無機電致發(fā)光器件PPT課件

1、3.1 ELD概述 3.1.1 電致發(fā)光(EL) ：指半導(dǎo)體，主要是熒光體在外加電場作用下的自發(fā)光現(xiàn)象。 3.1.2 ELD的歷史:1936年法國的Destriau 就發(fā)現(xiàn)EL現(xiàn)象。1950年 Sylvania公司開發(fā)成功分散型EL元件。1983年日本開始薄膜ELD的批量生產(chǎn)。第1頁/共71頁p 3.1.3 ELD分類： 按結(jié)構(gòu)：分散型EL和薄膜型EL。前者的發(fā)光層以粉末熒光體的形式構(gòu)成。后者的發(fā)光層以致密的熒光體薄膜構(gòu)成。 按驅(qū)動方式：交流驅(qū)動型EL和直流驅(qū)動型EL。 以上可以排列組合出四種EL元件的類型。第2頁/共71頁 以上四種EL器件的特征如下圖所示。 第3頁/共71頁p3.1.4 E

2、LD的特征 ： 視角大，無閃爍。 圖像顯示質(zhì)量高。 工作溫度范圍寬；受溫度變化的影響小。 是全固體顯示元件。 有小功耗、薄型、質(zhì)輕等特征。第4頁/共71頁3.2分散型ELD的結(jié)構(gòu)和原理3.2.1.分散型交流ELD1) 分散型交流ELD基本結(jié)構(gòu)：基板為ITO(In2O3:SnO210%重量比，導(dǎo)電：幾十，透光率：85%)玻璃板或柔性塑料板。發(fā)光層由熒光體粉末分散在有機粘結(jié)劑中做成。熒光體粉末：ZnS:Cu,Cl, 或Mn原子等，可得到不同的發(fā)光色。粘結(jié)劑中采用介電常數(shù)比較高的有機油如氰乙基纖維素等。介電質(zhì)層：防止絕緣層被破壞。背面電極：Al。第5頁/共71頁2) 分散型交流ELD發(fā)光機制：Fis

3、cher模型：ZnS熒光體粉末的粒徑:530m。通常在一個ZnS顆粒中會存在點缺陷及線缺陷。電場在ZnS顆粒內(nèi)會呈非均勻分布，造成的發(fā)光狀態(tài)也不會相同。當觀察一個ZnS顆粒時，發(fā)光先從若干孤立的點開始，隨著電場增加，兩點的發(fā)光逐漸延伸，相互靠近，匯合成彗星狀的發(fā)光。 第6頁/共71頁在ZnS顆粒內(nèi)沿線缺陷會有Cu析出，形成電導(dǎo)率較大的CuxS(P型或金屬電導(dǎo)狀態(tài))， CuxS與ZnS形成異質(zhì)結(jié)。當施加電壓時CuxS/ZnS界面上會產(chǎn)生高于平均場強的電場強度(105-106v/cm)。使位于界面能級的電子通過隧道效應(yīng)向ZnS內(nèi)注入，與發(fā)光中心捕獲的空穴發(fā)生復(fù)合，產(chǎn)生發(fā)光。當發(fā)光中心為Mn時，如上

4、所述發(fā)生的電子與這些發(fā)光中心碰撞使其激發(fā)引起EL發(fā)光。 第7頁/共71頁1. 亮度L與電壓間的關(guān)系為 L0與V0分別為常數(shù)，其數(shù)值的大小與熒光體的粒徑，活化劑及共活化劑的濃度，發(fā)光層的厚度，有機粘結(jié)劑的介電常數(shù)等相關(guān)。2. 發(fā)光效率隨電壓的增加,先是增加而后減小。發(fā)光效率的最大值一般可從亮度出現(xiàn)飽和趨勢的電壓區(qū)域得到。 3) 分散型交流ELD的亮度電壓特性及發(fā)光效率電壓特性)/(exp2100VVLL第8頁/共71頁3.2.2.分散型直流ELD1) 分散型直流ELD基本結(jié)構(gòu)： ITO玻璃基板。 包銅處理：將ZnS熒光體浸在Cu2SO4溶液中進行熱處理，使其表面產(chǎn)生具有電導(dǎo)性的CuxS層。 將Z

5、nS:Cu, Mn熒光體粉末與少量粘結(jié)劑的混合物在其上均勻涂布，厚度為30-50m。 背面電極：Al。 第9頁/共71頁1. ITO：正極。AL：負極。2. 在定形化處理過程中Cu2+離子會從透明電極附近的熒光體粒子向AL電極一側(cè)遷移。2) 分散型直流ELD發(fā)光機制第10頁/共71頁3.結(jié)果在透明電極一側(cè)會出現(xiàn)沒有CuxS包覆的電阻率高的ZnS 層(脫銅層)。4.外加電壓的大部分會作用在脫銅層上，在該層中形成106V/cm的強電場。5.在此強電場作用下，會使電子注入到ZnS層中，經(jīng)電場加速，成為過熱電子。6.過熱電子直接碰撞Mn2+會引起其激發(fā)，引發(fā)EL發(fā)光。第11頁/共71頁L-V特性和-V

6、同分散型交流ELD。直流驅(qū)動: V=100V, L=500cd/m2。占空比1%的脈沖波形電壓驅(qū)動：亮度等同直流驅(qū)動。 0.5-1lm/W。3) 分散型直流ELD亮度-電壓特性及發(fā)光效率-電壓特性第12頁/共71頁3.3 薄膜型ELD的制備和原理3.3.1薄膜型交流ELD(ACTFELD)1) 薄膜型交流ELD基本結(jié)構(gòu)：在玻璃基板上依次積層透明電極(ITO)，第一絕緣層，發(fā)光層，第二絕緣層，背光電極(Al)等。發(fā)光層厚0.5-1m，絕緣層厚0.3-0.5m，全膜厚只有2m左右。第13頁/共71頁2) 絕緣層作用-保護發(fā)光層，使器件穩(wěn)定ACTFELD中電場高達106V/cm，應(yīng)選用針孔少，致密，

7、介質(zhì)損耗因子tan小，高擊穿場強(Ebd)的絕緣層。具有高的介電常數(shù)，減少絕緣層上的電壓，以保證發(fā)光層上有足夠電壓。絕緣層應(yīng)具有高的品質(zhì)因素：Q= EBd= 0 rEBd。其中， 為介電常數(shù)， r為相對介電常數(shù)。擊穿時呈自熄性而非傳播性。良好的透明性，粘附性，平整性和化學(xué)穩(wěn)定性。制備工藝簡單-電子束蒸發(fā)，濺射。 第14頁/共71頁3) 主要絕緣層材料的介電特性 材料EBd(MV/cm)EBd (C/cm2)擊穿模式Y(jié)2O3123535自熄Al2O3854自熄Si3N486846自熄Ta2O5231.53傳播PbTiO31500.57傳播BaTiO3223.57自熄SrTiO31401.5219

8、35傳播復(fù)合絕緣層：利用絕緣各種特性互補，提高絕緣層綜合特性。Si3N4+SiO2 ：Si3N4的EB比較高，性能穩(wěn)定，自熄擊穿，是一種質(zhì)量優(yōu)良的絕緣介質(zhì)。但它于玻璃粘附性不好，因此使用SiO2做為和玻璃的過渡層。SiO2性能穩(wěn)定，與玻璃粘附性好，但小，用它做為過渡層時，一般厚度很小即可。 Ta2O5+SiO2：克服Ta2O5傳播性擊穿。第15頁/共71頁4) 絕緣層薄膜的品質(zhì)因素 品質(zhì)因素：Q=EBd=0 rEBd作為選擇絕緣層薄膜的重要指標。第16頁/共71頁5) ACTFELD對透明電極的要求 ITO：低電阻率，大尺寸，均勻性、透光性好、耐久性、耐腐蝕性，表面平整等良好性能。 為減小EL

9、D顯示屏的功耗，應(yīng)增加透明導(dǎo)電膜的厚度，減少阻抗。由此會在導(dǎo)電膜的端邊位置上使發(fā)光照、絕緣膜的厚度變薄，容易引起局部擊穿。 應(yīng)從ELD器件的整體要求兼顧透明導(dǎo)電膜的厚度和電阻率。 第17頁/共71頁當VVth(1cd/m2)時，由于隧穿效應(yīng)，電子從絕緣層與發(fā)光層間的界面能級隧穿進入發(fā)光層的導(dǎo)帶，被106V/cm的強電場加速，使其成為過熱電子，并碰撞激發(fā)Mn等發(fā)光中心。被激發(fā)的內(nèi)殼層電子從激發(fā)能級向原始能級返回時，產(chǎn)生EL發(fā)光。高電場區(qū)和初始電子的存在是碰撞離化過程的必要條件。6) ACTFELD發(fā)光機制第18頁/共71頁亮度在Vth處急劇上升，此后出現(xiàn)飽和傾向。發(fā)光效率在亮度急劇上升的電壓范圍

10、內(nèi)達最大值。上升沿：數(shù)微秒，下降沿：數(shù)毫秒，亮度：與電壓頻率(數(shù)千赫茲)呈正比增加。7) ACTFELD亮度-電壓特性及發(fā)光效率-電壓特性第19頁/共71頁8) ACTFELD等效電路i：絕緣層；p：發(fā)光層；d ：厚度； ：介電常數(shù)；C：電容；V：電壓；Vth：閾值；S：顯示區(qū)域面積。平行板電容值C = 0rS/d。在求發(fā)光層閾值電壓Vth時，通過器件的電流小，忽略發(fā)光層的電阻，并假設(shè)上、下絕緣層材料和厚度相同，由此可等效為三個平行板電容串聯(lián)。求Vp(Vth)與各上述各參數(shù)的關(guān)系。 第20頁/共71頁9) ACTFELD的驅(qū)動電壓極性與光輸出波形 驅(qū)動電壓極性與光輸出波形當施加不同極性的脈沖電

11、壓時發(fā)光強度高。當施加相同極性的脈沖電壓時發(fā)光強度就下降。繼續(xù)施加相同極性的脈沖電壓甚至不能發(fā)光。原因：由于發(fā)光層中產(chǎn)生內(nèi)建電場和電子被驅(qū)趕到處于暫態(tài)陽極對應(yīng)的發(fā)光層和絕緣層界面處所致。造成發(fā)光層有效電壓降低，碰撞離化幾率減少，發(fā)光降低，甚至不能發(fā)光。脈沖極性反向時，外加電場與內(nèi)建電場疊加，發(fā)光層上的有效電壓增加，電子從另一界面隧穿進入發(fā)光層，對發(fā)光離子的碰撞離化幾率增加，發(fā)光增強。第21頁/共71頁10) ACTFELD發(fā)光材料特性RGB三基色中，紅光由ZnS:Mn的橙黃光通過濾光片得到，效率1lm/W；綠光ZnS:Tb，效率1lm/W；藍光SrS:Ce的CIE色坐標為：x=0.19，y=0

12、.38的藍綠光，效率大于1lm/W 。SrS:Ce成為白光的最佳選擇材料。第22頁/共71頁ACTFELD發(fā)光亮度與摻雜濃度的關(guān)系三種稀土離子Tb，Er Ho摻雜的ZnS ACTFELD。以ZnS:TbF3，ZnS: ErF3，ZnS:HoF3為例，三者均為綠光，主要發(fā)射譜線的峰值波長分別為542，552和550nm。增加發(fā)光中心的數(shù)目，有利于提高發(fā)光亮度，但是隨著摻雜濃度的增加，減少了發(fā)光中心之間的距離，發(fā)光中心之間的相互作用將導(dǎo)致能量傳遞和濃度猝滅。第23頁/共71頁ACTFELD發(fā)光亮度與摻雜濃度的關(guān)系 在較低的摻雜濃度范圍內(nèi)，發(fā)光亮度隨著濃度的增加而增加，并達到一個極大值，隨著濃度的增

13、加，發(fā)光亮度反而下降，即出現(xiàn)深度猝滅現(xiàn)象。 ZnS:TbF3，ZnS: ErF3，ZnS:HoF3 ACTFELD的亮度極大值分別為2300cd/m2，1100cd/m2和600cd/m2，分別對應(yīng)最佳摻雜濃度為1.4102mol，7.0103mol和 3.0103mol 。第24頁/共71頁ACTFELD發(fā)光亮度與摻雜濃度的關(guān)系ZnS:TbF3，ZnS: ErF3，ZnS:HoF3 ACTFELD發(fā)射光譜與濃度關(guān)系第25頁/共71頁ACTFELD發(fā)光亮度與摻雜濃度的關(guān)系對于ZnS:TbF3 薄膜，隨著摻雜濃度的增加，藍光5D37F6的躍遷逐漸減小，直到消失。交叉馳豫：一個被激發(fā)的Tb3離子，

14、處于5D3 能級上的電子可以列輻射躍遷到5D4能級，而將能量傳遞給鄰近未被的Tb3離子，使其基態(tài)7F6上的電子躍遷到7F0能級，即5D3 5D4 (無輻射能量傳遞)7F6 7F0的交叉馳豫。，這一過程有利于5D4 7F6的綠色發(fā)光，所以， Tb3離子在ZnS薄膜中有很高的最佳濃度(1.4102mol)，從而有最高的發(fā)光亮度的極大值(2300cd/m2)。 第26頁/共71頁ACTFELD發(fā)光亮度與摻雜濃度的關(guān)系ZnS:HoF3薄膜，摻雜濃度增加，5F55I8(紅光)明顯上升，5S25I8(綠光)相對降低。交叉馳豫：從能級圖，5S25I4能級差與5I85I7的能級差非常接近。當摻雜濃度增加時，發(fā)

15、生5S25I45I85I7的交叉馳豫，不利于綠光發(fā)射。交叉馳豫幾率很大，正因如此，Ho3在ZnS具有較低的最佳摻雜濃度(3.0103mol)和亮度(600cd/m2)。第27頁/共71頁ACTFELD發(fā)光亮度與摻雜濃度的關(guān)系ZnS: ErF3薄膜，摻雜濃度增加，綠色發(fā)光(2H11/2+4S3/2)4I15/2相對減少而紅色發(fā)光4F9/24I15/2相對增大，同時，4F5/24I15/2和4F7/24I15/2發(fā)射強度減小而4G11/24I15/2和2H9/24I15/2發(fā)射強度增加。交叉馳豫：從能級圖，2H11/24F9/2能級差與4F7/22H9/2和4F5/24G11/2的能級差非常接近。

16、當摻雜濃度增加時，可能發(fā)生2H11/2 4F9/2 4F5/2 4G11/2或4F7/2 2H9/2的交叉馳豫，不利于綠光發(fā)射。但是這一過程發(fā)生在兩個被激發(fā)離子之間，幾率較小，因此，Er3在ZnS具有中等的最佳摻雜濃度(7.0103mol)和亮度極大值(1100cd/m2)。第28頁/共71頁11) flat panel ACTFEL displays (from Planar Systems Inc.) 第29頁/共71頁器件結(jié)構(gòu)：在薄膜發(fā)光層的兩側(cè)直接形成電極。1-Al電極；2-發(fā)光層；3-透明電極；4-玻璃基板。器件的發(fā)光機制：碰撞激發(fā)型由于沒有絕緣膜保護，很難保證不發(fā)生絕緣破壞，因此難

17、以穩(wěn)定地維持強電場，從而需要導(dǎo)入限制電流層。 3.3.2.薄膜型直流電致發(fā)光(DC-TFELD)第30頁/共71頁3.4 陶瓷厚膜為絕緣介質(zhì)的電致發(fā)光器件 加拿大ifire公司ceramic thick-film dielectric electroluminescent devices (TDELDs) 1) TDEL器件結(jié)構(gòu)和特點 TFEL(a)和TDEL(b)器件結(jié)構(gòu)的比較第31頁/共71頁1) TDEL器件的結(jié)構(gòu) u常規(guī)的TFEL器件：夾心型結(jié)構(gòu)，光從下電極ITO和玻璃基片側(cè)透出。uTDEL器件：由于陶瓷厚膜不透明，光線不能從陶瓷絕緣層和玻璃基片透出。uTDEL器件：“倒置”結(jié)構(gòu)。功能

18、層依次為：玻璃基片、內(nèi)電極、陶瓷厚膜、平整化介質(zhì)、發(fā)光層、透明絕緣層、上電極，光從上電極ITO側(cè)透出。 第32頁/共71頁2) 顆粒對TFEL和TDEL器件的影響 第33頁/共71頁3) TDEL器件的介質(zhì)特性u陶瓷厚膜采用高介電常數(shù)、低溫?zé)Y(jié)的電子陶瓷，通過絲網(wǎng)印刷或流延工藝直接制備于基片上，厚度約20m，介電常數(shù)r為1000-10000。u采用了陶瓷厚膜工藝，TDEL器件實際上是厚膜和薄膜混合型的顯示器件。u由于厚膜比TFEL中的薄膜介質(zhì)厚好幾倍，它顯著地提高了介電強度和抗電擊穿強度，并有效地消除了針孔缺陷問題和減少了工藝過程中對外來雜質(zhì)的敏感度，提高了成品率。第34頁/共71頁 4) T

19、DEL器件的特性 1.由于陶瓷厚膜很高的介電常數(shù)和厚度之比，器件的工作電壓低、亮度高。2.TDEL比TFEL改善了亮度-電壓特性，容易通過脈沖幅度調(diào)制實現(xiàn)灰度控制，有利于實現(xiàn)高性能的視頻圖像顯示 。3.陶瓷厚膜具有良好的抗電擊穿能力而且無傳播性擊穿，對工藝過程中引入的缺陷如：針孔、顆粒和劃痕不靈敏 。 第35頁/共71頁4) TDEL器件的特性4.TDEL器件顯示穩(wěn)定，無閃爍；5.陶瓷厚膜表面有一定的光吸收作用和粗糙度，提高了比度高，顏色鮮明，并且顏色及亮度隨視角的變化很小，所以TDEL具有寬的視角；6.由于陶瓷厚膜的堅固性，增加了TDEL器件的強度；7.高介電常數(shù)的厚膜介質(zhì)可采用簡單的絲網(wǎng)印

20、刷制備，工藝步驟減少，而且容易實現(xiàn)可以大面積制備，可以獲得大面積的顯示器件；8.TDEL器件具有較寬的工作溫度范圍。 第36頁/共71頁4) TDELD彩色實現(xiàn)方案 三重成型+彩色濾光片和顏色轉(zhuǎn)換過程實現(xiàn)彩色顯示的比較 CBB (color-by-blue )技術(shù)無需彩色濾光片，并且提高了紅光和綠光的色純度。另外，該技術(shù)如同白光轉(zhuǎn)換彩色一樣簡單，與白光加濾色方法相比，由于顏色轉(zhuǎn)換的有效性，產(chǎn)生更加高的亮度和能量效率。第37頁/共71頁5) TDEL的優(yōu)勢 TDEL器件的優(yōu)勢和潛力主要在于制備、成本和性能，即簡單的工藝、較低的成本和優(yōu)異的視頻性能。 由于厚膜比TFEL中的薄膜介質(zhì)厚好幾倍，它顯著

21、地提高了介電強度和抗電擊穿強度，并有效地消除了針孔缺陷問題和減少了工藝過程中對外來雜質(zhì)的敏感度，提高了成品率。TDEL技術(shù)對凈化室要求低。 從工藝和生產(chǎn)所需環(huán)境角度，與PDP和LCD相比，在資金和組件成本方面可有30-50%的優(yōu)勢。 第38頁/共71頁6) 17英寸TDEL彩色顯示器 亮度300 cd/m2對比度1000 : 1顯示彩色數(shù)1677萬視角170響應(yīng)時間2 ms白光色度10000 K顏色范圍118 EBU; 85 NTSC組件外型430mm330mm20mm厚度3 cm重量3.9 kg工作溫度范圍40C 85C發(fā)光顏色熒光材料CIE色坐標紅色ZnS:Mnx = 0.65, y =

22、0.35綠色ZnS:Tbx = 0.28, y = 0.64藍色(Mg,Ba)Al2S4:Eux = 0.14, y = 0.08第39頁/共71頁7) 34英寸TDEL彩色顯示器2004-SID-發(fā)光效率-1.5lm/W，目標-2lm/W或更高。CBB技術(shù)，分辨率-1280768，功耗-200W，響應(yīng)時間-2ms，錐形視角-170，對比度-500:1，亮度-500cd/m2，NTSC-90%。 第40頁/共71頁3.5 LED的結(jié)構(gòu)和發(fā)光基本原理u 發(fā)光二極管(light-emitting diode-LED)：當在其整流方向施加電壓時,有電流注入,電子與空穴復(fù)合，其一部分能量變換為光并發(fā)射

23、的二極管。u 1907年H.J.Round在碳化硅晶體中發(fā)現(xiàn) LED的注入型發(fā)光現(xiàn)象。u u 1968年GaAsP紅色LED燈投入市場。u 近年來高亮度RGBW-LED廣泛用于信息顯示。第41頁/共71頁1) LED的特性：屬于固體元件，工作狀態(tài)穩(wěn)定、可靠性高，其連續(xù)通電時間(壽命)可達105h以上。驅(qū)動電壓僅為幾伏，電流為數(shù)十毫安。尺寸通常為數(shù)百微米見方，是很小的。發(fā)光顏色，近于單色光， 即其發(fā)光的光譜是很窄的。 第42頁/共71頁將LED芯片置于導(dǎo)體框架上，連接引線之后，用透明樹脂封裝，做成顯示燈。由7個LED芯片構(gòu)成典型的數(shù)字顯示元件。 2) LED顯示器的結(jié)構(gòu):第43頁/共71頁LED

24、分類數(shù)碼管(Display)大功率(High Power LED)貼片(SMD)食人魚(P4)普通LED(P2)第44頁/共71頁3) LED材料LED材料的要求：電子與空穴的注入效率要高。電子與空穴復(fù)合時放出的能量應(yīng)與所需要的發(fā)光波長相對應(yīng)。LED材料的種類：-族半導(dǎo)體材料-族半導(dǎo)體材料-族半導(dǎo)體材料 第45頁/共71頁1. 直接躍遷型：在價帶頂與導(dǎo)帶底不存在動量差，復(fù)合幾率高。 2. 間接躍遷型：在價帶頂與導(dǎo)帶底存在動量差，為了保持動量守恒，需要聲子參與遷移過程 ，復(fù)合幾率低。4) LED材料的能帶結(jié)構(gòu)第46頁/共71頁3.等電子陷阱：同族元素摻雜，使間接遷移達到很高的發(fā)光效率。4.多元化

25、合物型：兩種及以上晶體混合，通過混晶結(jié)構(gòu)制作禁帶寬度連續(xù)變化的晶體。第47頁/共71頁 pn結(jié)的零偏、反偏和正偏第48頁/共71頁 零偏狀態(tài)下 內(nèi)建電勢差形成的勢壘維持著p區(qū)和n區(qū)內(nèi)載流子的平衡 內(nèi)建電場造成的漂移電流和擴散電流相平衡第49頁/共71頁 pn 結(jié)兩端加正向偏壓Va后， Va基本上全降落在耗盡區(qū)的勢壘上； 由于耗盡區(qū)中載流子濃度很小，與中性P區(qū)和N區(qū)的體電阻相比耗盡區(qū)電阻很大。 勢壘高度由平衡時的eVbi降低到了e(Vbi-Va) ；正向偏置電壓Va在勢壘區(qū)中產(chǎn)生的電場與自建電場方向相反，勢壘區(qū)中的電場強度減弱，并相應(yīng)的使空間電荷數(shù)量減少，勢壘區(qū)寬度變窄。第50頁/共71頁 產(chǎn)生

26、了凈擴散流； 電子：N區(qū) P區(qū)空穴：P區(qū) N區(qū) 熱平衡時載流子漂移流與擴散流相互抵消的平衡被打破：勢壘高度降低，勢壘區(qū)中電場減弱，相應(yīng)漂移運動減弱，因而使得漂移運動小于擴散運動，產(chǎn)生了凈擴散流。第51頁/共71頁 在空間電荷區(qū)的兩側(cè)產(chǎn)生了過剩載流子； 通過勢壘區(qū)進入P區(qū)的電子和進入N區(qū)的空穴分別在界面（-xp和xn）處積累，從而產(chǎn)生了過剩載流子。這稱為正向注入，由于注入的載流子對它進入的區(qū)域來說都是少子，所以又稱為少子注入。對于注入的少子濃度遠小于進入?yún)^(qū)多子濃度的情況稱為小注入。 邊界上注入的過剩載流子，不斷向體內(nèi)擴散，經(jīng)過大約幾個擴散長度后，又恢復(fù)到了平衡值。第52頁/共71頁00exp1p

27、nnpapnnppneD peD neVJJxJxLLkT上式即為理想上式即為理想pnpn結(jié)的電流結(jié)的電流- -電壓特性方程，我們可以進一步定義電壓特性方程，我們可以進一步定義J Js s為：為：00pnnpspneD peD nJLL則理想則理想pnpn結(jié)的電流結(jié)的電流- -電壓特性可簡化為：電壓特性可簡化為：exp1aseVJJkT盡管理想盡管理想pnpn結(jié)電流結(jié)電流- -電壓方程是根據(jù)正偏電壓方程是根據(jù)正偏pnpn結(jié)推導(dǎo)出來的，但它同樣應(yīng)結(jié)推導(dǎo)出來的，但它同樣應(yīng)當適用于理想的反偏狀態(tài)?？梢钥吹?，反偏時，電流飽和為當適用于理想的反偏狀態(tài)。可以看到，反偏時，電流飽和為J Js s第53頁/共

28、71頁當當PNPN結(jié)正偏電壓遠大于結(jié)正偏電壓遠大于V Vt t時，上述電流電壓特性方程中的時，上述電流電壓特性方程中的1 1項就可以忽略不計。項就可以忽略不計。PNPN結(jié)二極管的結(jié)二極管的I IV V特性及其電路符號如特性及其電路符號如下圖所示。下圖所示。第54頁/共71頁PN結(jié)中總的正偏電流密度應(yīng)該是空間電荷區(qū)復(fù)合電流密度與理想的擴散電流密度之和，即： 將復(fù)合電流將復(fù)合電流Jrec和擴散電流和擴散電流JD兩個關(guān)系式繪成曲線則如下圖所示，圖中同時還包含了兩個關(guān)系式繪成曲線則如下圖所示，圖中同時還包含了PN結(jié)中總結(jié)中總的正偏電流密度的變化關(guān)系。的正偏電流密度的變化關(guān)系。 由此圖中可見，在由此圖中

29、可見，在小電流區(qū)域，正偏小電流區(qū)域，正偏PNPN結(jié)中以結(jié)中以空間電荷區(qū)復(fù)合電流為主，空間電荷區(qū)復(fù)合電流為主，而在大電流區(qū)域，則以理想而在大電流區(qū)域，則以理想PNPN結(jié)的擴散電流為主。一般結(jié)的擴散電流為主。一般情況下正偏情況下正偏PNPN結(jié)的電流為：結(jié)的電流為：其中其中n n稱為理想因子，一般稱為理想因子，一般介于介于1 1和和2 2之間。之間。第55頁/共71頁化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體 (Compound Semiconductor)由周期表不同族元素形成的化合物 例如：II-VI, III-V及IV-IV族化合物III-V族化合物：光電半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)應(yīng)用最廣泛的之料例如：III族元素Al, Ga

30、, In及V族元素N, P, As容易形成 如GaN, GaAs, GaP, InP 等二元化合物三元化合物：由三個元素形成之化合物例如：AlGaAs (III,III,V)及GaAsP(III,V,V) 三族及五族總摩爾數(shù)比需為1:1AlxGa1-xAs = x AlAs + (1-x) GaAsGaAsYP1-Y = Y GaP + (1-Y) GaAs四元化合物：由四個元素形成的化合物例如：AlGaInP(四元高亮度LED主要發(fā)光材料) Al1-X-YGaXInYP = (1-X-Y) AlP + X GaP+ YInP第56頁/共71頁異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)LED和襯底對發(fā)光性能的影響Ga1xAl

31、xAs紅色LED的結(jié)構(gòu)a) 單異質(zhì)結(jié)(SH)結(jié)構(gòu) b) 雙異質(zhì)結(jié)(DH)結(jié)構(gòu)在p型GaAs襯底上生長寬Eg的n型Ga1xAlxAs晶體，使電子容易向p型區(qū)電注入，而n型區(qū)作為光取出窗口而得到高亮度的紅色光LED。它和GaP的紅色LED不一樣，發(fā)光強度沒有飽和現(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)大電流驅(qū)動獲得高亮度紅色LED。這一點與In1-xGaxP橙色LED基本相同。 為了提高亮度特性，將Ga1xAlxAs LED的單異質(zhì)結(jié)(SH)結(jié)構(gòu)改為與半導(dǎo)體激光二極管相類似的雙異質(zhì)結(jié)(DH)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)去掉了光吸收帶(GaAs襯底)，把載流子限域在雙異質(zhì)結(jié)內(nèi)，從而提高了發(fā)光特性。使用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)可以得到很高的發(fā)光亮度。第5

32、7頁/共71頁GaAsN-confined layerQuantum wellP-confined layerWindow layerGaAsN-confined layerQuantum wellP-confined layerWindow layerDBRGaAsN-confined layerQuantum wellP-confined layerWindow layerDBRGaAs Cap LayerITO LayerGood current spreadingcurrent spreading& light spreading Reflecting Backing ligh

33、tcurrent spreadinglight transmissionMethods of Enhance Brightness 第58頁/共71頁GaAsN-confined layerQuantum wellP-confined layerWindow layerDBRWindow layerGaAsUEC StructureGaPN-confined layerQuantum wellP-confined layerWindow layerWafer BondTS BondStructureOther Famous LED Maker LED StructuresGaAsN-confi

34、ned layerQuantum wellP-confined layerP-AlGaAsWindow layerDBRn currentBlockinglayerToshiba PatternStructure第59頁/共71頁GaAsN-confined layerQuantum wellP-confined layer50um Window layerWafer BondTS Bond MethodLED Growth on GaAsGaAs RemoveN-confined layerQuantum wellP-confined layer50umWindow layerWafer b

35、ondingN-confined layerQuantum wellP-confined layer50umWindow layerN-GaPGaPN-confined layerQuantum wellP-confined layerWindow layerWafer BondLED ChipFabrication第60頁/共71頁第61頁/共71頁Future Work(We can invent and get patterns)GaAsN-confined layerQuantum wellP-confined layerWindow layerDBRWindow layerAlGaAsChange UEC StructureGaAsN-confined layerQuantum wellP-confined layerWindow layerDBRGaAs Rough Cap LayerITO LayerLet GaAs SurfaceRough,then ITOChangeToshiba Pattern StructureGaAsN-confined layerQuantum wellP-confined layerP-AlGaAsWindow layerDBRGaAs Ro