率为1W)的测试
4)LED的极性判别及其简易测试
第四章
2常用的LED电源驱动方案
LED电源一般有多种方案驱动,但无论使用哪种电源驱动方案,一般都不能直接给LED供电。
根据供电电压的高低,可以将LED电源驱动器分成:
1)低压驱动(0.8~1.65V)
2)过渡电压驱动(4V)
3)高压驱动(高于5V)
4)市电驱动
常用的LED电源驱动方案
1)低压驱动(0.8~1.65V)
应用:
便携式电子产品
功能:
驱动小功率或中功率的白光LED(LED手电筒、LED应急灯、节能台灯等)
技术:
电荷泵式升压变换器
2)过渡电压驱动(4V)
功能:
给LED供电的电源电压值在LED管压降附件变动,这个电压有时可能略高于LED的管压降,有时可能略低于LED的管压降。
(两节串联的铅酸蓄电池,满电量时电压在4V以上,电路快用完时在3V以下)
应用:
LED矿灯
技术:
既要解决升压问题又要解决降压问题。
反极性电荷泵式变换器
3)高压驱动(高于5V)
功能:
给LED供电的电压始终高于LED的管压降,由稳压电源或蓄电池供电
应用:
太阳能草坪灯、太阳能庭院灯、机动车的灯光系统
技术:
解决降压问题
串联开关降压电路
4)市电驱动
功能:
直接由市电供电或相应的高压直流电进行供电,是LED照明应用中最有价值的供电方式
应用:
大功率白光LED
技术:
解决降压和整流问题
降压式DC/DC转换器驱动电路
桥式变换电路
3LED显示驱动方式
1)静态显示驱动法
每一个LED灯分别对应一个独立的I/O驱动口,其点亮和关闭由该I/O驱动口来对其进行控制,互不干扰。
2)动态显示驱动法
2LED全部串联方式
优点:
通过每个LED的工作电流相等,一般应串入限流电阻R,要求LED驱动器输出较高的电压。
当LED一致性差别大时,由于通过每只LED的电流相同,故各LED的亮度一致。
3LED全部并联方式
并联设计基于低驱动电压,无需带电感的升压电路。
并联设计具有低电磁干扰、低噪声和高效率等特点,且容错性较强。
避免了串联设计中,一只LED发生故障时就会导致整个照明子系统失效。
缺点:
(1)由于每只LED之间的特性参数存在一定的差别,且LED的正向电压会随温度的上升而下降,不同LED散热条件差别会引起工作电流的差别。
散热条件较差的LED温升越大,正向电压下降得越快,造成工作电流上升,而工作电流的上升又会引起温度的剧升,如此循环导致LED烧毁。
(2)当LED一致性差别较大时,通过每只LED的电流不一致,LED的亮度也不同。
4LED混联方式
如果将所有的LED串联,需要LED驱动器输出较高的电压;如果所有LED并联,需要LED驱动器输出较大的电流。
限制LED的使用量,并使驱动器成本增加。
解决办法:
采用混连结构,每一个LED串联支路的电压相同,每一支路上LED电流基本相同,亮度一致。
5交叉阵列形式
1电容降压式LED驱动器
1)最简单的电容降压电路
2)采用压敏电阻的电容降压LED驱动电路
“压敏电阻”是一种具有非线性伏安特性的电阻器件,主要用于在电路承受过压时进行电压嵌位,吸收多余的电流以保护敏感器件。
现在大量使用的“氧化锌”(ZnO)压敏电阻器。
●电容C1的作用是降压和限流;
●VD1~VD4的作用是整流,用于将交流电整流为脉冲直流电压;
●C2、C3的作用是滤波,用于将整流后的脉动直流电压滤波成平稳的直流电压;
●压敏电阻Rv的作用是将输入电源中瞬间的脉冲高压对地泄放掉,从而保护LED不被瞬间高压击穿。
3)采用可控硅的电容降压LED驱动电路
4)具有滤波单元的电容驱动电路
1调光功能的实现方式
调光功能的实现方式可分为两种:
模拟方式和PWM方式
2白光LED驱动方案的选择
•所有专为驱动白光LED而设计的IC都提供恒定电流,其中绝大多数是基于电感或电荷泵的解决方案,这两种解决方案各有其优缺点。
•电荷泵解决方案也称为开关电容器解决方案,利用分离电容器将电源从输入端传送至输出端,整个过程不需使用任何电感,所以是受欢迎的解决方案。
•电感式驱动电路体积小,效率高,适合为绝大多数便携式电子产品提供更长的电池使用时间。
1)降压式变换器
2)升压式变换器
3)降/升压式变换器
第五章
5.2用升/降压式变换器设计LED照明驱动器
降压式
•开关状态1:
Q导通
•t=0时刻,Q管被激励导通,二极管D中的电流迅速转换到Q管。
二极管D被截止。
•开关状态2:
Q关断
t=ton时刻,Q关断,储能电感中的电流不能突变,于是电感L两端产生了与原来电压极性相反的自感电动势,该电动势使二极管D正向偏置,二极管D导通,储能电感中储存的能量通过二极管D向负载供电,二极管D的作用是续流,这就是二极管D被称为续流二极管的原因。
•显然,只有Q管导通期间(ton内)电感L增加的电流等于Q管截止期间(toff时间内)减少的电流,这样电路才能达到平衡,才能保证储能电感L中一直有能量,才能不断地向负载提供能量和功率。
•可得
•因此,Buck电路输出电压平均值与占空比δ成正比,δ从0变到1,输出电压从0变到1,且输出电压最大值不超过输入电压。
升压式
•开关状态1:
Q导通
•Q管导通,输入电压加到储能电感L两端,二极管D被反向截止;
•显然,只有Q管导通期间(内)储能电感L增加的电流等于Q管截止期间(内)减少的电流,这样电路才能达到平衡,才能保证储能电感中一直有能量,才能不断地向负载提供能量和功率。
解得:
•表明BoostDC-DC变换器是一个升压电路,当占空比从零变到1时,输出电压从变到任意大。
第六章
3LED数码显示器的特殊参数
•发光强度比
•由于在同样的驱动电压下,数码管各段的正向电流不相同,所以,各段的发光强度也不同。
•所有段的发光强度值中最大值与最小值之比称为发光强度比。
通常情况下,发光强度比在1.5~2.3之间,最大不能超过2.5。
•脉冲正向电流
•若笔画显示器每段的典型正向直流工作电流为IF,则在脉冲信号作用下,正向电流可以远大于IF。
•脉冲占空比越小,脉冲正向电流可以越大。
2LED显示屏分类
一、根据应用场所分类
根据应用场所的不同,可将LED显示屏分为户内、户外及半户外三种。
二、根据基色分类
根据所采用的LED的颜色,可将LED显示屏分为单基色、双基色、三基色(全彩)三种。
三、根据功能分类
根据屏幕所具有的功能,可将LED显示屏分为条屏,图文屏,视屏以及数码混合屏四种。
四、根据屏显示面形状分类
除了常见的平面屏以外,还有曲面屏,如弧形屏、球面屏等。
LED显示屏的主要指标
1、分辨率2、亮度(Luminance)3、灰度4、对比度5、白平衡6、换帧频率refreshframefrequency7、刷新频率refreshfrequency8、视角9、最佳视距10、驱动方式
1视频信号处理技术
途径一
先将输入的复合全电视信号进行解码,得到一组分量模拟信号;再对分量模拟视频信号进行模/数转换,最终得到分量数字视频信号。
途径二
运用一个特定的频率先对复合全电视信号直接进行模/数转换,得到一个复合数字视频信号(复合编码),然后采用数字方式进行解码,得到分量数字视频信号。
第七章
ATmega16单片机
ATMEGA16单片机是高性能、低功耗的8位AVR微控制器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间ATmega16 的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
ATMEGA16工作电压为4.5~5.5V,40引脚PDIP封装,32个可编程的I/O口。
英文字符点阵显示系统设计
1)显示原理
8*8点阵共由64个发光二极管组成,且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上,当对应的某一行置1电平、某一列置0电平,则相应的二极管就点亮;
循环扫描
•首先显示一位数一段时间,然后关掉,再显示第二位数一段时间,又关掉,在轮流点亮数码管的扫描过程中,每位数码管的点亮时间是很短暂的(约1ms),由于人的视觉暂留现象及LED的余辉效应,尽管各位数码管并未同时点亮,但只要扫描的速度足够快,给人的印象就是一组稳定的显示数据,不会有闪烁感。
串行并行通信区别
•在并行通信中,信息传输的位数和数据位数相等;在串行通信中,数据一位一位地顺序传送。
•并行通信速度快,传输线多,适合于近距离的数据通信,但硬件接线成本高;串行通信速度慢,但硬件成本低,传输线少,适合于长距离数据传输。
第八章
8.3LED二次光学设计
•在封装过程中的设计被称为一次光学设计;
•在LED之外进行的光学设计被称为二次光学设计,也叫二次配光设计。
•一次配光设计是保证每个LED发光器件的出光质量,考虑将LED芯片中发出的光能尽量多地取出。
而二次配光设计是考虑怎样把LED器件发出的光线集中到期望的照明区域上,从而让整个系统发出的光能满足设计需要。
•进行LED二次配光设计所使用的基本光学元件主要有透镜、反射镜和折光板等。
•
静电的概念
•静电为由于电荷和电场的存在而产生的一切现象。
•当两个不同的物体相互接触并且相互摩擦时,一个物体的电子转移到另一个物体,就因为缺少电子而带正电,而另一个体得到一些剩余电子的物体而带负电,物体带上了静电。
•一般情况下,无机材料(如石棉、玻璃、云母等)更易带正电荷;有机高分子材料(如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯树脂、聚亚胺酯等)易带负电荷。
防静电措施
•各环节要尽量减少接触这类LED器件的人数,限制人员不必要的走动,搬推椅子。
•使用导电率好的包装袋来包装LED。
•应戴上手套接触LED器件(但不能戴尼龙和橡皮手套)。
•取出备用的LED器件后不要堆叠在一起,器件尽量不要互相接触。
从包装袋中取出而暂时不用的器件,应用防静电袋包起来。
•必须用手接触LED的器件时,应接触管壳而避免接触LED器件的引出端。
要接触LED器件前,应将手或身体接“地”一下,把静电释放干净。
•电烙铁要求永久接地。
•工作环境的相对湿度应保持在50%左右,不穿容易产生静电的工作服。
车间地面应采用含碳塑料、含碳橡胶或导电乙烯做成,电阻率η<105Ω·cm或用静电耗散性材料,电阻率应在105Ω·cm~l09Ω·cm之间。
•椅子和工作台上应附加一层静电耗散材料,椅子的电阻率应是l05Ω·cm~l08Ω·cm之间。
•工作服、棉制工作服有一定的导电性,最好使用防静电服。
工作鞋要用静电耗散型材料做成,电阻率在l05Ω·cm~l08Ω·cm之间,也要有防静电鞋。
•带上防静电手镯实际上是手镯与手接触,再把手镯接“地”,这样手与地就成为同电位,可将人身上的静电释放。
•在工作区域使用离子风扇防止静电积累,因为离子风扇送出的负离子能与静电中和,不会使静电积累成很高电压。
•车间里所用的设备都要有良好的接地,接地电阻不能大于10Ω。
车间入口处一定要有接地金属球,人进入时先摸金属球,以释放身上的静电。
第九章
•有机发光显示器(OLED),是以有机薄膜作为发光体的自发光显示器件。
•原理是:
通过正负载流子注入有机半导体薄膜后复合产生发光
•OLED已成为当今超薄、大面积平板显示器件研究的热门
关键词:
•OLED(organiclightemittingdisplay)
•有机发光显示器
•(organiclightemittingdiodes)
•有机发光二极管,有机LED
•OrganicEL(organicelectroluminescence)
•有机电致发光,有机EL
2OLED的基本结构与发光原理
•OLED属于载流子双注入型发光器件
•发光机理:
在外界电压驱动下,由电极注入的电子和空穴在有机材料中复合放出能量,并将能量传递给有机发光物质的分子,后者受到激发,从基态跃迁到激发态,当受激分子从激发态回到基态时辐射跃迁产生了发光现象。
OLED的发光过程可概括为以下4个步骤
•载流子的注入;
•载流子的传输;
•载流子复合与激子的形成;
•激子衰减而发出光子。
3有机电致发光(OEL)材料
(1)红光材料
主要有:
罗丹明类染料,DCM,DCT,DCJT,DCJTB,DCJTI和TPBD等
(2)绿光材料
主要有:
香豆素染料Coumarin6(Kodak公司第一个采用),奎丫啶酮(quinacridone,QA)(先锋公司专利),六苯并苯(Coronene),苯胺类(naphthalimide).
(3)蓝光材料
主要有:
N-芳香基苯并咪唑类;1,2,4-三唑衍生物(TAZ)(也是ETM材料);1,3-4-噁二唑的衍生物OXD-(P-NMe2)(高亮度;1000cd/m2);双芪类(Distyrylarylene);BPVBi(亮度可达6000Cd/m2)。
(4)高分子发光材料主要有聚苯撑乙烯(PPV)和聚噻吩(PAT)两大类;
(5)高分子发光材料在加工性、机械性能、稳定性及成本上占优势,通过分子设计还可以实现能带调控,得到全色发光器件。
(6)OEL材料根据其发光机制可分为荧光材料和磷光材料。
4OLED彩色化的实现
1)RGB像素独立发光(RGB三基色发光法)
2)光色转换法
3)彩色滤光膜法
1)RGB像素独立发光(RGB三基色发光法)
2)光色转换法
3)彩色滤光膜法
OLED的驱动方式
依驱动方式分为被动式(pas
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