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关于LED相关知识学习
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近年来,世界上一些经济发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛.近年日本“21世纪光计划”、美国“下一代照明计划”、欧盟“彩虹计划”、韩国“GaN半导体发光计划”等政府计划纷纷出台.我国是世界照明光源和灯具生产第一大国,但主要是中低端产品,市场份额仅占世界份额的18%,大而不强.发展半导体照明,提升产业国际竞争力意义重大.目前,中国LED产业已初步形成了包括外延片的生产、芯片的制备和封装,以及LED产品应用在内的较为完整的产业链。
LED发展史
1907年HenryJosephRound第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。
由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用；更难处在于碳化硅与电致发光不能很好的适应，研究被摒弃了。
二十年代晚期BernhardGudden和RobertWichard在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光。
再一次因发光暗淡而停止。
1936年,GeorgeDestiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。
随着电流的应用和广泛的认识，最终出现了“电致发光”这个术语。
二十世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED,并于60年代面世。
据说在早期的试验中，LED需要放置在液化氮里，更需要进一步的操作与突破以便能高效率的在室温下工作。
第一个商用LED仅仅只能发出不可视的红外光，但迅速应用于感应与光电领域。
60年代末，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED。
磷化镓的改变使得LED更高效、发出的红光更亮，甚至产生出橙色的光。
到70年代中期，磷化镓被使用作为发光光源，随后就发出灰白绿光。
LED采用双层磷化镓蕊片（一个红色另一个是绿色）能够发出黄色光。
就在此时，俄国科学家利用金刚砂制造出发出黄光的LED。
尽管它不如欧洲的LED高效。
但在70年代末，它能发出纯绿色的光。
80年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用使得第一代高亮度的LED的诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色。
到20世纪90年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的LED。
第一个有历史意义的蓝光LED也出现在90年代早期，再一次利用金钢砂—早期的半导体光源的障碍物。
依当今的技术标准去衡量，它与俄国以前的黄光LED一样光源暗淡。
90年代中期，出现了超亮度的氮化镓LED，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓Led。
超亮度蓝光蕊片是白光LED的核心，在这个发光蕊片上抹上荧光磷，然后荧光磷通过吸收来自蕊片上的蓝色光源再转化为白光。
就是利用这种技术制造出任何可见颜色的光。
今天在LED市场上就能看到生产出来的新奇颜色，如浅绿色和粉红色。
随着人类在LED超亮度的领域的技术进步，LED在消费电子的运用也越来越广泛。
LED的实际应用
LED一般被称为第四代照明光源或绿色光源,具有高节能、利环保、寿命长、体积小、多变幻等特点,可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域
众所周知，目前我国能源日益紧缺，LED照明可大大达到节电目的，据有关资料显示，全国只要有1/3的白炽灯被LED灯取代，每年就能为国家节省用电近1000亿度，相当于一个三峡工程的年发电量。
LED即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。
它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，发光二极管的主要组成部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。
在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
LED耗电非常低，是目前我国全面推广的新型节能光源。
鉴于LED的自身优势，目前主要应用于以下几大方面：
一、显示屏、交通讯号显示光源的应用LED灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种室内、户外显示屏，分为全色、双色和单色显示屏，全国共有100多个单位在开发生产。
交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色LED,因为采用LED信号灯既节能，可靠性又高，所以在全国范围内，交通信号灯正在逐步更新换代，而且推广速度快，市场需求量很大，是个很好的市场机会。
二、汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。
汽车用白炽灯不耐震动撞击、易损坏、寿命短，需要经常更换。
1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯。
由于LED响应速度快,可以及早提醒司机刹车，减少汽车追尾事故，在发达国家，使用LED制造的中央后置高位刹车灯已成为汽车的标准件，美国HP公司在1996年
推出的LED汽车尾灯模组可以随意组合成各种汽车尾灯。
此外，在汽车仪表板及其他各种照明部分的光源，都可用超高亮度发光灯来担当，所以均在逐步采用LED显示。
我国汽车工业正处于大发展时期，是推广超高亮度LED的极好时机。
近几年内会形成年产10亿元的产值，5年内会形成每年30亿元的产值。
三、LED背光源以高效侧发光的背光源最为引人注目，LED作为LCD背光源应用，具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点，已广泛应用于电子手表、手机、BP机、电子计算器和刷卡机上，随着便携电子产品日趋小型化，LED背光源更具优势，因此背光源制作技术将向更薄型、低功耗和均匀一致方面发展。
LED是手机关键器件，一部普通手机或小灵通约需使用10只LED器件，而一部彩屏和带有照相功能的手机则需要使用约20只LED器件。
现阶段手机背光源用量非常大，一年要用35亿只LED芯片。
目前我国手机生产量很大，而且大部分LED背光源还是进口的，对于国产LED产品来说，这是个极好的市场机会。
四、LED照明光源早期的产品发光效率低，光强一般只能达到几个到几十个mcd，适用在室内场合，在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用。
目前直接目标是LED光源替代白炽灯和荧光灯，这种替代趋势已从局部应用领域开始发展。
日本为节约能源，正在计划替代白炽灯的发光二极管项目（称为"照亮日本"），头五年的预算为50亿日元，如果LED替代半数的白炽灯和荧光灯，每年可节约相当于60亿升原油的能源,相当于五个1.35×106kW核电站的发电量，并可减少二氧化碳和其它温室气体的产生，改善人们生活居住的环境。
我国也于2004年投资50亿大力发展节能环保的半导体照明计划。
五、其它应用例如一种受到儿童欢迎的闪光鞋，走路时内置的LED会闪烁发光，仅温州地区一年要用5亿只发光二极管；利用发光二极管作为电动牙刷的电量指示灯，据国内正在投产的制造商介绍,该LED灯具公司已有少量保健牙刷上市，预计批量生产时每年需要3亿只发光灯；正在流行的LED圣诞灯，由于造型新颖、色彩丰富、不易碎破以及低压使用的安全性，近期在香港等东南亚地区销势强劲，受到人们普遍的欢迎，正在威胁和替代现有电泡的圣诞市场。
六、家用室内照明的LED产品越来受人欢迎，LED筒灯，LED天花灯，LED日光灯，LED光纤灯已悄悄地进入家庭！
LED应用于市场上的百分比：
LED的优点
一、体积小
LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小，非常轻。
二、耗电量低
LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦），电光功率转换接近30%。
一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能近80%。
三、使用寿命长
有人称LED光源为长寿灯。
它为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。
四、高亮度、低热量
LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。
五、环保
LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。
光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源
六、坚固耐用
LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固。
灯体内也没有松动的部分，使得LED不易损坏。
七、多变幻
LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256=16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。
八、技术先进
与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品。
它成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。
LED显示屏的基础知识
一、LED
LED是发光二极管（Lightemittingdiode）的英文缩写，以LED为基本发光元素（像素点），通过控制电路及驱动电路来控制每个像素点的亮与灭或其明暗程度，实现具有相当像素点的显示屏显示出人们要求的各种信息。
四大部件：
发光材料（LED）、驱动电路、控制电路、框架结构。
二、工作原理
LED内部主要为一个PN结。
当PN结内的电子与空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以光子的形式释放出来，产生电致发光现象。
发光颜色与构成其基底的材质元素有关。
三、材料：
GaAs（砷化镓）红光,GaP（磷化镓）绿光,GaN（氮化镓）蓝色。
四、LED类型
（1）.直插型
①346（φ3椭圆）
②546（φ5椭圆）
（2）.表贴三合一
①5050
②3528
（3）.表贴三拼一（0805）
（4）.亚表贴
（5）.点阵模块
五、具体情况介绍
1、直插型
a.346（φ3椭圆）：
3mm椭圆灯346封装，发光颜色:
RGB
b.546（φ5椭圆）：
5mm椭圆灯546封装，发光颜色:
RGB
2、表贴三合一
a.表贴三合一5050：
5.0*5.0mm表面贴装发光二极管，发光颜色:
全彩色，防护等级:
IPX5,防紫外线常用于户外屏,网格屏等产品。
b.表贴三合一3528：
3.5*2.8mm表面贴装发光二极管，发光颜色:
全彩色，常用于户内全彩屏P5及以上规格。
3、表贴三拼一0805：
0.8*05mm表面贴装发光二极管,发光颜色:
RGB,常用于户内全彩屏P6及以上规格。
4、亚表贴:
介于DIP与SMT之间的一种产品，其LED灯的封装表面和SMT一样，但是它的正负级引脚和DIP的一样，生产时也是穿过PCB来焊接的，其优点是：
亮度高，显示效果好；缺点是：
工艺复杂，维修困难。
5、点阵模块
点间距有:
P4,P5,P6,P7.62,P8,P10,P12,P12.5,P16。
P4,P5,P6,P7.62,P8适用于户内显示屏
P10,P12,P12.5,P16适用于户外显示屏
LED显示屏的分类
分类方式
品种
说明
使用环境
室内LED显示屏
室内LED显示屏在室内环境下使用，此类显示屏亮度适中、视角大、混色距离近、重量轻、密度高，适合较近距离观看。
室外LED显示屏
室外LED显示屏在室外环境下使用，此类显示屏亮度高、混色距离远、防护等级高、防水和抗紫外线能力强，适合远距离观看。
显示颜色
单基色LED显示屏
单基色LED显示屏由一种颜色的LED灯组成，仅可显示单一颜色，如红色、绿色、橙色等。
双基色LED显示屏
双基色LED显示屏由红色和绿色LED灯组成，256级灰度的双基色显示屏可显示65,536种颜色（双色屏可显示红、绿、黄3种颜色）。
全彩色LED显示屏
全彩色LED显示屏由红色、绿色和蓝色LED灯组成，可显示白平衡和16,777,216种颜色。
显示功能
图文LED显示屏（异步屏，脱机）
图文LED显示屏可显示文字文本、图形图片等信息内容。
可联网脱机显示。
视频LED显示屏（同步屏）
视频LED显示屏可实时、同步地显示各种信息，如二维或三维动画、录像、电视、影碟以及现场实况等多种视频信息内容。
LED显示屏基本组成
一、显示屏主体
二、固定安装结构
三、控制系
四、数据传输系统
五、音视频多媒体处理系统
六、配电系统
七、状态监控系统
八、散热系统
LED显示屏的基本构成
一、异步屏：
一般由显示单元板（模组）、条屏卡、开关电源、HUB板（可选）组成。
通过串口线与计算机连接，进行显示文字的更改，之后可以脱开计算机工作。
二、同步屏：
同步屏系统比较复杂，系统可大可小，一般由计算机、DVI显卡、数据发送卡、同步数据接收卡、HUB板、网线、LED显示屏等组成。
系统始终需要联机计算机工作，将计算机上的图像文字显示在LED大屏幕上。
LED器件工作原理
一、半导体发光基本原理
纯净半导体的能级图如图2.1所示，在温度为绝对零度是满带中的电子没有足够的能量越过禁带进入导带，因而呈现绝缘状态。
随着温度的生高，一般在室温下就有一部分电子具有越过禁带的能量，到达导带，同时留下一个空位形成孔穴，从而呈现弱导电性，即本征性导电。
图2.1半导体能级图
半导体材料中掺入杂质后，施主杂质的能级接近导带，受主杂志的能级接近满带。
施主杂质中的电子极易进入导带，受主杂质极易从满带中获取电子使满带中形成空穴。
当在PN结上施加正向电压时，由于结位垒的降低，使电子N型半导体进入P型半导体，而空穴自P型半导体进入N型半导体，从而形成了少数载流子的注入。
随着注入少数载流子的复合，其能量也从高能级返回至低能级，所释放出来的能量可以转化成各种形式，最常见的是以热能的形式释放。
从电路的观点来看，释放出来的能量等于PN结正向电流与正向电压之积再乘以时间。
有一部分半导体材料在注入少数载流子复合时，会以光的形式释放能量，产生半导体发光现象。
半导体发光可以进一步区分为两种类型，一种是电子直接从导带跃迁至满带与空穴复合而发光。
另一种是在杂质能级En和Eh之间的复合发光，导带中的电子先跃迁到施主杂质能级En上，再跃迁到Eh上与空穴复合而发光，称为间接发光。
LED器件多采用间接发光半导体材料制成。
半导体发光的光波波长满足：
其中
为禁带宽度，单位为电子伏特（eV）。
因为可见光的波长在700nm以下，所以用于LED器件的半导体材料的禁带宽度应该在1.77eV以上。
此外，选择不同的半导体材料，有不同的禁带宽度，这就可以制成发出不同颜色光线的LED器件。
Gap是一种常用于制造LED器件的半导体材料，在Gap中掺入Zn、O是可制成红色LED器件，再掺入Te后可制成绿色LED。
二、LED器件的参数
在工程应用中，正确掌握和理解LED器件的参数是成功设计的基础。
LED器件的参数可以分为电参数、光参数和结构参数，结构参数放在后面来介绍，本节以讨论电参数和光参数为主。
1、极限参数
极限参数是指在应用中不得超过的各种量值。
（1）极限功耗
LED器件正常工作于正便置状态，正向电流沿正向流过，电场做功一部分转化为光能，还有相当一部分转化成热能，引起PN结发热，使结温上升。
当结温上升到达其最大允许值时，器件的耗散功率就不允许在增加了，这时的功率就是极限功耗。
实际上结温是受发热于散热两个因素的影响。
耗散功率的增加使结温上升，而环境温度的降低有利于散热会使结温降低。
因此在不同环境温度情况下会有不同的值。
当环境温度较低时PM的值大些，随着环境温度的升高的值有所降低。
在从-20~+25度的环境温度范围内，PM是一个常数，当环境温度超过+25度时，随温度的上升，PM明显下降，直至+85度环境温度达到了最大允许结温，因此不允许在有附加的任何发热，致使PM立即下降到0度。
（2）极限工作电流IFM
极限工作电流是因极限工耗而引起的参数。
当LED器件处于正偏置时，其正向电压的变化很小，引起耗散功率增加的原因是正向电流的增加。
因此，对耗散功率的限制就可以转化为对正向电流的限制。
根据电路关系PF=VF*IF，可以知道对正向电流的限制值IFM有与PM类似的随环境温度的变化而变化的规律。
在有些手册中指给出IFM或PM当中的一个参数，这时多一半给出的是IFM。
（3）最高允许反向电压VS
LED器件也和其他二极管一样，在反向便置时当反向电压加大到一定程度就会引起击穿。
LED器件的反向击穿电压相当低，一般只有四五伏特，而且LED器件一旦击穿之后，就会造成永久性的损坏，因此不要对LED器件进行反向击穿试验。
在进行破坏试验时是可以测试反向击穿电压的。
（4）最大允许正向脉冲电流IFP
LED发光器件，在一定频率、一定占空比的正向电流驱动之下，所能承受的最大正向脉冲电流就是最大允许正向脉冲电流。
由于是在脉冲方式下工作，所以在同等结温限制条件下，正向脉冲电流的最大允许值要比直流值大。
由于结温的上升取决于平均功率，它是瞬时功率的时间积分。
一般在占空比为1到1/4范围内，最大允许正向脉冲电流IFP是（直流）极限工作电流的IFM1到1/4倍。
（5）最高允许结温TJM
最高允许结温是LED器件允许的最高PN结温度，超过这一温度将引起器件损坏。
（6）允许的工作环境温度范围TA
如前所述，工作环境温度对PM、IFM、IFP等均有重要影响，因此有必要对其范围进行规定。
一般TA从-20~+75度至-40~+100度。
（7）允许的存储温度范围TS
除了TJM和TA外，有的技术资料还给出了允许的存储温度范围TS。
一般TS比TA的范围宽，约在从-25~+80度至-55~+100度。
（8）引线焊接时间
由于焊接时通过引脚可以把热量传到PN结上去，导致器件损坏。
因此对一定的焊接设备以一定的焊接温度允许停留在引脚上的时间进行规定。
例如焊接温度为280度的电烙铁在距LED芯片1.6mm处焊接时，停留时间不得大于5s。
2、电参数
（1）正向工作电流IF
由于正向电压的变化不大，所以正向电流变化时，一方面引起耗散功率的变化，另一方面会引起我们最关心的发光强度的变化。
因此，可以通过正向工作电流说明器件的发光强度，或者就把它作为发光强度的一种间接表示。
正常的IF一般不超过IFM的60%。
（2）正向工作电压VF
一般指在一定的正向工作电流条件下的正向压降。
VF随IF的变化而稍有变化，其值也与温度有关，随温度的上升VF有所下降。
VF之值视LED器件所用半导体材料的不同而不同，一般在1.4V~3V之间。
（3）反向漏电流IR
反向漏电流是LED器件处于反偏置时的漏电流。
（4）PN结电容CJ
实际上它是PN结电容与管壳、引脚电容之和。
结电容对于器件在高频（视频）下工作有较大的影响。
（5）导通时间Ton
当器件在脉冲电流驱动下工作时，在脉冲的上升沿从受激辐射开始到达到发光强度稳定值的90%为止所需要的时间。
（6）截止时间Tct
当器件在脉冲电流驱动下工作时，在脉冲的下降沿从受激辐射结束到发光强度下降到稳定值的10%为止所需要的时间。
导通时间与截止时间对工作在脉冲驱动（特别是高速脉冲驱动）方式下的LED器件有较大影响。
例如在显示256级灰度时，采用1/16扫描方式时，按120HZ的桢频考虑。
LED显示屏的基本结构
显示屏可以分成屏体和控制器两大部分。
屏体的主要部分是显示点阵，还有行列驱动电路，或者包括其他电路（并没有严格规定，可根据需要和印刷电路的布置而定）。
显示点阵多采用8*8单色或双色显示单元（见图1）拼接而成。
本次设计就是采用16*160的条屏，就需要使用40块8*8显示单元。
虽然驱动电路和部分其他电路也装在屏体上，但其作用我们还是结合控制电路一起进行分析。
从显示文字的角度来看，一个字符（特别是汉字）也可由16*16或24*24或32*32点阵组成。
屏的一行可以短到只显示几个字，长到显示十几、二十个字。
一块由M行N列组成的M*N显示屏，其LED发光器件数量相当大，不宜使用静态显示驱动电路。
行驱动器一行的行线连到电源的一端，列驱动器一列的列线连到电源的另一端。
当行驱动选中第i行，列驱动选中第j列时，对应的LED器件根据列驱动器的数据要求进行显示。
控制电路负责有续地选择各行，在选通每一行之前还要把该行各列数据准备好。
一旦该行选通，这一行线上的LED发光器件就可以根据列数据进行显示。
这种时序控制电路，可以由补线逻辑完成。
但考虑到显示数据的存储和设计的灵活性及通用性，一般都采用单片机（及部分接口电路）实现，简单的显示模式和显示数据可以由下位机自身产生和存储，复杂多变的显示数据或显示模式可由上位机产生后下载给下位机。
图1单色LED点阵显示单元
由于显示屏的显示数据只有通断信息，而不包括灰度信息，因此数据不大。
加之显示内容的更新速度也较慢，远比不上电视信号每秒25祯的变化速度。
所以，上下位机之间的数据传送可以采用串行异步通信方式。
串行通信接口电平可根据需要选择RS232、RS422、或RS485标准。
图2示出了显示屏的电路框图。
图2显示屏电路框图
LED显示屏的市场现状以及未来的发展趋势
LED显示屏是LED产业中发展较早、发展速度较快、相对成熟的技术产品，目前应用广泛，由于受到金融危机的影响，2009年全球LED显示屏市场增速有所下降，但是今年中国的LED显示屏市场保持了持续的高速增长，这得益于国家关于节能、减排、低碳、高效的能源使用目标以及推动扩大内需的相关政策，但在经济逐步复苏回暖的大趋势下，预计全球（包括中国大陆在内）的LED显示屏市场仍然会保持较快增长，在未来LED市场的发展中，全彩LED显示屏以其优势将逐步成为市场的主要增长点。
LED显示屏是整个LED产业链中起步较早的产品，近十几年保持了较快的增长。
随着发展LED显示屏技术日臻成熟，相应的产品规范和标准化也处于较高水平。
LED显示屏应用领域广泛，在全世界形成了广阔的市场。
图1是全球LED显示屏市场发展趋势图。
图中所示，2007年到2009年间，LED显示屏的增长速度基本保持在14%作用，2009年LED显示屏规模增速有大幅下降，这主要是由于金融危机的影响随着全球经济的回暖，预计2010年-2013年，全球LED显示屏的市场规模逐年增加至137.68亿美元。
单位：
亿美元
LED显示屏在全球发展历史相对中国要更长，早起单色双手显示屏的使用已经很成熟。
随着近年LED芯片材料技术进步和控制技术的不断提升，全彩色LED显示屏综合性价比优势日益突出，使用范围不断扩大，增长速度明显快于传统的单双色显示屏。
总体上，全彩显示屏在全部LED显示屏的市场中所占比例目前仍然不到50％，预计2011年至2013年，全彩色LED显示屏在全球市场的增长将保持在30％作用，市场规模将增至64.12亿美元，将近一半，图2是2007-2013年全球全彩显示屏市场发展趋势。
受到美国次贷危机引起的全球金融风暴的影响，全球经济衰退导致LED显示屏的市场需求减弱。
我国LED显示屏市场需求也受到了一定的影响，但是随着我国政府巨资投入拉动经济的作用，LED显示屏市场将会保持较高的增长。
2008年奥运会、2009年国庆60年庆典和2010年的南非世界杯球场广告牌及2010年的世博会等等重大活动广泛使用LED显示屏，其示范效应不容忽视，在不考虑出口因素的情况下，预计2010年我国内销的显示屏市场将不低于128亿元左右，如图3所示。
目前市场上广泛应用于交通、证券、银行、邮政、商业等系统的LED显示屏，传统上主导产品为单色、双色LED显示屏。
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