Wykład 6 LEDy, lasery półprzewodnikowe

1

Elektroluminescencja

NR

RNRR

R

PP

P

τ

τη

+

=+

=

1

1

2

Wydajność świecenia zależy od

prawdopodobieństwa rekombinacji nieradiacyjnej

1/τNR

Diody LED

Schemat podwójnej heterostruktury

33

Schemat podwójnej heterostruktury

λmax [nm]

warstwa aktywna rodzaj przejść

450-530 ziel/nieb InGaN/GaN proste

565 ziel GaP:N skośne

590 żółte GaAs 0.15P0.85:N skośne

590-620 żółto-pom. AlInGaP proste

610 pom. GaAs0.25P0.75:N skośne

630 pom.-czerw. GaAs0.35P0.65:N skośne

650 czerw. GaAs 0.6P0.4 proste

680 czerw. Al.0.35Ga0.65As proste

700 czerw. GaP:Zn-O skośne

Typowe materiały stosowane w LEDach

44

700 czerw. GaP:Zn-O skośne

850 Al0.03Ga0.97As proste

860 GaAs proste

1300 In076Ga0.24As0.55P0.45 proste

1550 In066Ga0.35As0.79P0.21 proste

Domieszki izoelektronowe

W materiałach o przerwie skośnej umpżliwiają

przejścia proste o energii bliskiej skośnej przerwie

energetycznej (GaP:N)

Białe LED

diody niebieskie:

ZnSe

SiC:Al.

GaN/GaInN

5

GaN/GaInN

LED – obniżenie mocy o 30% po 105 godzin

żarówka – czas życia 1000 godz.

Białe LED

niebieski LED + luminofor

Emisja spontaniczna a emisja wymuszona

Inwersja obsadzeń

66

Prawdopodobieństwo emisji wymuszonej

rstim+rsp=rabs - stan równowagi

Warunek dominacji emisji wymuszonej:

rstim>rabs

rstim~ nphot x konc. el w paśmie przew. x konc. dziur w paśmie walenc.

Światło spójne

Lasery półprzewodnikowe

L

mλ = 2L, m =1,2...

rezonator optyczny

77próg dla akcji laserowej

Wykorzystanie studni kwantowych w laserachBell Labs, 1972-75

8

Funkcje własne i gęstości prawdopodobieństwa dla studni potencjału o nieskończonej głębokości

2

2

2

8n

ma

hE

n=

a ~1-50 nm

Studnia kwantowa AlGaAs/GaAs

w laserach półprzewodnikowych:

dozwolone poziomy energetyczne zależą od wymiaru

studni

można dopasować emitowaną długość fali

9

mniejsza gęstość stanów w studni kwantowej

mniejszy prąd progowy niezbędny dla uzyskania

inwersji obsadzeń

Kwantowy laser kaskadowy

multiple quantum wellsingle quantum well

1010

tunelowanie elektronów między kolejnymi studniami

jeden elektron powoduje emisję kolejnych fotonów

InGaAs/InAlAs na podłożu InP

GaAs/AlGaAs, InGaAs/AlAsSb

Kropki kwantowe

11

„elektron w pudełku” – poziomy energetyczne zależą od wymiaru pudełka

Kropki kwantowe – QD LED

12

Absorb

ance (

arb

. units)

Ab

so

rban

ce

(a

rb. u

nits)

3

4

5

6

Absorb

ance (

arb

. u

nits)

1

1.5

2

2.5

Absorb

an

ce

(arb

. u

nits)

Fotoluminescencja kropek kwantowych – efekt wymiaru

13

1200 1600 2000 2400 2800

Absorb

ance (

arb

. units)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700 800

Ab

so

rban

ce

(a

rb. u

nits)

Wavelength (nm)

0

1

2

300 350 400 450 500 550

Absorb

ance (

arb

. u

nits)

Wavelength (nm)

0

0.5

1

250 300 350 400 450

Absorb

an

ce

(arb

. u

nits)

Wavelength (nm)

podczerwieńUV

PLED (polymer light-emitting diode)i OLED (organic light emitting diode

14

Mała praca wyjścia Duża praca wyjścia

LEDy - postęp w wydajności

15

Ważne• Diody LED

- kolor – szerokość przerwy energetycznej

- natężenie światła – natężenie prądu,

- wydajność świecenia - prawdopodobieństwo rekomb radiacyjnej do rekomb

nieradiacyjnej

- dla przerwy skośnej – domieszki izoelektronowe

• Lasery półprzewodnikowe - struktury heterozłączowe

- warunki dla emisji wymuszonej: inwersja obsadzeń i rezonator optyczny λ=2d

- zastosowanie studni kwantowych (mniejszy prąd progowy), lasery kaskadowe (kilka

fotonów z jednego elektronu)

• Nowe pomysły

16

• Nowe pomysły

- kropki kwantowe (relacja kolor-rozmiar kropki)

- organiczne LEDy – formowanie złączy dzięki mozliwości domieszkowania sprzężonych

polimerów, tania technologia