CN102354481A - 基于单晶片的交流led显示阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单晶片的交流LED显示阵列。这种显示阵列完全集成在一片单晶片上，并且使用交流电供电。同时，这种交流LED显示阵列能够完全实现按位控制，具有亮度高，电能消耗少等优点。其技术方案是：由显示单元、控制线、控制端和阵列显示控制器组成，所述控制线的行控制线(2)连接到行控制端(1)上，列控制线(4)连接到列控制端(3)上，所述显示单元按点阵排列，其排列结构为任意阵列；所述显示单元有不同的电压值，不同电压显示单元结构相同，只是LED晶粒的数目减少或增加。

Description

基于单晶片的交流LED显示阵列

技术领域

本发明涉及一种基于单晶片的交流LED(发光二极管)显示阵列，这种显示阵列完全集成在一片单晶片上，并且使用交流电供电。同时，这种交流LED显示阵列能够完全实现按位控制，具有亮度高，电能消耗少等优点。

背景技术

LED显示阵列是由发光二极管按一定次序排列组成的显示器件。具有亮度高、显示寿命长、耗电低、成本低、视角和可视距离远等优点。将越来越多的应用到文字显示，标识指示等方面。

目前，LED显示阵列一般采用直流供电，这就需要将交流的市电通过转化装置转化为直流电供电。在交流电转直流电过程中，会造成严重的电能损失，且转换装置存在着体积较大、寿命较短等问题。如果采用交流直接供电将不用把交流电转化为直流电，从而减少了转化时的能量损耗，并且取消了转换装置使得显示阵列变得轻巧。

目前，很多显示阵列都是通过将单个LED组装在一起，制作过程复杂。在同一单晶片上制作二极管阵列形成显示器件，制作工艺简单，可靠性与集成性高，同时晶片上的LED性能不会存在较大差异。

经查找发现我国国内没有采用交流供电且集成于一个晶片上的LED显示阵列的报道，这种显示阵列显示亮度高，制作简单灵活，与现有显示阵列相比有着很明显的优势。

发明内容

鉴于以上问题，本发明提出了基于单晶片的交流LED显示阵列。这种显示阵列完全集成于一片单晶片上，采用交流供电，并且能够控制阵列中任意显示单元的亮灭。大大简化了制作工艺和外围驱动电路，节省了更多电能。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：

一种基于单晶片的交流LED显示阵列，由显示单元、控制线、控制端和阵列显示控制器组成，其特征在于，所述控制线的行控制线2连接到行控制端1上，列控制线4连接到列控制端3上，所述显示单元按点阵排列，其排列结构为任意阵列；所述显示单元有不同的电压值，不同电压显示单元结构相同，只是LED晶粒的数目减少或增加。

所述显示单元为单个15V显示单元时，其有四个肖特基管和三个LED晶粒组成，当交流电正半周期通过金属桥联I 7进入，经肖特基管II 8后，由金属桥联II 11连至LED晶粒III12的P区，金属桥联III13将LED晶粒III12的N区和LED晶粒II 10的P区相连，同样，金属桥联VI18将LED晶粒II 10的N区和LED晶粒I 9的P区相连，使得电流依次能够通过LED晶粒III12、LED晶粒II 10和LED晶粒I 9，金属桥联V 17将LED晶粒I 9的N区与肖特基管IV16相连，电流从肖特基管IV16流出后通过输出金属桥联IV15流入电源的另一电极；

当交流电负半周期通过时，电流经金属桥联IV15进入经过肖特基管III14，金属桥连II11将肖特基管III14和LED晶粒III12的P区相连，接着电流依次通过LED晶粒II 10和LED晶粒I 9；

金属桥联V 17将LED晶粒I 9和肖特基管I 6相连，电流从肖特基管I 6流出后经过金属桥联I 7后流至电源的另一极，这样在交流电的正负周期，LED晶粒III12、LED晶粒II 10和LED晶粒I 9均能发光。

所述显示单元中的显示单元和控制线均在一个单晶片上集成，对于单个显示单元，电流通过金属桥联VII20流入肖特基管肖特基接触电极I 21，经肖特基管U-GAN区24和肖特基管N-GAN区23后于肖特基管欧姆接触区22流出，金属桥联将肖特基管欧姆接触区22和LED的P区ITO透明电极26相连，电流依次通过LED的P区P-GAN27、量子阱28和LED的N区N-GAN29后于LED的N区电极31流出；同样，金属桥联将LED的N区电极31和右边肖特基管肖特基接触区电极II 37桥联；电流依次通过右边肖特基管U-GAN区II36和右侧肖特基管N-GAN区34，电流最终通过右边肖特基管欧姆接触区II 33经金属桥联VIII35流入电源的另一端，隔离层32保证各导线在走线时不会造成短路。

单个LED晶粒的伏安特性为：单个晶粒的导通电压为3-4V，每个显示单元中包含四个肖特基管，肖特基管上压降为4V，通过增加或减少串联LED晶粒制造不同交流电压的LED显示阵列，交流电驱动电压为9V、24V或36V。

所述阵列显示控制器39与阵列双向可控晶闸管38的控制端相连，当阵列显示控制器39无信号输出时，双向可控晶闸管38保持断路，有正信号或负信号输入时，双向可控晶闸管38双向均导通，通过阵列显示控制器39控制行和列的导通控制阵列中每一个显示单元的亮暗，实现阵列显示控制。

所述阵列显示控制采用的控制信号为标准的TTL电平信号，要点亮点阵中的任意一单元，将其所在的行控制线和列控制线加一高电平，所述阵列显示控制器39采用常用的单片机或其他器件。

通过改变在单晶片上集成显示单元的数目，制作成不同数目的交流显示阵列，包括16×16、8×16，或将这一系列显示阵列作为一个个单元串联在一起构成更大显示范围的显示阵列，多点阵控制采用随机存取RAM存储器，将每一个点阵单元对应于RAM存储器的一位，在需要控制相应点阵时，只需要将RAM空间的对应位置高电平或低电平即可。

所述基于单晶片的交流LED显示阵列，采用交流直接供电，或在控制系统中仍然采用逻辑电平控制。

本发明由于控制信号为标准的TTL电平信号，所以其控制器可以采用常用的单片机或其他器件，控制简单，同时具有良好的和其他数字控制器相连的通用性。在多点阵控制时，采用RAM随机存取存储器可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关。这种存储器还具有响应速度高等特点。也就是说将每一个点阵单元对应于RAM存储器的一位。在需要控制相应点阵时，只需要将RAM空间的对应位置高电平或低电平即可。这样的控制方法能够节省更多的控制线接口，同时控制器也不用一直扫描来控制每一位显示单元，提高了控制的可靠性。本发明基于单晶片的交流LED显示阵列，采用交流直接供电，但是在控制系统中仍然采用逻辑电平控制。这就保证了显示阵列的良好接口性，其完全能够和现有设备或芯片相兼容，扩大了其使用的范围。

附图说明

图1基于单晶的交流LED显示阵列整体图。

图2阵列中单个显示晶粒效果图。

图3肖特基管伏安特性图。

图415V单个显示单元电路原理图。

图5单个显示单元侧视效果图。

图68×8阵列整体电路原理图。

图7LED晶粒的伏安特性曲线。

图89V单个显示单元电路原理图。

图924V单个显示单元电路原理图。

图1036V单个显示单元电路原理图。

图11控制电路图。

图12双向可控晶闸管伏安特性图。

图13刻蚀单晶片示意图。

图14刻蚀出肖特基管的金属接触区示意图。

图15刻蚀出肖特基管的肖特基接触区示意图。

图16刻蚀出LED的N区电极示意图。

图17镀ITO透明电极示意图。

图18镀隔离层示意图。

图19镀LED的N区电极与肖特基管金属接触区电极示意图。

图20镀肖特基管的肖特基接触端示意图。

图21对各电极进行金属桥连示意图。

图中：1-行控制端2-行控制线3-列控制端4-列控制线5-单个15V交流LED显示单元6-肖特基管I  7-金属桥联I  8-肖特基管II  9-LED晶粒I  10-LED晶粒II  11金属桥联II  12-LED晶粒III  13-金属桥联III  14-肖特基管III  15-金属桥联IV16-肖特基管IV17-金属桥联V 18-金属桥联VI19-电源20-金属桥联VII21-肖特基管肖特基接触区电极I  22-肖特基管欧姆接触区23-肖特基管N-GAN区24-肖特基管U-GAN区I25-蓝宝石基底26-LED的P区ITO透明电极27-LED的P区P-GAN 28-量子阱29-LED的N区N-GAN 30-LED的U-GAN区31-LED的N区电极32-隔离层33-肖特基管的欧姆接触区II  34-右侧肖特基管N-GAN区35-金属桥联VIII36-肖特基管U-GAN区II37-肖特基管肖特基接触区电极II  38-双向可控晶闸管39-阵列显示控制器40-U-GAN层41-N-GAN层42-P-GAN层

具体实施方式

以下结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容及其工作过程。

参阅图1所述的结构方案。以8×8点阵为例，8根行控制线2连接到行控制端1上。8根列控制线4连接到列控制端3上。对于显示单元5，参阅图2所述，假设交流电正半周期通过金属桥联I 7进入，金属桥联I 7分别与肖特基管II 8的肖特基接触区和肖特基管I 6的欧姆接触区相连。由于当电压反向时，肖特基管处于截止状态，并且能够承受很大的反向电压，反之电压正向时则导通(参阅图3)。这就相当于肖特基管II 8处于导通状态，肖特基管I6处于截止状态。电流经肖特基管II 8肖特基接触区流入，欧姆接触区流出，经金属桥联II11连至LED晶粒III12的P区。电流经LED晶粒III12的P区流入，N区流出。金属桥联III13将LED晶粒III12的N区和LED晶粒II 10的P区相连，同样金属桥联VI18将LED晶粒II 10的N区和LED晶粒I 9的P区相连。这样使得电流依次通过这三个LED晶粒，使得三个LED均能发光。金属桥联V 17将LED晶粒I 9的N区与肖特基管IV16的肖特基接触区相连，电流从肖特基管IV16的肖特基接触区流入，欧姆接触区流出后通过输出金属桥联IV15流入电源的另一电极。同样，当交流电负半周期通过时，电流经金属桥联IV15进入，经过肖特基管III14的肖特基接触区流入欧姆接触区后通过金属桥连II 11和LED晶粒III12的P区相连，接着依次通过LED晶粒II 10和LED晶粒I 9。金属桥联V 17将LED晶粒I 9的N区和肖特基管I 6的肖特基接触区相连，电流从肖特基管I 6的肖特基接触区流入，欧姆接触区流出后经过金属桥联I 7后流至电源的另一极。这样在交流电的正负周期LED晶粒III12，LED晶粒II 10和LED晶粒I 9均能发光，提高了发光效率。其基本的原理电路图如图4所示，其中19为电源。

为了更清楚的介绍LED与肖特基管在同一单晶片上的集成方式，选取图2所述显示单元，为了叙述简单，图2中LED晶粒只选取一个。根据图5所述，单个显示单元结构为中间为一个GaN LED晶粒，两边各为一个导通工作状态下的GaN肖特基管，可见在交流电正负半周期工作时两边GaN肖特基管将不同。电流通过金属桥联VII20流入肖特基管肖特基接触电极I 21，经肖特基管U-GAN区24和肖特基管N-GAN区23后于肖特基管欧姆接触区22流出。金属桥联将肖特基管欧姆接触区22和LED的P区ITO透明电极26相连。LED的P区ITO透明电极26能保证电流均匀流入LED的P区，并确保光的透射率。电流依次通过LED的P区P-GAN27，量子阱28和LED的N区N-GAN29后于LED的N区电极31流出。同样，金属桥联将LED的N区电极31和右边肖特基管肖特基接触区电极II 37桥联。和左边肖特基管的结构一样，电流依次通过右边肖特基管U-GAN区II36和右侧肖特基管N-GAN区34。电流最终通过右边肖特基管欧姆接触区II 33经金属桥联VIII35流入电源的另一端。这里隔离层32保证各导线在走线时不会造成短路。

这样在同一单晶片上按要求集成了这样的多个显示单元，将各单元按照行和列分别连接起来，就构成了基于单晶的交流LED显示阵列。对于15V的8×8交流LED阵列的整体电路图参阅图6。

根据图7所述，单个LED晶粒的导通电压大概为3-4V。每个显示单元中包含四个肖特基管，肖特基管上压降也将为4V，这样可以通过增加或减少串联LED晶粒的方法来制造不同交流电压的LED显示阵列。9V交流电驱动时的单个显示单元电路图参阅图8，24V交流电驱动时的单个显示单元电路图参阅图9，36V交流电驱动时单个显示单元电路图参阅图10。

根据图11所述，对阵列的显示控制(8×8点阵)，行控制端1中有八个双向可控晶闸管38，晶闸管的控制端与阵列显示控制器39相连。双向可控晶闸管的伏安特性参阅图12，当阵列显示控制器39无信号输入时，双向可控晶闸管38保持断路。有正信号或负信号输入时，双向可控晶闸管38双向均导通。列控制端3和行控制端1控制方式一样。这样通过阵列显示控制器39控制行和列的导通能够准确控制阵列中每一个显示单元的亮暗，实现了阵列显示控制。也就是说，显示单元阵列就相当于一个二维平面上的节点，所处的行号和列号相当于横坐标和列坐标。要点亮点阵中的任意一单元，只需要将其所在的行控制线和列控制线加一高电平。由于控制信号为标准的TTL电平信号，所以其控制器可以采用常用的单片机或其他器件，控制简单，同时具有良好的和其他数字控制器相连的通用性。

通过改变在单晶片上集成显示单元的数目，可以制作成不同数目的交流显示阵列。比如会有16×16、8×16等。也可以将这一系列显示阵列作为一个个单元串联在一起构成更大显示范围的显示阵列。在多点阵控制中，若采用直接驱动方式将需要大量的口线，造成的控制器大量端口的浪费，降低了控制器的工作效率。这里多点阵控制时，可以采用RAM存储(随机存取存储器)的方法。RAM存储器存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关。这种存储器还具有响应速度高等特点。也就是说将每一个点阵单元对应于RAM存储器的一位。在需要控制相应点阵时，只需要将RAM空间的对应位置高电平或低电平即可。这样的控制方法能够节省更多的控制线接口，同时控制器也不用一直扫描来控制每一位显示单元，提高了控制的可靠性。

此基于单晶片的交流LED显示阵列，采用交流直接供电，但是在控制系统中仍然采用逻辑电平控制。这就保证了显示阵列的良好接口性，其完全能够和现有设备或芯片相兼容，扩大了其使用的范围。

本发明为了更加清楚的说明基于单晶的交流LED显示阵列的具体实施方式，取其中一个显示单元为例予以说明，其他显示的单元制作方法和此显示单元制作方法完全一样，并且在制作时是同步的。图13至图21是整个制作过程示意图。

根据图13所述，首先选取已分层覆盖有蓝宝石基底25，U-GAN层40，N-GAN层41，量子阱28和P-GAN层42的晶片。按照器件大小将其分为相应的区域，采用干法刻蚀，在单晶片上分立出左右两个肖特基管区，中间为LED晶粒区(参阅图13)。接着，刻蚀出两肖特基管金属接触区(参阅图14)。具体制作时刻蚀掉肖特基管上端P-GAN层42和量子阱28，使肖特基管顶端N-GAN层41露出。完成上一步后，刻蚀出肖特基管肖特基接触区，其方法是在两肖特基管四周分别切去N-GAN层41，并将U-GAN层40切去一小层(参阅图15)。刻蚀出肖特基管肖特基接触区后，刻蚀出LED的N区电极区。在LED器件的右边刻蚀去一小部分P-GAN层42和量子阱层28，同时去除一小层N-GAN区41(参阅图16)。完成以上步骤后，在LED的P区采用电子书蒸镀和湿法刻蚀的方法镀LED的P区ITO透明电极26，并进行高温退火(参阅图17)。接着，对器件蒸镀隔离层32，隔离层32区域参阅图18。采用磁控溅射的方法，将不用镀电极的区域全部蒸镀上二氧化硅，这里不用蒸镀的区域包括LED的P区和N区电极部分，肖特基管的欧姆接触区，肖特基接触区的四分之三。肖特基管肖特基接触区的四分之一将被涂上隔离层，以方便后面制作步骤桥连时走线。镀完隔离层32后，采用热蒸镀分方法，蒸镀肖特基管欧姆接触区I 22，肖特基管欧姆接触区II 33和LED的N区电极31(参阅图19)。接着，镀肖特基管肖特基接触区电极I 21和肖特基管肖特基接触区电极II 37(参阅图20)，完成这一步之后将按照设定的电路图对各电极进行桥联，桥联结构参阅图21。也就是将金属桥联VII20和金属桥连VIII35分别接入显示阵列的行控制线2和列控制线4上，根据图21所述，左边肖特基管欧姆接触区22和LED的P区ITO透明电极26相连，将LED的N区电极31和右边肖特基管肖特基接触区电极II 37相连。

至此，完成了基于单晶的交流LED显示阵列的制作。在这里所有的显示阵列的显示单元是同步制作出来的，也就是说他们是集成在同一个单晶片上。

完成单晶片上的制作后，将显示阵列各行和列控制线与行控制端和列控制端连接起来。接着根据显示阵列的规模配备相应的阵列显示控制器39，阵列显示控制器39配备遵循控制可靠，接口方便等原则。这样就完成了基于单晶片的交流LED显示阵列的制作。

Claims (8)

1.一种基于单晶片的交流LED显示阵列，由显示单元、控制线、控制端和阵列显示控制器组成，其特征在于，所述控制线的行控制线(2)连接到行控制端(1)上，列控制线(4)连接到列控制端(3)上，所述显示单元按点阵排列，其排列结构为任意阵列；所述显示单元有不同的电压值，不同电压显示单元结构相同，只是LED晶粒的数目减少或增加。

2.根据权利要求1所述的一种基于单晶片的交流LED显示阵列，其特征在于，所述显示单元为单个15V显示单元时，其有四个肖特基管和三个LED晶粒组成，当交流电正半周期通过金属桥联I(7)进入，经肖特基管II(8)后，由金属桥联II(11)连至LED晶粒III(12)的P区，金属桥联III(13)将LED晶粒III(12)的N区和LED晶粒II(10)的P区相连，同样，金属桥联VI(18)将LED晶粒II(10)的N区和LED晶粒I(9)的P区相连，使得电流依次能够通过LED晶粒III(12)、LED晶粒II(10)和LED晶粒I(9)，金属桥联V(17)将LED晶粒I(9)的N区与肖特基管IV(16)相连，电流从肖特基管IV(16)流出后通过输出金属桥联IV(15)流入电源的另一电极；

当交流电负半周期通过时，电流经金属桥联IV(15)进入经过肖特基管III(14)，金属桥连II(11)将肖特基管III(14)和LED晶粒III(12)的P区相连，接着电流依次通过LED晶粒II(10)和LED晶粒I(9)；

金属桥联V(17)将LED晶粒I(9)和肖特基管I(6)相连，电流从肖特基管I(6)流出后经过金属桥联I(7)后流至电源的另一极，这样在交流电的正负周期，LED晶粒III(12)、LED晶粒II(10)和LED晶粒I(9)均能发光。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于单晶片的交流LED显示阵列，其特征在于，所述显示单元中的显示单元和控制线均在一个单晶片上集成，对于单个显示单元，电流通过金属桥联VII(20)流入肖特基管肖特基接触电极I(21)，经肖特基管U-GAN区(24)和肖特基管N-GAN区(23)后于肖特基管欧姆接触区(22)流出，金属桥联将肖特基管欧姆接触区(22)和LED的P区ITO透明电极(26)相连，电流依次通过LED的P区P-GAN(27)、量子阱(28)和LED的N区N-GAN(29)后于LED的N区电极(31)流出；同样，金属桥联将LED的N区电极(31)和右边肖特基管肖特基接触区电极II(37)桥联；电流依次通过右边肖特基管U-GAN区II(36)和右侧肖特基管N-GAN区(34)，电流最终通过右边肖特基管欧姆接触区II(33)经金属桥联VIII(35)流入电源的另一端，隔离层(32)保证各导线在走线时不会造成短路。

4.根据权利要求1所述的一种基于单晶片的交流LED显示阵列，其特征在于，单个LED晶粒的伏安特性为：单个晶粒的导通电压为3-4V，每个显示单元中包含四个肖特基管，肖特基管上压降为4V，通过增加或减少串联LED晶粒制造不同交流电压的LED显示阵列，交流电驱动电压为9V、24V或36V。

5.根据权利要求1所述的一种基于单晶片的交流LED显示阵列，其特征在于，所述阵列显示控制器(39)与阵列双向可控晶闸管(38)的控制端相连，当阵列显示控制器(39)无信号输出时，双向可控晶闸管(38)保持断路，有正信号或负信号输入时，双向可控晶闸管(38)双向均导通，通过阵列显示控制器(39)控制行和列的导通控制阵列中每一个显示单元的亮暗，实现阵列显示控制。

6.根据权利要求5所述的一种基于单晶片的交流LED显示阵列，其特征在于，所述阵列显示控制采用的控制信号为标准的TTL电平信号，要点亮点阵中的任意一单元，将其所在的行控制线和列控制线加一高电平，所述阵列显示控制器(39)采用常用的单片机或其他器件。

7.根据权利要求1所述的一种基于单晶片的交流LED显示阵列，其特征在于，通过改变在单晶片上集成显示单元的数目，制作成不同数目的交流显示阵列，包括16×16、8×16，或将这一系列显示阵列作为一个个单元串联在一起构成更大显示范围的显示阵列，多点阵控制采用随机存取RAM存储器，将每一个点阵单元对应于RAM存储器的一位，在需要控制相应点阵时，只需要将RAM空间的对应位置高电平或低电平即可。

8.根据权利要求1所述的一种基于单晶片的交流LED显示阵列，其特征在于，所述基于单晶片的交流LED显示阵列，采用交流直接供电，或在控制系统中仍然采用逻辑电平控制。

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