Wykład VIII LIGHT EMITTING DIODE – LED

Absorpcja światła w półprzewodnikach

Dioda LED Ge Si GaAs

Dopasowanie sieciowe

Dopasowanie sieciowe TU Dresden 09.12.2010

Dioda LED – diagram pasmowy

Polaryzacja LED

Izolator optyczny

Wyświetlacz LED

Ga P As GaAs(1-x) Px

GaAs(1-x) Px GaAs(1-x) Px –związek półprz. na bazie GaAs i GaP GaAs –prosta przerwa , GaP -skośna Kryształ mieszany GaAs(1-x) Px –przejście prosta-skośna dla x=0.45-0.5 LED czerwone, pomarańczowe i żółte są wykonywane z GaAs(1-x) Px

x = 0.45  przejście skośna - prosta System GaAs(1-x) Px x = 0.45  przejście skośna - prosta

GaP - skośna, ale w krysztale mieszanym z GaAs –prosta dla x = 0.45 GaAs+GaP = GaAs (1-x)Px Czułość oka eV  GaP = 2.26eV 1.997eV GaAs = 1.42eV GaP - skośna, ale w krysztale mieszanym z GaAs –prosta dla x = 0.45 skośna ----------- > prosta GaAs (1-x) Px

GaAs(1-x) Px domieszkowany N skośna  brak przejść promienistych skośna GaAs(1-x) Px – przejścia promieniste po dodaniu N wydajność kwantowa rośnie ~ 100 razy długośc fali emitowanej rośnie Wydajność kwantowa = ilość emitowanych fotonów w jednostce czasu/ ilość dostarczanych elektronów w jednostce czasu Jak wydajna jest rekombinacja par e-h?

Domieszka izoelektronowa i relacja nieoznaczoności Heisenberga (N +GaAsP) N ma tę samą walencyjność co P i As N może zastąpić w sieci GaAsP P lub As. N i P ma tę sama liczbę elektronów walencyjnych ale inną strukturę rdzenia N powoduje zaburzenie potencjału – wprowadza studnię potencjału Pojawia się dodatkowy poziom pułapkowy poniżej pasma przewodnictwa Elektron może zostać spułapkowany na ten poziom Dziura może zostać spułapkowana tak, że utworzy się para e-h (ekscyton) Nośniki są zlokalizowane, pseudopęd i wektor falowy – zdelokalizowane ze względu na relację nieoznaczoności Heisenberga

N w GaAsP bez N N wprowadza zaburzenie VB CB ED Eg bez N N wprowadza zaburzenie Domieszkowanie powoduje wzrost wydajności kwantowej i przesunięcie długości emitowanej fali w stronę fal dłuższych (energia przejścia jest mniejsza: Eg - Ed<Eg) e „wpada” do pułapki i tworzy ekscyton

Zasada nieoznaczoności Heisenberga   E h K

Diagram pasmowy Domieszkowana N – wydajność luminescencji rośnie Prosta przerwa GaAs Prosta-skośna Skośna przerwa GaP zawartość GaP % czerwony foton zielony foton Domieszkowana N – wydajność luminescencji rośnie

Wydajność kwantowa

IR & Red LED GaAs  prosta przerwa, złącza p-n o wysokiej wydajności luminescencji poprzez domieszkowanie Zn lub Si ( GaAs: Si diody LED na bliska podczerwień). GaAsP  prosta-skośna GaInAsP  epitaksja na InP ; przerwa może być zmieniana tak, że długość fali można zmieniać od 919nm do 1600nm

LED na zakres widzialny GaAsP / GaAs 655nm / czerwona GaP 568nm / jasno zielona GaP 700nm / jasno czerwona GaAsP / GaP 610nm / bursztynowa GaP 555nm / zielona GaAsP / GaP 655nm czerwona o wysokiej wydajności GaAlAs / GaAs 660nm / czerwona InGaAsP 574nm / zielona InGaAsP 620nm / pomarańczowa  InGaAsP 595nm / zółta

Azotki i niebieskie LED Trudności: Znaleźć odpowiednie podłoża Otrzymać azotki typu p GaN, InGaN, AlGaN  diody LED o wysokiej wydajności (niebieskie/zielone) Pierwsza niebieska dioda LED 1994 Shuji & Nakamura (czas życia 10 000 gdozin) SiC jest także stosowany na niebieskie LED - (SiC na podłożu GaN)

Ewolucja wydajności luminescencji 26

Spektralne charakterystyki LED i czułość oka TU Dresden 09.12.2010 CIE - INTERNATIONAL COMMISSION ON ILLUMINATION 27

Band offset AIN/GaN(0001) Referencje ΔEc = 2.0 eV Martin et al. (1996) Wurtzite GaN  AIN/GaN(0001) Referencje ΔEc = 2.0 eV Martin et al. (1996) ΔEv = 0.7 eV   InN/GaN ΔEc = 0.43 eV ΔEv = 1.0 eV

GaN: Struktura niebieskiej LED                                                                                               TU Dresden 09.12.2010 29

Niebieska LED Zastosowanie: Płaskie ekrany (R,G,B – B) Drukarki o wysokiej rozdzielczości Telekomunikacja

GaN LED TU Dresden 09.12.2010 31

UV-LED – diody do kalibracji, detektory UV etc. UV-LED na bazie GaN UV-LED – diody do kalibracji, detektory UV etc.

Niebieskie i fioletowe LED + fosfor i biała LED Białe diody LED są wydajniejsze niż 100W żarówka. Czas życia >10 000 h. Żarówka 100W zwykle pracuje ~ 750-1500 h.

Generacja białych diod LED: konwersja przy użyciu fosforów i mieszania barw RGB 34

Selenki Grupa II-VI (ZnSe, ZnO) ZnSe – niebieskie i zielone diody i laser; problem z podłożem GaAs i GaN można stosować na podłoża dla ZnSe (stała sieci dla GaAs = 5.6Å i dla ZnSe = 5.5Å) Krótki czas życia

Kryształ ZnSeTe LED zielone i niebieskie Selenki- przerwa vs stała sieci Kryształ ZnSeTe LED zielone i niebieskie

Fotoefekt Zielona dioda świecąca jest jednocześnie fotodiodą czułą na światło zielone (lub mające większą energię – niebieskie i fioletowe)