Електролюмінісценція

4. Електролюмінісценція

Світіння порошкоподібного сульфіду цинку у змінному електричному полі було вперше виявлене в 1936 р. і одержало назву ефекту Дестріо. Цей ефект спостерігається у так званих кристалофосфорах – напівпровідниках з широкою забороненою зоною, в які вводяться домішки (активатори), що мають роль центрів випромінювання. У якості головного матеріалу частіш за все використовують сульфід цинку (ZnS) з шириною забороненої зони 3,7 еВ, селенід цинку (ZnSe) та змішані сполуки: сульфід-селенід цинку (ZnSSe), сульфід-селенід цинку-кадмію (Zn, Cd)(S, Se). У якості активатору використовують мідь (Cu), марганець (Mn), срібло (Ag), золото (Au), ртуть (Hg), рідкоземельні елементи - тербій (Tb), ербій (Er), празеодим (Pr), тулій (Tм) та ін.

Електролюмінофор складається з виваженого у діелектрику порошкового кристалофосфора з розмірами зерен біля 5-10 мкм, або це однорідна плівка товщиною 0,3-1,0 мкм. Люмінесценція виникає в мікроскопічних потенційних бар’єрах в зернах люмінофору на границях сульфіда цинку та зерен сульфіду міді та ін.

Спектральні характеристики випромінювання визначаються хімічним складом люмінофору, типом активатора та соактиватора. При використанні сульфіду цинку можна одержати випромінювання в діапазоні від 450 нм (синій колір) до 600 нм (помаранчевий колір). В якості активатора в ZnS-люмінофорах звичайно використовують мідь у кількості від 0,05 до 0,2 вагових процентів, що дозволяє змінювати колір від синього до зеленого. Введення 1% марганцю дозволяє одержати помаранчевий та жовтий кольори. При легіруванні ZnS тулієм одержують блакитне випромінювання, тербієм – зелене, ербієм – червоне, празеодимом – біле.

Електролюмінісцентні дисплеї можуть компонуватись з різнокольорових об’єктів і створювати дисплеї розміром у багато квадратних метрів.

На рис.14 показані схеми електролюмінісцентних випромінювачів порошкового типу (а) та плівкового типу (б).

Рис.14. а) схема електролюмінісцентного випромінювача порошкового типу; б) плівкового типу.

На цих рисунках: 1 – скло; 2 – прозорий провідний шар; 3 – порошковий люмінофор; 4 – відбиваючий шар; 5 – металічний електрод; 6, 8 діелектричні плівки, 7 – плівковий люмінофор. Товщина шару 3, що містить зерна порошкового люмінофору, складає 50-80 мкм. У якості зв’язуючого діелектрика використовується легкоплавке скло, органічні та епоксидні лаки та інші речовини, що прозорі, мають високу пробивну напругу, хімічно інертні до кристалофосфору та вологостійкі. Непрозорим металевим електродом є шар алюмінію або сталевий підшарок. В електричному відношенні ця структура є конденсатором.

Електролюмінісцентні індикатори бувають 7-сегментні (типу ИТЭЛ). Вони випускаються червоного, зеленого, жовтого і блакитного кольорів, мають яскравість від 15 до 100 кд/м², робочу напругу 160-240 В, працюють на частотах або 400 Гц, або 2...3 кГц. 35-елементні індикатори типу ЗЭЛ випускаються зеленого кольору, мають яскравість 20-25 кд/м², робочу напругу 200...250 В, робочу частоту 400...1000 Гц.

Мнемонічні індикатори випускаються, наприклад, у вигляді 100-200 елементів різного кольору, мають яскравість 10-25 кд/м², робочу напругу 200...240 В, робочу частоту 1000-1300 Гц.

Інжекційна люмінесценція

Інжекційна люмінесценція – світіння напівпровідника поблизу p-n переходу, включеного у прямому напрямку. Основними стадіями процесу є інжекція неголовних носіїв заряду через p-n перехід та їх випромінювальна рекомбінація з головними носіями.

У стані рівноваги, коли до p-n переходу не прикладена зовнішня напруга, концентрації носіїв заряду у р-зоні та n-зоні сталі, бо розділені потенційним бар’єром еUc, де е – заряд електрону, Uc – контактна різниця потенціалів . Зонна діаграма p-n переходу у стані термодинамічної рівноваги показана на рис.15,а, а при зміщенні – на рис.15,б.

Рис.1 Зонна діаграма p-n переходу: а) у стані термодинамічної рівноваги; б) при зміщенні.

У випадку рис.15,а електрони та дірки не можуть рекомбінувати одні з іншими, бо не зможуть подолати потенційний бар’єр. Якшо прикласти зовнішню напругу (рис.15,б), то термодинамічна рівновага порушується, виникає струм електронів в одну сторону переходу і дірок – у протилежну. рекомбінація електронів і дірок призводить до виникнення фотонів світла, а значить до випромінювання.

Світлодіоди

Перші джерела випромінювання на основі інжекційної люмінесценції (світлодіоди) з’явились у 1960-х роках. Перевагами світло діодів є простота модуляції, висока швидкодія, малі напруги живлення, надійність, мініатюрність. Довжина хвилі випромінювання світлодіода залежить від ширини забороненої зони напівпровідника та легуючими домішками. У табл. 2 наведені основні типи речовин, що використовуються у сучасних світлодіодах.

Таблиця 2. Основні типи речовин у сучасних світлодіодах

Речовина	Довжина хвилі, нм	Квантовий вихід, %	Колір свічення
InGaAsP InGaAsP GaAs:Si GaAs:Zn GaP:Zn,O GaAsP AlGaAsP GaAsP:N AlInGaP GaP:N GaAsP:N AlInGaP AlInGaP GaP:N GaP:N InGaN ZnTeSe GaN ZnCdSe SiC InGaN	1550 1300 950 900 700 700 650 630 620 590 590 585 570 565 550 514 512 490 489 470 450	3-8 3-8 12 2 2-4 0,2 16 0,2-0,3 6 0,1 0,12 5 1 0,4 0,7 2,6 5,3 0,003 1,3 0,03 3,8	Інфрачервоний Інфрачервоний Інфрачервоний Інфрачервоний Червоний Червоний Червоний Червоний Червоно-помаранчевий Помаранчевий Помаранчевий Помаранчево-жовтий Жовтий Жовтий Жовто-зелений Зелений Зелений Блакитний Блакитний Синій Синє-фіолетовий

Ширина спектру випромінювання залежить від механізму випромінювальної рекомбінації. Для випромінювачів на AlGaAs ширина спектру складає 30-45 нм, для світлодіодів на InGaAsP – 100-110 нм.

Зовнішній квантовий вихід випромінювання світлодіодів завжди менше за внутрішній, бо з кристалу може вийти лише частина фотонів, що виникла при рекомбінації. Повне внутрішнє відбиття призводить до того, що з кристалу може вийти тільки та частина випромінювання, яка падає на його поверхню в деякій зоні кутів. Наприклад для GaP показник переломлення n=3,3, а кут q=17,7°. В цих умовах через пласку поверхню (рис.16,а) може вийти лише 2% світла, що випромінюється p-n переходом.

Рис.16. Конструкції світло діодів: а) пласка; б) p-n перехід на мезі; в) з напівсферою; г) з пластмасовою лінзою.

На цьому рисунку: а – плаский кристал, б – мезаструктура, в – полу сферичний кристал, г – структура з лінзою; 1 – напівпровідник, 2 – p-n перехід, 3 – металічний контакт, 4 – пластмасова лінза. Функцію виходу можна підвищити, розміщуючи p-n перехід на так званій мезі – столоподібному виступі діаметром 0,1-0,2 мм (рис.16,б). Частина випромінювання відбивається від бокових граней та спадає на бокову поверхню під кутами, близькими до нормальних. Це дозволяє підвищити вихід випромінювання у 2-3 рази. Приблизно на порядок підвищується зовнішній квантовий вихід у світлодіодах, виконаних у вигляді напівсфери (рис.16,в), або споряджених пластмасовою лінзою (рис.16,г), оскільки повне внутрішнє відбиття в них практично виключається. Вихід можна підвищити ще приблизно у 1,5 рази, наносячи на поверхню просвітлюючи покриття, наприклад, плівки SiO, SiO₂, Si₃N₄ тощо.

Кутове розходження випромінювання світло діодів сильно залежить від їх геометрії і по рівню половинної інтенсивності приймає значення від 10 до 180° 9типові значення 50-60°).

По способу виведення випромінювання світлодіоди поділяються на поверхневі та торцеві (рис.17, де 1 – металічний контакт, 2 – підшарок n-GaAs, 3 – емітер N-AlGaAs, 4 – активний шар p-GaAs. 5 – емітер P-AlGaAs, 6 p⁺-GaAs, 7 – ізолятор SiO₂, 8 – тепловідвід, 9 – випромінювання, 10 – оптичне волокно, 11 – епоксидна смола, 12 – металічний контакт, 13 – підшарок n GaAs, 14 – емітер N-AlGaAs, 15 – активний шар n-GaAs, 16 – емітер P AlGaAs, 17 – p^—GaAs, 18 – ізолятор SiO₂, 19 – тепловідвід, 20 – випромінювання).

Рис.17. Світло діоди: а) поверхневі; б) торцові.

У світлодіодах з поверхневим випромінюванням (рис.17,а) світло виводиться нормально до поверхні p-n переходу. Одна зі сторін кристалу притискається до тепловідводу, а випромінювання виводиться в оптичне волокно через отвір у підшарку. Зовнішній квантовий вихід у таких світло діодів складає 2-3%.

У торцевих світлодіодах (рис.17,б) випромінювання виводиться паралельно площині p-n переходу. Світло, розповсюджуючись уздовж активного шару має сильне самопоглинання, тому зовнішній квантовий вихід у торцевих світлодіодах нижче (0,5-1%). Але яскравість торцевих світло діодів приблизно у 5-10 разів вища за поверхневі.

Типи світлодіодних структур

Одиночні світлодіоди працюють у діапазонах інфрачервоного та видимого світла, хоча у останній час з’явились повідомлення про створення ультрафіолетових світлодіодів.

По конструкції вони поділяються на світлодіоди з поверхневим монтажем (рис.18,а), світлодіоди для монтажу скрізь отвори (по англійськи through hole) – рис.18, б та світлодіодні лампи – рис.18,в.

а)

б)

в)

Рис.18. Конструкції світло діодів: а) для поверхневого монтажу; б) для монтажу крізь отвори; в) світлодіодні лампи.

По формі перерізу світлодіоди можуть бути круглими, прямокутними, трикутними та ін. Вони використовуються у колах індикації різних приладів. У останній час з’явились світло діоди повищенної яскравості (так звані „суперяскраві світлодіоди”). За останніми даними яскравість одного світлодіода може складати до 25 кандел. Такі світлодіоди використовують у світлофорах, зовнішньому оздобленні архітектурних конструкцій і навіть для освітлювальних приладів.

Виготовляють також двох- або трьохкольорові світлодіоди, які складаються з окремих світлодіодів, але підбором струмів світлодіодів можна одержати цілу гаму різних кольорів.

Шкальні індикатори – прилади, в яких світлодіоди розміщуються у вигляді послідовних смужок. Вони використовуються для індикації рівня сигналу в аудіо- та відео апаратурі. Можливі режими поодинокого світіння світлодіоду у смужці, коли номер світлодіоду характеризує рівень сигналу, але частіше використовується режим, коли світиться ряд світлодіодів, чим більше їх світиться, тим більше рівень сигналу. Приклад конструкції шкального індикатору показаний на рис.19.

 

Рис.19. Конструкція шкального індикатору

Для стереоапаратури виготовляють шкальні індикатори з двома смужками світлодіодів, як правило, різних кольорів.

Різновидністю шкальних індикаторів є так звані „кластери”, в яких світлодіоди розташовують у круглій обіймі. Тут також кількість світлодіодів, що горить, показує рівень сигналу, але є інші варіанти використання. На рис.20 показана структура кластера.

Рис.20. Структура кластеру.

У склад кластерів можуть входити світлодіоди різних кольорів (наприклад, червоного, зеленого та синього) та в різній кількості (від 18 до 50).

Цифро-буквенні світлодіодні індикатори

Це звичайно інтегральна мікросхема зі світлодіодних структур (у вигляді сегментів, або точкових елементів) та необхідних електричних з’єднань. Сегменти або смужки зі світлодіодів розташовують так, щоб за допомогою комбінаційного збудження одержати зображення букв або цифр. По кількості сегментів бувають 7, 8, 14, 17-сегментні індикатори, а також індикатори матричного типу з 35 точками (матриця 5х7 елементів). По кількості розрядів можуть бути одно розрядні та багаторозрядні індикатори.

На рис.21 показане розміщення сегментів на 8-сегментному індикаторі.

Рис.21. Восьмисегментний індикатор

Сім сегментів (a, b, c, d, e, f, g) використовуються для утворення зображення цифри, восьмий сегмент (DP) – точка. Такі індикатори випускають з розмірами цифри від 5 до 80 мм. Одиночні індикатори об’єднують в групи по 2, 3, 4 та більше цифр.

Для зображення цифр та букв необхідно мати більше сегментів. На рис.22 показана конфігурація 17-сегментного індикатора фірми Sharlight.

Рис.22. 17 – сегментний індикатор.

При такій кількості сегментів можна зобразити окрім цифр, усі букви європейських язиків та допоміжні знаки. Звичайно, керувати таким індикатором набагато важче, ніж 7 або 8-сегментним.

Матричні індикатори – матриці з одиночних світлодіодів, розміщені у вигляді прямокутної матриці з К рядів та Р колонок. Звичайно, така матриця має конструкцію 7х5, або 35 точок, хоча є матриці 4х4 та 8х8. Схема такої матриці показана на рис.23. Матриця складається з КхР світлодіодів, анод кожного світло діода підключений до шини колонки, а катод – до шини ряду. Він запалиться лише коли на відповідну колонку подати напругу живлення, а ряд замкнути на землю. Тому світлодіоди у матриці можна запалювати тільки по черзі, перебираючи усі КхР положень і включаючи тільки ті, що потрібні для формування заданого знаку.

Рис.23. Схема матричного індикатору.

Розрахунок драйвера світлодіодів

При розробці драйверів для світлодіодів, шкальних індикаторів, семисегментних та інших дисплеїв необхідно досягти оптимального світлового виходу. розсіювання потужності надійності і можливо більшого строку експлуатації. параметри кожного світлодіодного приладу наведені в листах даних (максимально допустимі параметри, оптичні та електричні параметри).

Вихідними критеріями є максимальний струм драйвера і максимальна температура переходу у світлодіоді. Остання є різницею між зовнішньою температурою і температурою переходу Tjmax. Ця різниця визначається як добуток розсіюваної потужності P_D та термічного опору переходу R_L: ΔТ = P_D R_L. Дані по термічному опору світло діодів та індикаторів наводяться у листах даних. Важливо не доводити світлодіоди та індикатори до граничної температури переходу.

На рис.24 показана типова вольт-амперна характеристика світло діоду (по горизонталі – пряме падіння напруги, по вертикалі – прямий струм.

Рис.24. Типова вольт-амперна характеристика світлодіоду.

Розсіювана потужність визначається як добуток прямого струму на падіння напруги. Розрахунок інтенсивності освітлення при температурі +25°С може бути поширений на будь-яку температуру за допомогою рівняння:

Imax(T°) = Imax(+25°C)exp[k(T-25°C)],

де коефіцієнт k може бути визначений по табл.3.

Таблиця 3. Температурний коефіцієнт світлодіоду

Тип світлодіода	k/°C
Стандартний червоний	-0,0188
Високоефективний червоний	-0,0131
Жовтий	-0,0112
Зелений	-0,0104
DH AlGaAs	-0,0095
TS AlGaAs	-0,0130
AlInGaP	-0,0100
TS AlInGaP	-0,0100

Приклад розрахунку

Схема драйвера наведена на рис.2

Рис.2 Електрична схема драйвера

У схемі рис.25 можуть бути різні типи світло діодів. різна їх кількість, різна напруга живлення Uп. Потрібно визначити номінал баластного резистора R2 та його потужність. Порядок розрахунку наступний. Визначимо тип світлодіода, температуру зовнішнього середовища.

Шаг 1. Термічний опір світлодіода за листом даних, наприклад, 260°С/Вт. Визначимо загальний термічний опір як 500°С/Вт. Тоді на кріплення світло діода прийдеться Rh = 500-260 = 240(°C/Вт). На рис.26 представлені графіки залежності максимального струму для даного світлодіода від зовнішньої температури та допустимої потужності розсіяння.

Рис.26. Залежність максимального струму від зовнішньої температури

Шаг 2. За рис.26 по суцільній лінії визначимо, що при температурі 60°С максимально допустимий струм складає 42 мА.

Шаг 3. По вольтамперній характеристиці рис.24 визначаємо, що при струмі 42 мА падіння напруги на світло діоді дорівнює U=2,52 В. Звідси розсіювана потужність складає Р=2,52·0,042=0,106 Вт. Тоді температура переходу: Tj = +60°C +0,106·500 = 113°C, що вище допустимої по листу даних (+110°С). Тому знизимо струм до 35 мА, по характеристиці знайдемо U=2,4 В, розсіювана потужність дорівнює 0,084 Вт, температура переходу +102°С, що вже допустимо.

Шаг 4. Розрахуємо баластний резистор. Наприклад напруга джерела живлення +5 В, напруга насичення транзистора 0,1 В, тоді

R2 = (5 – 0,1 -2,4)/0,035 = 71,43 Ом.

Найближчий зверху номінал дорівнює 75 Ом. Потужність резистора при струмі 35 мА складає 0,092 Вт. Необхідно мати хоча б дворазовий запас по потужності. тому вибираємо потужність резистора 0,25 Вт.

6. Органічні світлодіоди

У 1987 р. Чин Тан та Стівен Ван з Eastmen Kodak одержали випромінювання світла з двохшарової органічної структури, що нагадувала p-n перехід. Вони використовували деякі органічні фарби, подібні до ксерографічних матеріалів і одержали ефективність 1%. У 1990 р. дослідники з Кембриджського університету в Англії одержали подібний ефект в полімерній тонкій плівці, що складалась з поліпаравінілена. Теорія роботи таких з’єднань досить складна. Прикладена зовнішня напруга переміщує електрони і дірки в зону рекомбінації, де вони формують нейтральну структуру – екситон. формуються два типи екситонів: сигнети та триплети. Сигнет рекомбінує швидко (за кілька наносекунд), випромінюючи фотон, а триплет рекомбінує повільно (від 1 мс до 1 с), випромінюючи тепло. Але внесення в органічні молекули таких важких металів, як ірідій або платина призводить до змішування їх властивостей, тому випромінювання фотону відбувається за час від 100 нс до 10 мкс.

Для одержання кольорових дисплеїв потрібно керувати світінням трьох випромінюючих елементів червоного, зеленого та синього кольору. Для формування трьох кольорів запропоновані декілька методів, схеми яких показані на рис.27.

Рис.27. Схеми формування трьохколірного зображення: а) присадка з важкого металу в органічному шарі; б) оптична фільтрація випромінювання; в) середовище зі змінюваним кольором; г) три прозорих елемента з незалежним керуванням.

В першому методі припускається фото літографічне нанесення на прозорий анод з оксида індія-олова колонок електродів (підпікселів), у кожному з яких в органічний шар вноситься „своя” присадка з важкого металу (рис.27,а). Незважаючи на показну простоту, технологія виявляється складною та дорогою. Але фірми Sanyo та Kodak продемонстрували такі пласкі кольорові панелі.

Інший метод – оптична фільтрація випромінювання елемента з білим освітленням (ОСП –окремий світловий піксель) – рис.27,б. Але в цьому методі знижена ефективність випромінювання, бо великі втрати у фільтрах.

Менші втрати одержують, якщо замість фільтра використовувати середовище зі змінюваним кольором (рис.27,в). Це матеріал, який під дією блакитного випромінювання виробляє зелене або червоне світло в залежності від домішок.

В конструкції рис.27,г є три прозорих світловипромінюючих елементи з червоним, зеленим або синім випромінюванням, накладені один на інший з незалежним керуванням.

Вже зараз є декілька експериментальних дисплеїв великого розміру з органічних світло діодів. Їх головна перевага – гнучкість та мала товщина, що дозволяє накладати їх на об’єкти будь-якої форми. Вже серійно випускають такі дисплеї для сотових телефонів.