近年来，无数的文章都在关注新的显示技术。典型的主题包括:TFT彩色LCD面板在笔记本电脑和平板显示器中的爆炸式增长;PDP(等离子显示面板)用于高清电视CRT的替代;聚合物LED (PLED)或有机LED (OLED)显示器，用于游戏，手机和pda中的小型彩色显示器。

本文讨论的是一种已有35年历史的显示技术——LED。本综述涵盖了led的起源，它们的传统应用，以及技术的改进如何刺激新的应用。

led简史

LED技术的商业研究始于1962年，特别是在贝尔实验室，惠普 (HP )，IBM ，孟山都 和RCA 。对磷化砷化镓(GaAsP)的研究使惠普和孟山都公司在1968年推出了第一批商用655纳米红色led。1971年，惠普发布了使用GaAsP LED显示屏的5300A 500MHz便携式频率计数器。LED显示屏在20世纪70年代早期作为袖珍计算器上的数字显示器而蓬勃发展。在很短的时间内，led出现在电子表上，但很快就被lcd取代了。与此同时，led取代了白炽灯和霓虹灯作为状态指示灯，并成为仪器仪表的标准数字和字母数字显示选择。

在20世纪70年代和80年代，LED在消费品领域最激烈的竞争来自真空荧光显示器(vfd)，当通过绿色或蓝色滤光片观看时，其明亮的蓝绿色显示提供高强度和高对比度。vfd最早是由ISE电子公司于1967年开发的。ISE，通常以Noritake 的部门名称而闻名，与Futaba 和NEC 一起，从20世纪60年代末和70年代初开始提供显像管，从快速增长的桌面计算器市场中使用的简单个位数显示器开始。此后不久，数位显像管出现，降低了制造成本。这些管可能是最好记住他们的出现在流行的卡西欧 袖珍计算器。后来，三星 开始为自己生产用于消费品的电子管。1993年，NEC将其在中国的完整生产线出售给ZEC。如今，NEC、双叶、ISE、三星和ZEC的VFD管产量约占全球的95%。

在20世纪80年代及以后，单色lcd与led和vfd在消费设备、仪表和汽车面板领域展开了激烈的竞争。lcd具有低功耗和易于定制的优点，成为电池供电应用的明显选择。虽然lcd不发光，但有许多应用可以保证环境光。另外，一对绿色、橙色或黄色led发出的光可以扩散到一个小的(10平方厘米)LCD后面，用不透明的塑料成型，以提供便宜而舒适的背光。

谁生产led ?

目前，全球led的产量约为每月40亿只。十年前，日本是主要的LED生产国，而台湾的产量仅占全球需求的10%多一点。根据台湾工业技术信息服务中心(ITIS)的数据，台湾目前生产的30多家LED制造商约占全球需求的一半;日本和美国被记录为下一个产量最高的LED制造商。大多数LED制造商实际上是组装商和包装商，从日本、美国和(最近的)台湾的代工厂购买晶圆或骰子。

C.I.E，流明和坎德拉

这篇关于r计量学和光度学理论的简短题外话是主要讨论的有用背景。R测量测量所有波长(可见和不可见)的R能量。光度法测量人眼的视亮度。人眼“看到”380nm到740nm波长范围内的光作为熟悉的色谱(图1)。

20世纪30年代，国际照明委员会(CIE)正式制定了光的测量标准和人眼(或“标准观察者”)的反应。这些标准描述了在各种照明条件下，如白天和夜晚，在整个可见范围内眼睛反应的变化。CIE也定义了原色(表1)。这些标准和定义一直存在争议，并且存在其他标准。

在讨论led和显示器时，重要的是要注意，人眼的响应在555nm时大致在绿色处达到峰值，对黄色敏感，在400nm时对蓝色和700nm时对红色急剧下降。这可以在1931年的光(日光)色度图中看到，图2以简化形式显示。暗斑(夜间适应)的曲线则大不相同，峰值在512nm左右。

光强(所有波长)以流明计量。流明的定义表明，在555nm波长下，1瓦的单色光提供683流明的光。发光强度，以坎德拉(cd)为单位，是CIE颜色响应对光通量的应用结果，并提供了光源可见部分的测量。因此，显示强度用cd或mcd来表示对观察者有用的光输出。

什么是led ?

发光二极管(LED)是一种PN结半导体二极管，当正向偏置时发射光子。这种发光效应被称为注入电致发光，当少数载流子在二极管的带隙中与相反类型的载流子复合时，就会发生这种发光效应。发射光的波长主要因所使用的半导体材料而异，因为带隙能量随半导体而异。即使在完美晶体中，也不是所有注入的少数载流子都以一定的方式重新组合;在看似相同的二极管中，在缺陷和位错处发生的非相关重组可以产生有用发射的很大变化。这意味着，在实践中，制造的led批次被分类和分级以进行强度匹配。

led被加工成晶圆形式，类似于硅集成电路，并被分解成骰子。可见信号led的芯片尺寸通常在0.18平方毫米到0.36平方毫米之间(图3)。红外(IR) led可以更大以处理峰值功率，而用于照明的大功率led则更大。

封装最简单的LED产品是灯，或指示灯。LED指示灯的基本结构由模具、实际放置模具的引线框架和封装环氧树脂组成，封装环氧树脂包围并保护模具并分散光线(图4)。模具与导电环氧树脂粘合在引线框架一半的凹槽中，因其形状而被称为砧。在铁砧上的凹槽的形状是为了向前投射r光。模具的顶部触点是电线粘合到另一个引线框架端子，即柱子。

LED灯的机械结构决定了色散或渐变光模式。当在轴上观看时，窄的r型图案(图5)会显得非常明亮，但视角不会很宽。可以安装相同的LED芯片以提供更宽的视角，但轴上强度将降低。这种权衡是所有LED指示灯固有的，很容易被忽略。具有15°至30°视角的高亮度led是直接在操作员前面的信息面板的良好选择;宽方向指示器或汽车仪表盘可能需要120°宽的角度。

LED数字和字母数字显示结构

熟悉的7段数字显示数字实际上存在用词不当的问题，因为小数点(DP)几乎总是有第8段。不太熟悉的“星爆”字母数字显示同样被称为14段和16段数字，再次忽略DP。星爆显示提供了一种经济的方式来显示大写的完整的26个字符的罗马字母表，以及数字0到9。14段数字类型和16段数字类型之间的区别在于，顶部和底部条在16段数字上分开，从而改善了某些字符的外观(图6)。

5 x 7矩阵更加通用，能够显示大写和小写的罗马字母以及各种各样的符号。图7显示了显示质量的差异，其中比较了使用Maxim MAX6952 / MAX6953显示驱动程序的5 × 7矩阵字体映射显示的字符与使用Maxim MAX6954 / MAX6955星爆显示驱动程序的相同字体映射显示的字符。5 × 7矩阵对于CJK(中日韩)字符是不够的，而12 × 12的字体粒度通常被引用为最小分辨率。

大多数LED数字和字母数字显示数字实际上是混合的，在一个封装中安装多个LED芯片。一些非常小的显示数字(例如20世纪70年代流行的“泡沫顶部”计算器显示)是单一的。无论是数字还是字母数字显示，每个部分的形状都是由安装在LED芯片周围的反射器和光管定义的，而不是由芯片本身定义的。小型显示器在每个显示段使用一个晶片，而大型显示器可能在每个显示段使用两个或更多的晶片来有效地传播光，并在整个显示段中显示合理均匀的强度。

在制造过程中，芯片被安装在引线框架或PCB上，并用导线粘合到互连模式上。骰子是使用导电糊安装的，因为芯片衬底形成两个二极管连接之一(图8)。互连模式通常将阳极或阴极led芯片连接在一起，以减少数字所需的引脚数量。因此，显示器被称为CA(公共阳极)或CC(公共阴极)类型，集成电路显示驱动器将指定一种类型或另一种类型(图9)。

引线框架的构造方法类似于集成电路制造。框架通常是蚀刻镀银钢，提供良好的热传导和光反射。在施工过程中，形成每一段光管的反射通道都填充了环氧树脂，环氧树脂为显示屏提供了机械强度和环保性能。

成本较低的施工方法使用pcb型基板代替引线框架。以这种方式构建的显示器通常被称为“棒”类型，因为该方法通常用于构建多位数显示器，例如4位数时钟led。棒状结构允许显示器在没有环氧树脂填充的情况下建造，这节省了成本，但使显示器容易受到污染物的降解。

LED电气和光学特性

led的电学特性与其他半导体二极管相似。正向电压更高，并且不同颜色使用的各种材料不同(图10)。正向电压随电流上升，随温度下降约2mV/°C。此外，像所有半导体一样，LED必须在更高的工作温度下降额。

LED的光学性能随温度变化很大。首先，LED灯发出的光量随着结温的升高而下降。这是因为空穴和电子复合的增加对发光没有任何贡献。此外，发射波长随温度变化，主要是因为半导体的能隙随温度变化。

驱动led -静态驱动和多路驱动

驱动多个LED的最简单方法，如显示数字段，是用一个电阻或电流源设置正向电流分别驱动每个LED。这种技术被称为静态驱动，因为LED电流是连续的。当相对较少的led被驱动时，静态驱动是有用的，具有大约两个7段数字的合理限制。高效率的led可以驱动到高亮度与2mA，这是可从大多数微控制器的输出端口。

当驱动更多段时，静态驱动需要更多的驱动输出，每个LED 1个。多路复用或脉冲驱动通过一次只频闪少量的段(通常是一个完整的数字)来减少驱动器连接。频闪以足够高的重复频率进行，眼睛可以感知到连续的照明。然而，led需要更高的电流来补偿减小的占空比。

脉冲驱动的一个优点是人眼作为一个部分积分和部分峰重光度计。因此，眼睛感知到的是介于峰值和平均亮度之间的快速脉冲光。这意味着一个低占空比、高强度的光脉冲看起来比等于脉冲信号平均值的直流信号更亮。因此，在给定的平均功耗下，多路复用操作的优点是显示强度的提高。

假设结温恒定，LED的效率通常随正向电流上升。然而，情况并非总是如此。在选择最佳峰值电流时，应仔细检查(并比较)LED数据表(图11)。乘以通常可以提供1.5倍的光输出从平均驱动电流的周期，相比于等效的直流电平。

当LED驱动电流增加用于多路复用时，LED内部温度也会增加。温度升高会导致光子转换效率下降，这反过来又抵消了通过结的电流密度增加的影响。此时，增加驱动电流可以导致LED芯片的光输出小幅增加，没有变化，甚至减少。

多路复用LED数字的标准连接为每个数字的共阴极连接使用单独的引脚，而阳极在所有数字上捆绑在一起(图12)。所需的连接数为使用的每个数字一个，加上一个数字内的每个段一个。一个引脚效率更高的方案依赖于这样一个事实，即在复用操作期间，实际上只使用一个数字驱动器输出。通过使LED驱动引脚在驱动数字和段之间交替工作，n个驱动引脚可以用于驱动n个数字，每个数字有n-1个段。Maxim MAX6951 LED驱动器使用这种技术，仅用9个引脚驱动8个数字(图13)。

LED预期寿命

led的平均无故障时间(MTBF)通常在100,000到1,000,000小时之间。考虑到一年是8760或8784小时，这对于连续运行来说是很长的时间。在实际应用中，衡量LED寿命的有用方法是半衰期;当光输出下降到原来的一半时，LED就被认为已经达到了寿命的终点。

当电流流过LED结时，电流流动不均匀，导致芯片内的温差很小。这些温差对晶格施加压力，导致微小的裂缝发生。这些晶格缺陷随着使用而积累，降低了芯片的光子转换效率，从而减少了光输出。损耗率随LED材料、温度、湿度和正向电流而变化。

蓝白光led

从本质上讲，有两种技术可以从led产生白光。一种方法是在一个封装内非常接近地安装红色，绿色和蓝色die，并以正确的比例混合光输出，以实现人眼感知的白光。忽略设置正确LED驱动电平的技术问题，这种方法的问题在于三个骰子的成本。尽管如此，由于用户可以将背光颜色设置为所需的任何色调，三色led在消费者应用中很受欢迎。

最具成本效益的方法，特别是由日亚 首创，包括一个荧光粉与蓝色LED，吸收一些蓝光和荧光在第二种颜色，以实现近白光。一些早期使用这种技术的白光led显示出明显的蓝色色调，但最近的发展非常出色，可以在全彩pda和手机上看到。

直到2000年，白光led的正向电压降通常为4V至4.2V。这要求手机设计者包括一个升压DC-DC稳压器，以增加锂电池电压(通常为3.6V)来驱动led。目前生产的白光led正向电压降仅为3V至3.1V。这使得手机设计师可以直接从电池中驱动led进行背光。

led的最新应用

20世纪80年代，随着高效GaAlAs和超高效InGaAlP LED的出现，LED工艺发生了迅速变化(表2)。LED的量子效率大大提高。所有原色(RGB)都可用，其可靠性与其他显示技术一样好，甚至更好。表面贴装led现在有单色(包括白色)、双色(通常是红色和绿色)和三色格式(图15)。这些高效、超亮的led被设计在LCD面板、设备面板和室内留言板的背光中。led也被设计成手机相机闪光灯的光源。

led越来越多地被设计成户外留言板，而不是过滤白炽灯，通过将led分组足够近，使光输出合并形成典型的25毫米平方像素(图14)。这些留言板，或可变信息标志，用于广告展示和交通标志。像Daktronics这样的公司?正在将led应用到电子显示屏和广告标牌中。此外，led还被设计成广告牌/滚动信息标牌、游戏机“顶部”和游戏场渐进显示标牌。

另一个快速增长的市场是交通灯更换。白炽灯的功率在75W到150W之间，取决于尺寸(20cm或30cm)和颜色(由于所使用的红色，绿色和橙色滤光片的透射率不同)。LED交通灯的功耗约为7W至15W，每五年更换一次，而白炽灯则是每六个月更换一次。LED交通灯将为城市节省金钱、时间和关闭交通车道所需的人力，以取代白炽灯。

led的未来应用

目前超亮led的光输出超过白炽灯和卤素灯，而且不受白炽灯的维护要求(寿命最多几千小时)的限制。100瓦的白炽灯通常产生15到20流明/瓦。超亮的白光led现在可以产生20到60流明/瓦。日亚(Nichia)和Lumileds等公司正在设计超亮led，能够在暖白、冷白和商业白等风格上实现更均匀的照明。这些led有许多应用:荧光灯替代，家庭照明，汽车前照灯和圆顶照明，电视背光和手电筒，仅举几例。

标准荧光灯通常产生80流明/瓦。当这些超亮led接近这个输出水平时，它们将在未来的某个时候取代世界各地办公室里的荧光灯。这些超亮led比荧光灯污染更少，使用寿命更长。

使用PWM和其他技术很容易使led变暗。LED工艺开发人员的目标是制造一种非常高亮度的白光LED，足够经济地用于家庭照明。由于电力成本和更换灯泡的人工成本，酒店和工厂对高效率、长寿命的灯很感兴趣。

有机发光二极管(oled)可能会被设计成更多的应用:手机、大屏幕电视、笔记本显示器、汽车导航系统和广告牌。oled能产生更亮的图像，让顾客在阳光直射下也能看到手机或笔记本电脑的屏幕。在低驱动电压和电流密度下实现高亮度。

显示技术比较

对于显示技术的比较，请参阅应用说明1193，“电子显示比较”。

这篇文章的类似版本出现在2002年10月的电子工业杂志上。