6. Emisja światła, diody LED i lasery polprzewodnikowe

Transkrypt

1 6. Emisja światła, diody LED i lasery polprzewodnikowe Typy rekombinacji Rekombinacja promienista Diody LED Lasery półprzewodnikowe Struktury niskowymiarowe OLEDy 1

2 Promieniowanie termiczne Rozkład Plancka E λ (λ,t) [W m 3 sr 1 ] równowaga termodynamiczna 2

3 Luminescencja - proces rekombinacji promienistej warunek stan nierównowagowy Wzbudzenie katodoluminescencja (strumień elektronów) elektroluminescencja (prąd elektryczny) fotoluminescencja (światło) fluorescencja (ns) fosforescencja (µs, ms) 3

4 Rodzaje rekombinacji Rekombinacja promienista (czas życia τ R ) E 1 τ = 1 τ R + 1 τ NR Rekombinacja niepromienista (czas życia τ NR ) 4

5 Rekombinacja promienista międzypasmowa przejścia proste przejścia skośne R(skośne) 0.01R(proste) widmo fotoemisji w porównaniu do widma absorpcji 5

6 Rekombinacja promienista cd akceptor- pasmo, donor-pasmo oraz donor-akceptor Domieszki izoelektronowe W materiałach o przerwie skośnej -przejścia proste o energii bliskiej skośnej przerwie energetycznej z poziomów domieszek izoelektronowych (np.: GaP:N) 6

7 Rekombinacja niepromienista rekombinacja niepromienista z udziałem stanów rekombinacyjnych rekombinacja niepromienista bezpośrednia pasmo-pasmo (Auger a) Energia rekombinującego elektronu jest przekazywana bezpośrednio innemu elektronowi w p. przew. szybkość rekombinacji Auger R A = Cn 2 p (rośnie w wysokich temp i dla małych E g ) 7

8 Elektroluminescencja η = P R PR + P NR = 1+ 1 τ τ R NR wydajność zależy od τ NR 8

9 Diody LED Schemat podwójnej heterostruktury 9

10 Typowe materiały stosowane w LEDach λmax [nm] warstwa aktywna rodzaj przejść ziel/nieb InGaN/GaN proste 565 ziel GaP:N skośne 590 żółte GaAs 0.15 P 0.85 :N skośne żółto-pom. AlInGaP proste 610 pom. GaAs 0.25 P 0.75 :N skośne 630 pom.-czerw. GaAs 0.35 P 0.65 :N skośne 650 czerw. GaAs 0.6 P 0.4 proste 680 czerw. Al Ga 0.65 As proste 700 czerw. GaP:Zn-O skośne 850 Al 0.03 Ga 0.97 As proste 860 GaAs proste 1300 In 076 Ga 0.24 As 0.55 P 0.45 proste 1550 In 066 Ga 0.35 As 0.79 P 0.21 proste 10

11 Białe LED diody niebieskie: ZnSe SiC:Al. GaN/GaInN Białe LED niebieski LED + luminofor LED obniżenie mocy o 30% po 10 5 godzin żarówka czas życia 1000 godz. 11

12 Emisja spontaniczna a emisja wymuszona Inwersja obsadzeń Prawdopodobieństwo emisji wymuszonej Światło spójne r stim ~ n phot x konc. el w paśmie przew. x konc. dziur w paśmie walenc. r stim +r sp =r abs - stan równowagi Warunek dominacji emisji wymuszonej: r stim >r abs 12

13 Lasery półprzewodnikowe warunki dla dominacji emisji wymuszonej inwersja obsadzeń rezonator optyczny L fala stojąca mλ = 2L, m =1,2... rezonator optyczny próg dla akcji laserowej 13

14 Studnia kwantowa AlGaAs/GaAs w laserach półprzewodnikowych: dozwolone poziomy energetyczne zależą od wymiaru studni można dopasować emitowaną długość fali mniejsza gęstość stanów w studni kwantowej mniejszy prąd progowy niezbędny dla uzyskania inwersji obsadzeń 14

15 Kwantowy laser kaskadowy single quantum well multiple quantum well tunelowanie elektronów między kolejnymi studniami jeden elektron powoduje emisję kolejnych fotonów InGaAs/InAlAs na podłożu InP GaAs/AlGaAs, InGaAs/AlAsSb 15

16 Kropki kwantowe elektron w pudełku poziomy energetyczne zależą od wymiaru pudełka 16

17 Kropki kwantowe QD LED 17

18 Plastikowa elektronika 1912 Nobel dla Dalana za acetylen 1963 Nobel dla Zieglera i Natty za polimeryzację etylenu i propylenu 1974 Shirakawa - otrzymanie czystych izomerów poliacetylenu 1977 domieszkowanie polietylenu (Shirakawa, MacDarmid i Heeger) 2000 Nobel dla Shirakawy, MacDarmida i Heegera 18

19 Plastikowa elektronika Sprzężone (p-conjugated) polimery Domieszkowanie polimerów Utlenianie (p-doping): [CH] n + 3x/2 I 2 --> [CH] x+ n + x I - 3 (J, F, Br) Redukcja (n-doping): [CH] n + x Na --> [CH] x- n + x Na + (Na, Li, K) 19

20 Przerwa energetyczna w polimerach przerwa energetyczna w materiałach organiczych: E = E LUMO - E HOMO lowest unoccupied molecular orbital highest occupied molecular orbital 20

21 PLED (polymer light-emitting diode) i OLED (organic light emitting diode Mała praca wyjścia Duża praca wyjścia 21

22 LEDy - postęp w wydajności 22

23 23