第2章一維半導(dǎo)體體系(3)

1、高等半導(dǎo)體物理 第二章 一維半導(dǎo)體體系 (3)(二) 基態(tài)非簡(jiǎn)并準(zhǔn)一維導(dǎo)電體系 2 一, 基態(tài)非簡(jiǎn)并的導(dǎo)電聚合物 ( 聚合物半導(dǎo)體 ) EA EB , EA 0 其中, 為每個(gè)重復(fù)單元的能量 (2) 不能形成分離的孤子 ( 對(duì) ) 思考題: 為什么? ( 以聚對(duì)苯橕為例 ) 1, = 0.35 eV, 即 醌環(huán) - 苯環(huán) = 0.35 eV B相 A相 2, 形成分離的孤子對(duì)所需要的能量 ( 相對(duì)于基態(tài) A 相而言 ) E = NB , NB 為 B 相 ( 醌環(huán) ) 的數(shù)目 3, 形成分離的孤子對(duì), NB 很大, 所需的 E 很高 (3) 可形成極化子 為什么? 1, 形成極化子, NB 很

2、小, 所需的 E 很小 * 2, 孤子對(duì)的吸引力 思考題: 其物理根源是什么? 4 A 相 ( 基態(tài) ) 中的 NB 個(gè) B 相單元引起的能量差 E = NB = ( LB / do ) = U ( LB ) NB LB E ( do為 B 相單元的長(zhǎng)度 ) 孤子對(duì)有相互吸引力 F = U / LB = / do 孤子對(duì)的吸引力 F 為常數(shù), 不隨距離 LB 而變 孤子對(duì)之間總存在吸引力, 孤子對(duì)總是束縛在一起, 這稱為孤子對(duì)的禁閉效應(yīng), 此吸引力稱為禁閉吸引力。 3, 在基態(tài)非簡(jiǎn)并的一維體系中, 雙極化子是穩(wěn)定的元激發(fā)態(tài) 在基態(tài)簡(jiǎn)并的體系中, 雙極化子不穩(wěn)定. 提問(wèn): 為什么? 這是因?yàn)閹?kù)侖

3、排斥力而分解為一對(duì)帶相同電荷的孤子 在基態(tài)非簡(jiǎn)并的體系中, 雙極化子中孤子對(duì)的庫(kù)侖排斥力 (長(zhǎng)程力) 與禁閉吸引力平衡 (見(jiàn)圖) , 故是穩(wěn)定的. 三, 基態(tài)非簡(jiǎn)并準(zhǔn)一維導(dǎo)電體系的元激發(fā) 5 1, 基態(tài)簡(jiǎn)并和非簡(jiǎn)并情況下元激發(fā)的對(duì)照 ( 括號(hào)中為激發(fā)能 ) 基態(tài)簡(jiǎn)并與否 簡(jiǎn)并 非簡(jiǎn)并 孤子對(duì) 有(4 o /) 無(wú) ( 禁閉效應(yīng) ) 單極化子 有(2 3/2 o /) 有(0.98 o ) 雙極化子 無(wú) 有(1.43 o ) 2, 不同摻雜濃度下的元激發(fā) ( 以鏈長(zhǎng)為 100 個(gè)基團(tuán)為例 ) 摻雜濃度 1% 基態(tài)簡(jiǎn)并 單極化子 孤子(對(duì)) 基態(tài)非簡(jiǎn)并 單極化子 雙極化子 ( 基態(tài)非簡(jiǎn)并時(shí), 2

4、E單極化子 E雙極化子 ) * 第四節(jié) 有機(jī)半導(dǎo)體光電材料和器件 6 前 言 中國(guó)半導(dǎo)體光電材料和器件一，光電器件 LED 臺(tái)灣 作為全球 LED 研發(fā)技術(shù)的領(lǐng)跑者，臺(tái)灣晶元光電主要生產(chǎn)超 高亮度 LED 外延片和芯片。公司外延片產(chǎn)能居全球第一，四 元超高亮度磷化鋁鎵銦紅光，橙光及黃光發(fā)光二極管世界市 場(chǎng)占有率高于40 %，是全球最大的四元 LED 生產(chǎn)廠；蘭光 LED 產(chǎn)量占全球 20 %，居世界前三位。 臺(tái)灣晶元光電股份有限公司投資六億美元建設(shè) LED 外延片和 芯片制造項(xiàng)目。 二，有機(jī)光電器件 OLED 江蘇 （1）江蘇 OLED 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在昆山新成立: 二十家單位 * 江蘇碳基功能材料

5、與器件高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、蘇州大學(xué) 功能納米與軟物質(zhì)(材料)實(shí)驗(yàn)室，南京郵電大學(xué)有機(jī)電子與 信息顯示重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆山龍騰光電有限公司，昆山維信諾 顯示技術(shù)有限公司，以及南京有機(jī)光電有限公司等。(2) OLED 照明板 （南京有機(jī)光電有限公司 ） OLED為繼白熾燈、熒光燈和 LED 之后的第四代照明設(shè)備。 優(yōu)點(diǎn)：1, 節(jié)電: OLED為面光源，無(wú)需外加燈套，光利用率 可達(dá) 90 %，比白熾燈，可節(jié)電 70 % 以上。 2, 可卷曲: 特別適合于裝飾燈，將在青奧會(huì)上使用。 OLED 顯示器 （昆山維信諾顯示技術(shù)有限公司） 中國(guó)大陸第一條OLED顯示大規(guī)模生產(chǎn)線，產(chǎn)品用于醫(yī)療器 械、工業(yè)儀表、手

6、機(jī)及MP3等。(3) 可在-40 到-80 oC下工作，用于“神州七號(hào)”艙外航天服上。 * 8(一) 有機(jī)半導(dǎo)體光電材料和器件簡(jiǎn)介 一, 優(yōu)點(diǎn): 聚合物光電材料便于分子設(shè)計(jì)； 發(fā)光波長(zhǎng)可調(diào), 現(xiàn)已制成從紅到藍(lán)不同波長(zhǎng)的OLED 制備工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉； 器件工作電壓低、功耗??； 易成大面積，并已制成顯示屏，可用于手機(jī)、小型電腦等。 具柔性, 可望實(shí)現(xiàn)柔性大面結(jié)顯示屏，倍受人們的關(guān)注。 是極具競(jìng)爭(zhēng)力的新型半導(dǎo)體光電材料和器件. 二, 缺點(diǎn): 穩(wěn)定性相對(duì)較差 * 三, 有機(jī)光電材料的種類(lèi) 9 (1) 目前研究得較多的用於OLED的有機(jī)光電材料主要有兩類(lèi). 一類(lèi)是以聚對(duì)苯撐乙烯 ( PPV ) 為代

7、表的有機(jī)高分子 ( 聚合 物 ) 光電材料, 此為一維半導(dǎo)體體系. 另一類(lèi)是以 8 - 羥基喹啉鋁 ( Alq3 ) 為代表的有機(jī)小分子光電 材料。 (2) 這兩類(lèi)有機(jī)光電材料及器件各有千秋, 其研究都取得了可喜 的進(jìn)展，都十分引人注目。 有機(jī)聚合物材料 - 優(yōu)點(diǎn): 易成大面積 ( 可噴墨打印 ), 具柔性; 缺點(diǎn): 穩(wěn)定性差 ( 聚合物, 摻有MEH ). 有機(jī)小分子材料 - 優(yōu)點(diǎn): 穩(wěn)定性較好; 缺點(diǎn): 不易成大面積 ( 蒸發(fā) ). *(二) 有機(jī)聚合物 LED ( polymer LED PLED, OLED ) 10 一, PPVLED 是具有代表性的有機(jī)聚合物 LED PPV 的禁帶

8、寬度約為 2.2 eV, 本征電導(dǎo)率在 10-12 (-cm)-1 以下。 通過(guò)摻雜可呈 p 型或 n 型, 摻雜 PPV 的電導(dǎo)率可達(dá) 10 -1 ( - cm)-1 以上。 可制成高純度、高質(zhì)量的 PPV 膜, 以減少非輻射復(fù)合中心, 從而提高發(fā)光效率。 PPV 聚合物發(fā)光二極管中 PPV 層的典型厚度為 100 nm。 可溶性的 MEH - PPV 可直接由其溶液旋轉(zhuǎn)涂膜，用此已發(fā) 展了一套噴墨工藝以制造平面顯示器, 這非常有利于柔性大 屏幕顯示的實(shí)現(xiàn). *二, PPV LED 的特性研究 11 (1) MEH-PPV LED 是研究得最多聚合物 LED MEH 的摻入可增強(qiáng) PPV 膜

9、的可溶性; MEH-PPV LED 的結(jié)構(gòu)為M1/MEH-PPV/M2, 其中M1 為陽(yáng)極材 料，M2 為陰極材料。 (2) 電學(xué)特性測(cè)量分析 圖6為 ITO/MEH-PPV/Ca的 J - E曲線 ( J 為發(fā)光強(qiáng)度 ) 由圖可知，J - E曲線基本上 不隨發(fā)光層厚度d而變, ( 相 似的結(jié)果在 ITO/MEH-PPV/ Cu 中也觀察到 ). 可見(jiàn), 電流 強(qiáng)度取決于膜中的電場(chǎng)強(qiáng)度, 而不是電極間的電壓差。圖6(3) 電致發(fā)光特性研究 12 1, 電致發(fā)光特性曲線 ( 見(jiàn)圖7 ) 開(kāi)啟電壓( 開(kāi)始發(fā)光時(shí)的電壓)不隨發(fā)光層厚度而變, 約為2伏. 工作電壓(發(fā)光強(qiáng)度為某值時(shí)的電壓)隨發(fā)光層厚度

10、增加而增加 圖7 不同發(fā)光層厚度的ITO/MEH-PPV/Ca器件的發(fā) 光強(qiáng)度隨外加偏壓的變化。 * 2, 能帶模型和發(fā)光機(jī)理 13 圖 8 零偏壓時(shí)，器件的能帶圖如圖 8 的左圖所示，ITO 的費(fèi)米能級(jí) 與 Ca 的費(fèi)米能級(jí)相平，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)； 當(dāng)外加正偏壓 ( ITO為正 ) 使聚合物發(fā)光層的能帶變平時(shí)，器件 的能帶圖如圖 8 的中圖所示；聚合物 MEH-PPV 的禁帶寬度 Eg 為 2.1 eV, ITO的費(fèi)米能級(jí)離其價(jià)帶頂為E1 = 0.2 eV, Ca 的費(fèi) 米能級(jí)離其導(dǎo)帶底為E2 = 0.1eV, 要使 MEH PPV 層滿足平帶 條件, 偏壓 Vp 應(yīng)為 +1.8 V ( E

11、g = E1 + E2 + eVp ,見(jiàn)中圖 ) * 隨著偏壓的增加，發(fā)光層的能帶開(kāi)始傾斜 (見(jiàn)圖 8 右圖), 陰極和 陽(yáng)極因隧道效應(yīng)開(kāi)并始有電子和空穴注入，并復(fù)合發(fā)光。因此, 開(kāi)啟電壓應(yīng)略大于平帶電壓 ( 約為 2.0 eV, 見(jiàn)圖7 ) 由于平帶電壓與發(fā)光層厚度無(wú)關(guān) 思考題: 為什么? 因此器件的開(kāi)啟電壓 Von 與發(fā)光層的厚度基本無(wú)關(guān) ( 見(jiàn)圖7 )。 隨著外加偏壓進(jìn)一步增加，能帶進(jìn)一步傾斜 (如圖8 的右圖所示), 注入增強(qiáng), 電流增大. 電流大小取決于由發(fā)光層能帶斜率決定的 電子和空穴的隧穿注入強(qiáng)度. 電流強(qiáng)度取決定于發(fā)光層的電場(chǎng)強(qiáng) 度而不是電壓降. 故 J - E 曲線基本與發(fā)光

12、層厚度無(wú)關(guān). ( 見(jiàn)圖6 ) 當(dāng)發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到某一定值時(shí)，其外加偏壓為該器件的工作電壓 Vop, 它隨發(fā)光層厚度的增加而升高 (使能帶斜率達(dá)到一定值). 按照上述能帶模型和發(fā)光機(jī)理，很好地解釋了器件的電流-電場(chǎng) 曲線以及開(kāi)啟電壓 Von 基本上不隨發(fā)光層的厚度而變，器件的 工作電壓Vop隨發(fā)光層厚度的增加而升高。 * 3, 器件發(fā)光特性的進(jìn)一步分析 15 1) 在 M1/MEH-PPV/M2 結(jié)構(gòu)中，若兩電極的勢(shì)壘高度不同，勢(shì)壘 較低的電極注入的載流子數(shù)較多，稱之為多數(shù)載流子；相反， 勢(shì)壘較高的電極注入的載流子數(shù)較少，稱之為少數(shù)載流子。 提問(wèn): 半導(dǎo)體材料中的電流強(qiáng)度主要由少子還是多子決定? 2

13、) 圖9 ITO / MEH-PPV / M2 結(jié)構(gòu)的電流 - 電場(chǎng)曲 線, 電流主要取決于陽(yáng)極 的勢(shì)壘, 由陽(yáng)極材料 ITO 的功函數(shù)決定，受陰極 材料功函數(shù)的影響較小。3) 器件的電流主要由多數(shù) 載流子決定，即由較低 勢(shì)壘的隧道電流決定。圖 93) 開(kāi)啟電壓 ( 前面已討論過(guò), 這里再提一下 ) 16 發(fā)光二極管的開(kāi)啟電壓為開(kāi)始產(chǎn)生發(fā)光信號(hào)時(shí)的電壓, 開(kāi)啟電壓取決于平帶電壓, 其值應(yīng)略大于平帶電壓 平帶電壓取決于兩電極的功函數(shù) 如圖7 所示, 開(kāi)啟電壓約為 2 V, 與發(fā)光層厚度無(wú)關(guān) 提問(wèn): 開(kāi)啟電壓為什么與發(fā)光層厚度無(wú)關(guān), 它取決于什么? 4) 工作電壓 ( operating volt

14、age ) 發(fā)光二極管的工作電壓Vop為發(fā)光器件正常工作時(shí)的外加電壓. 此時(shí)應(yīng)發(fā)光強(qiáng)度較大, 發(fā)光較穩(wěn)定; 思考題: 半導(dǎo)體器件的發(fā)光強(qiáng)度取決于其中的多子還是少子? 器件的發(fā)光是靠注入的電子和空穴的復(fù)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的, 盡管多數(shù) 載流子的數(shù)目很多, 但發(fā)光強(qiáng)度卻取決于少數(shù)載流子濃度, 故工作電壓取決于陰極材料的功函數(shù). ( 下面將進(jìn)一步討論 ) *三， ITO / MEH-PPV / M2 器件的發(fā)光效率 17 為節(jié)約能源，需千方百計(jì)提高器件的發(fā)光效率 發(fā)光效率 = 發(fā)光強(qiáng)度 W / 電功率 P (1) 影響發(fā)光效率的器件參數(shù) 工作電壓，工作電流 （開(kāi)啟電壓）； 發(fā)光強(qiáng)度。 (2) 影響發(fā)光效率的材料參數(shù) 陰極功函數(shù) （影響少子注入、發(fā)光強(qiáng)度和工作電壓）； 發(fā)光層厚度 （影響工作電壓）； 發(fā)光層材料電阻率 （影響工作電壓）； 發(fā)光層材料的（非平少子）壽命 （影響非輻射復(fù)合的強(qiáng)度） 純度和完整