电致发光显示

论文：电致发光显示（LED）

学院：理学院

班级：物理12

姓名：骆宾祥

学号：120123802038

电致发光电显示（LED）

姓名：骆宾祥学号：120123802038

引言：随着行业的继续发展，技术的飞跃突破，应用的大力推广，LED的光效也在不断提高，价格不断走低。新的组合式管芯的出现，也让单个LED管(模块)的功率不断提高。通过同业的不断努力研发，新型光学设计的突破，新灯种的开发，产品单一的局面也有望在进一步扭转。控制软件的改进，也使得LED照明使用更加便利。这些逐步的改变，都体现出了LED发光二极管在照明应用的前景广阔。LED产品在世界各个领域都有很好的应用前景，主要在:LED电子显示屏，交通信号灯，汽车用灯，液晶屏背光源，灯饰，照明光源等六大领域应用。

关键词：LED，电致发光材料，应用

目录：

一．电致发光材料介绍 ----------------------------------------------------------------------------------------- 3

1.电致发光的定义： --------------------------------------------------------------------------------------- 3

2.电致发光的种类 ------------------------------------------------------------------------------------------ 3

3.电致发光材料分类 --------------------------------------------------------------------------------------- 3 二．无机电致发光材料的的发展及展望 ------------------------------------------------------------------ 3 三．无机电致发光显示（LED) ------------------------------------------------------------------------------- 3

1.发光二极管------------------------------------------------------------------------------------------------- 3

2.LED构造 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 4

3.LED材料 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 5

4.LED光源原理--------------------------------------------------------------------------------------------- 6

5.LED发光原理--------------------------------------------------------------------------------------------- 6

6.LED工作原理--------------------------------------------------------------------------------------------- 7

7.LED光源的特点------------------------------------------------------------------------------------------ 8 四．单色光LED和白光LED --------------------------------------------------------------------------------- 8

1.单色光LED---------------------------------------------------------------------------------------------7

2.白光LED --------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 五．电致发光显示（LED）的应用领域------------------------------------------------------------------- 10

1. LED显示屏 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 10

2. 交通信号灯 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 10

3.汽车用灯--------------------------------------------------------------------------------------------------- 11

4.液晶屏背光源 -------------------------------------------------------------------------------------------- 11

5.灯饰--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11

6.照明光源--------------------------------------------------------------------------------------------------- 11

一．电致发光材料介绍

处于激发态的分子、晶体和非晶态物质在退激过程中会产生辐射，即发光。

根据其受激的方式，这种激发态发光可主要以分为三种形式：

光致发光（photoluminescence，PL）

电致发光（electroluminescence，EL）

阴极发光（cathodeluminescence，CL）

1.电致发光的定义：电致发光(电场发光，EL)是指电流通过物质时或物质处于强电场下发光的现象。

一般认为是在强电场作用下，电子的能量相应增大，直至远远超过热平衡状态下的电子能量而成为过热电子，这过热电子在运动过程中可以通过碰撞使晶格离化形成电子、空穴对，当这些被离化的电子、空穴对复合或被激发的发光中心回到基态时便发出光来。

2.电致发光的种类：电致发光现象是指电能直接转换为光能的一类发光现象，它包括注入式电致发光和本征型电致发光。

（1）注入式电致发光：直接由装在晶体上的电极注入电子和空穴，当电子与空穴在晶体内再复合时，以光的形式释放出多余的能量。

注入式电致发光的基本结构是结型（LED）。

（2）本征型电致发光：又分为高场电致发光与低能电致发光。其中高场电致发光是荧光粉中的电子或由电极注入的电子在外加强电场的作用下在晶体内部加速，碰接发光中心并使其激发或离化，电子在回复到基态时辐射发光。

低场电致发光又称为注人式发光，主要是指半导体发光二极管（LED）。

3.电致发光材料分类：从发光材料角度,可将电致发光材料分为无机电致发光材料和有机电致发光材料。

无机电致发光材料一般为等半导体材料。有机电致发光材料依据有机发光材料的分子量的不同可以区分为小分子和高分子两大类。小分子OLED材料以有机染料或颜料为发光材料，高分子OLED材料以共轭或者非共轭高分子（聚合物）为发光材料，典型的高分子发光材料为PPV及其衍生物。

二．无机电致发光材料的的发展及展望：

1936年：基于ZnS构造了第一个粉末电致发光磷光体(phosphor)；并制造了第一个有效的掺Mn的ZnS薄膜电致发光显示装置(ELD)。人们曾经将这种ELD和光导膜结合，用于光放大器和x射线增强器，1960年在日本曾用于电视成像。1962年：美国通用电气公司发明第一个无机半导体GaAsP的商品化光发射二极管(LED)。

在无机电致发光化合物中，目前主要的方向是发展掺杂稀土元素的多色显示材料。这种材料广泛应用于视频器件、音响设备和测控仪器中，并已取得了令人瞩目的成就。无机EL的优点是稳定性高；缺点是短波发光有待开发，作为显像管体积太大，大面积平板显示器制作工艺上有困难，发光颜色不易改变，很难提供全色显示等。

三．无机电致发光显示（LED)

1.发光二极管：

发光二极管（Light Emitting Diode,简称LED）是注入电致发光显示器件的代表。发光

二极管是利用少数载流子流入PN结直接将电能转换为光能的半导体发光元件。

2.LED构造：

是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。LED结构图如图所示

LED结构示意图

其实很简单，LED以半导体芯片为核心，将其固定在接柱上，由正极和负极接线为其提供电流，其整体被环氧树脂封装。LED构造的核心是用磷化镓或砷化镓等半导体发光材料晶片做成的PN结，晶片外用透明度高和折射率高的材料（一般用环氧树脂）包封，树脂外观视应用要求做成各种形式。也可以在LED的底座上安置两枚或两枚以上晶片，各晶片材料不同，发出不通的色光，当各晶片发不同强度的光时，它们将产生不同混色，使发光二极管显示不同色光。

3.LED材料：LED五大原物料分别是指：晶片，支架，银胶，金线，环氧树脂.

(1)晶片:晶片的构成：由金垫，P极，N极，PN结，背金层构成(双pad晶片无背金层)。晶片是由P层半导体元素，N层半导体元素靠电子移动而重新排列组合成的PN结合体。也正是这种变化使晶片能够处于一个相对稳定的状态。在晶片被一定的电压施加正向电极时，正向P区的空穴则会源源不断的游向N区，N区的电子则会相对于孔穴向P区运动。在电子，空穴相对移动的同时，电子空穴互相结对，激发出光子，产生光能。主要分类，表面发光型：光线大部分从晶片表面发出。五面发光型：表面，侧面都有较多的光线射出按发光颜色分，红，橙，黄，黄绿，纯绿，标准绿，蓝绿，蓝。

（2）支架：支架的结构1层是铁，2层镀铜(导电性好，散热快)，3层镀镍(防氧化)，4层镀银(反光性好，易焊线)

（3）银胶：(因种类较多，我们依H20E为例)也叫白胶，乳白色，导通粘合作用(烘烤温度为：100°C/1.5H)银粉(导电，散热，固定晶片)+环氧树脂(固化银粉)+稀释剂(易于搅拌)。储藏条件：银胶的制造商一般将银胶以-40 °C 储藏，应用单位一般将银胶以-5 °C 储藏。单剂为25 °C/1年(干燥，通风的地方)，混合剂25 °C/72小时(但在上线作业时因其他的因素“温湿度、通风的条件”,为保证产品的质量一般的混合剂使用时间为4小时)

烘烤条件：150 °C/1.5H搅拌条件：顺一个方向均匀搅拌15分钟

（4）(依φ1.0mil为例)LED所用到的金线有φ1.0mil、φ1.2mil，金线的材质，LED用金线的材质一般含金量为99.9%，金线的用途利用其含金量高材质较软、易变形且导电性好、散热性好的特性，让晶片与支架间形成一闭合电路。

（5）环氧树脂(以EP400为例)组成：A、B两组剂份:

A胶：是主剂，由环氧树脂+消泡剂+耐热剂+稀释剂

B剂：是固化剂，由酸酣+离模剂+促进剂

使用条件：

混合比：A/B=100/100(重量比)

混合粘度：500-700CPS/30 °C

胶化时间：120 °C*12分钟或110 °C*18分钟

可使用条件：室温25 °C约6小时。一般根据产线的生产需要，我们将它的使用条件定为2小时。

硬化条件:初期硬化110 °C-140 °C 25 - 40分钟

后期硬化100 °C*6-10小时(可视实际需要做机动性调整)

4.LED光源原理：

由于这两个正负电荷区域的存在，出现了一个由N区指向P区的电场，称为内建电场。

如果PN结外加一个LED光源原理足够大的正向偏压，产生与内部电场相反方向的外加电场，

结果能带倾斜减小，扩散增强。 N区的电子及P区的空穴会克服内建电场的阻挡作用，穿过结区。

5.LED发光原理：发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向?截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。

6.LED工作原理：

发光二极管由半导体芯片组成，半导体芯片分为两个部分。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，在这边主要是电子。当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”。这些半导体材料会预先透过注入或掺杂灯工艺产生P、N架构，当电流通过导线作用于芯片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量。

LED工作原理示意

7.LED光源的特点：

1. 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。

2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%

3. 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

4. 稳定性：10万小时，光衰为初始的50%

5. 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

6. 对环境污染：无有害金属汞

7. 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

8. 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。

四．单色光LED和白光LED

1.单色光LED的种类及其发展历史：

最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。

70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。

到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。

90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED 的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λp=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。

2.白光LED

（1）白光LED的的研发：白光LED是最被看好的LED新兴产品，其在照明市场的发展潜力值得期待。LED技术在最近几年发展迅速，性价比不断提高，加上能源短缺问题的日益突出，白光LED以其高效、环保的优点正在逐步取代传统光源，使LED的应用领域跨足至高效率照明光源市场。对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED 开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和

调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。

（2）白色LED种类和原理

表一白色LED种类和原理

表一列出了目前白色LED的种类及其发光原理。目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉，其最好的发光效率约为25流明/瓦，YAG多为日本日亚公司的进口，价格在2000元/公斤；第二种是日本住友电工亦开发出以ZnSe为材料的白光LED，不过发光效率较差。

从表中也可以看出某些种类的白色LED光源离不开四种荧光粉：即三基色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉，在未来较被看好的是三波长光，即以无机紫外光晶片加R.G.B三颜色荧光粉，用于封装LED白光，预计三波长白光LED今年有商品化的机机会。但此处三基色荧光粉的粒度要求比较小，稳定性要求也高，具体应用方面还在探索之中。

四．电致发光显示（LED）的应用领域

1. LED显示屏

自20世纪80年代中期,就有单色和多色显示屏问世,起初是文字屏或动画屏.90年代初,电子计算机技术和集成电路技术的发展,使得LED显示屏的视频技术得以实现,电视图像直接上屏,特别是90年代中期,蓝色和绿色超高亮度LED研制成功并迅速投产,使室外屏的应用大大扩展,面积在100—300m不等.目前LED显示屏在体育场馆、广场、会场甚至街道、商场都已广泛应用,美国时代广场上的纳斯达克全彩屏最为闻名,该屏面积为120英尺×90英尺,相当于1005m,由1900万只超高亮蓝、绿、红色LED制成.此外,在证券行情屏、银行汇率屏、利率屏等方面应用也占较大比例,近期在高速公路、高架道路的信息屏方面也有较大的发展.发光二极管在这一领域的应用已成规模,形成新兴产业,且可期望有较稳定的增长[1] .

2. 交通信号灯

航标灯采用LED作光源已有多年,目前的工作是改进和完善.道路交通信号灯近几年来取得了长足的进步,技术发展较快,应用发展迅猛,我国目前每年有四万套左右的订单,而美国

加州在去年一年内就用LED交通信号灯更换了五万套传统光源的信号灯,根据使用效果看,寿命长、省电和免维护效果是明显的.目前采用LED的发光峰值波长是红色630nm,黄色590nm,绿色505nm.应该注意的问题是驱动电流不应过大,否则夏天阳光下的高温条件将会影响LED的寿命[1] .

最近,应用于飞机场作为标灯、投光灯和全向灯的LED机场专用信号灯也已获成功并投入使用,多方反映效果很好.它具有自主知识产权,获准两项专利,可靠性好,节省用电,免维护,可推广应用到各种机场,替代已沿用几十年的旧信号灯,不仅亮度高,而且由于LED光色纯度好,特别鲜明,易于信号识别[1] .铁路用的信号灯由于品种系列较多,要求光强和视角也各不

相同,目前正加紧研制中,估计会逐步研制成功并陆续投入应用,从数量看,也是一个颇大的市场[1] .

3.汽车用灯

超高亮LED可以做成汽车的刹车灯、尾灯和方向灯,也可用于仪表照明和车内照明,它在耐震动、省电及长寿命方面比白炽灯有明显的优势.用作刹车灯,它的响应时间为60ns,比白炽灯的140ms要短许多,在典型的高速公路上行驶,会增加4—6m的安全距离[1] .

4.液晶屏背光源

LED作为液晶显示的背光源,它不仅可作为绿色、红色、蓝色、白色,还可以作为变色背光源,已有许多产品进入生产及应用阶段.最近,手机上液晶显示屏用LED制作背光源,提升了产品的档次,效果很好.采用8个蓝色、24个绿色、32个红色LuxeonLED制成的15in(1in≈2.5cm)液晶屏的背光源,可达到120W,2500 lm,亮度18000nits(尼特,cd/m2).22液晶屏背光源也已制成,仅为6mm厚,不但混色效果好,显色指数也达到80以上.目前大型背光源虽处于开发阶段,但潜力很大[1] .

5.灯饰

由于发光二极管亮度的提高和价格的下降,再加上长寿命、节电,驱动和控制较霓虹灯简易,不仅能闪烁,还能变色,所以用超高亮度LED做成的单色、多色乃至变色的发光柱配以其他形状的各色发光单元,装饰高大建筑物、桥梁、街道及广场等景观工程效果很好,呈现一派色彩缤纷、星光闪烁及流光异彩的景象.已有不少单位生产LED光柱达万米以上,彩灯几万个,目前正逐步推广,估计会逐步扩大单独形成一种产业[1] .

6.照明光源

作为照明光源的LED光源应是白光,白光LED光源分类如表3,目前作为军用的白光LED照明灯具,已有一些品种投入批量生产.由于LED光源无红外辐射,便于隐蔽,再加上它还具有耐振动、适合于蓄电池供电、结构固体化及携带方便等优点,将在特殊照明光源方面会有较大发展.作为民间使用的草坪灯、埋地灯已有规模生产,也有用作显微镜视场照明、手电、外科医生的头灯、博物馆或画展的照明以及阅读台灯.随着光通量的提高和价格的下降,应用面将逐步拓展,以完成特殊照明向通用照明的过渡,估计2005—2010年会进入通用照明领域。

文献参考：1.杨正明，柴国生，张明，高广义.白光LED的进展及应用中国照明 2008

2.路绍全.LED照明—半导体又一次革命灯与照明 2006-6

3.百度.LED简介；电致发光材料；电致发光显示。

4.百度文库.《固体电致发光》

5.