Svjetleća dioda (LED - Light Emiting Diode) Dr.sc. Marijana Kraljić Roković, docent. mkralj@fkit.hr

Svjetleća dioda (LED - Light Emiting Diode) Dr.sc. Marijana Kraljić Roković, docent mkralj@fkit.hr

Svjetleća dioda (LED - Light Emiting Diode) To je vrsta poluvodičke diode koja emitira svjetlost kad kroz nju teče struja tj kad je na krajevima primijenjen napon. Prilikom rekombinacije elektrona i šupljina emitira se zračenje koje je rezultat raspada pobuđenog stanja (ekscitona). Takvo svojstvo imaju anorganski poluvodiči galijev arsenid (GaAs), galijev fosfid (GaP) i silicijev karbid (SiC). Ta pojava se naziva elektroluminiscencija. Boja emitiranog svjetla ovisi o poluvodiču, kao i o primjesama u njemu i varira od infracrvenog preko vidljivog do ultraljubičastog dijela spektra. Elektroluminiscencija kod vodljivih polimera rezultat je rekombinacije elektroni i šupljine koji se generiraju u sendvić strukturi sastavljenoj od dva sloja vodljivih polimera primijenom napona na vanjskim krajevima polimera. Moguće je koristiti samo jedan sloj vodljivog polimera.

Poli(p-fenilen vinilen) (PPV) vodljivi polimer kod kojeg se može postići visoki stupanj kristaličnosti. Ovaj sloj se može upotrijebiti kao emisijski sloj kod LEDa. Moguće je formirati sloj ovog polimera bez defekta. U teoriji bilo koji vodljivi polimer može poslužiti za formiranje ekscitona prilikom ubacivanja naboja. Međutim u praksi je otežana obradivost vodljivih polimera, a uz to teško je izbjeći prisustvo nečistoća koje dovode do gašenja ekscitona što ograničava upotrebu vodljivih polimera kao materijala za LED. Vodljivi polimeri koji se mogu upotrijebiti kao LED: -PPV, PPV na kojem je supstituirana CN skupina -poli-alkiltiofen - lako ga je obraditi u nedopiranom stanju, nema defekata, lako je uvesti promijene u strukturu što dovodi do promijene u veličini zabranjene zone, a samim time do promijene boje -poli(p-fenilen) Korištenjem raznih supstituenata na vodljivom polimeru može se postići promijena boje LEDa. Vodljivi polimeri najčešće služe kao anode ili pomažu pri ubacivanju šupljina (polianilin ili PEDOT:PSS).

Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-tetramethacrylate ili PEDOT-TMA Polimer koji se može koristiti kao LED, a prednost u odnosu na PEDOT mu je što je manje korozivan i lakše se dispergira

PRINCIP RADA: Na jednoj strani se ubacuju elektroni, a na drugoj šupljine koji se rekombiniraju i stvaraju ekscitone. Pri tome dolazi do zračenja energije čija frekvencija je unutar vidljivog područja. Energija zračenja ovisi o energiji zabranjene zone. Kao anoda najčešće se koristi ITO jer ima veliki izlazni rad što omogućava ubacivanje šupljina u valentnu vrpcu organskog materijala. Najčešće se kao vodljivi polimer koristi PEDOT/PSS koji ima valentnu vrpcu iznad izlaznog rada ITO, a ispod valentne vrpce nekog drugog polimera što olakšava ubacivanje šupljina. Kao katoda može se koristiti, Ca, Ba, Mg jer imaju mali izlazni rad što će olakšati ubacivanje elektrona. Ovi metali su reaktivni pa su često zaštićeni aluminijem. SHEMA SVJETLEĆE DIODE (LEDa) katoda emisijski sloj sloj kroz koji putuju šupljine anoda staklo

Shema organskog LED: 1. katoda ( ), 2. emisijski sloj, 3. emisija zračenja, 4. vodljivi sloj koji provodi šupljine, 5. anoda (+)

Procesi koji karakteriziraju LED: -ubacivanje elektrona i šupljina -transport elektrona i šupljina -formiranje ekscitona -radioaktivno zračenje uslijed raspada ekscitona Da bi se olakšalo ubacivanje šupljina i elektrona izlazni rad (redoks potencijal, energija ionizacije ili elektronski afinitet) treba biti takav da omogući ubacivanje elektrona i šupljina u vodljivi polimer ili neki drugi materijal. Kod vodljivih polimera niska je energija ionizacije stoga je ubacivanje šupljina jednostavno. Puno teže je postići ubacivanje elektrona kod vodljivih polimera. E vodljiva vrpca pn spoj vodljiva vrpca Ca Al Au ITO + + + valentna vrpca Dijagram energetskih nivoa kod dva poluvodička materijala koji tvore u pn spoj. valentna vrpca

Osim što je bitno ubacivanje elektrona i šupljina bitno je njihovo kretanje kroz sloj poluvodiča. Kao negativni efekt može se javiti rekombinacija elektrona i šupljina u blizini elektrode preko koje ubacujemo naboj što će smanjiti djelotvornost uređaja ili će doći do prestanka emisije LED. Ova pojava može biti posljedica nejednolike brzine kretanja elektrona i šupljina i na nju se može utjecati odabirom katodnog materijala.

Organski LED Koriste se razni organski materijali koji pokazuju svojstvo elektroluminiscencije. Također je potrebno imati mati materijal koji će provoditi elektrone i šupljine. Polimerni LED je dio OLEDa. SHEMA SVJETLEĆE DIODE (LEDa) sloj za transport elektrona sloj unutar kojeg dolazi do rekombinacije sloj za transport šupljina sloj za ubacivanje šupljina

Primijer OLEDa: (8-hydroxyquinoline) aluminum (Alq3) and N,N-bis(3-methylphenyl)-N,Ndiphenylbenzidine (TPD)

IZLAZNI RAD Elektroni su u metalu popunjeni do određenog enegetskog nivoa, Fermijev nivo. Svi metali imaju energiju ispod vakumskog nivoa što znači da je elektronu potrebno dati energiju da pređe iz metala u vakumski nivo. Da bi se elektron izdvojio iz atoma potrebno je utrošiti određeni rad tj. dovesti energiju neophodnu za savladavanje privlačnih sila. Taj rad se naziva izlazni rad. Vakumski nivoj Fermi nivo Φ

Kontakt dva metala Kad dva metala dođu u kontakt nastaje preraspodjela naboja i potencijala na međufazi Počinje izmjena elektrona dok se ne izjednače Fermi nivoi. izlazni rad Φ 2 -Φ 1 + - Φ 1 Φ 2 E F E F E F E F Kontakt metal poluvodič Razlika između kontakta metal-metal i metal-poluvodič je u tome što je broj slobodnih elektrona u poluvodiču znatno manji pa je sloj osiromašen elektronima znatno deblji nego kod metala. Zbog pojave sloja prostornog naboja u poluvodiču se javlja električno polje. Kod poluvodiča dolazi do savijanja vrpci, a smjer savijanja ovisi o tome da li je poluvodič p ili n tipa i o tome da li prima ili otpušta elektrone..

Metal-poluvodič n-tipa Φ metal >Φ poluvodič savijanje vrpci kod poluvodiča Φ metal <Φ poluvodič iscrpni sloj E c sloj povećane vodljivosti E c E D E D E V E V Metal-poluvodič p-tipa Φ metal >Φ poluvodič sloj povećane vodljivosti E c Φ metal <Φ poluvodič E c E A iscrpni sloj E A E V E V

Kontakt poluvodič n tipa-poluvodič p tipa PN spoj u ravnoteži N P Energijski dijagram PN spoja u ravnoteži Vodljiva vrpca bez napona N P + + + E F napon u zapornom smjeru + + + valentna vrpca N P N-poluvodič prijelazno područje P-poluvodič napon u propusnom smjeru

Spajanje n i p tipa poluvodiča te nastajanje pn spoja. Unutar p-n spoja dolazi do elektroluminiscencije pn spoj napon u propusnom smijeru smijeru napon u zapornom smijeru

PLED se koristi za : - televizijskih ekrana i monitora -malim ekranima u prijenosnim uređajima kao što su mobiteli, PDA, indikatori, satovi - za rasvjetu

Prednosti PLED pred standardnim LED Mala cijena u budućnosti zbog boljih procesa proizvodnje podloga. Lagan i moguće nanošenje na fleksibilnu podlogu Širi kut gledanja. Manja potrošnja energije Brži odziv

Nedostaci Kratak životni vijek. Trenutna cijena. Problemi s degradiranjem prikaza plave boje. Degradacija zbog UV zračenja. Osjetljivost na vodu. Zapečena slika.