Elektroluminescencyjne źródła światła: LED, OLED i struktury Destriau

fot. Wikimedia Commons

Scharakteryzowano elektroluminescencyjne źródła światła: LED, OLED i struktury Destriau. OLED i struktury Destriau są powierzchniowymi źródłami światła o niewielkiej grubości, w których emisja światła następuje w półprzewodniku organicznym lub nieorganicznym. Diody LED są punktowymi źródłami emitującymi światło w obszarze złącza p-n wytworzonego na bazie krystalicznej struktury półprzewodników nieorganicznych. LED i OLED należą do najnowszych typów źródeł światła, których konstrukcja rozwija się najbardziej dynamicznie. Uważa się, że za 10 lat staną się masowymi źródłami światła. W różnorodnych zastosowaniach będą się wzajemnie uzupełniać, nie konkurując ze sobą.

Luminescencja, tzw. zimne świecenie, jest zjawiskiem fizycznym, które polega na emisji promieniowania elektromagnetycznego o większym natężeniu niż promieniowanie cieplne w danej temperaturze oraz przy warunku, że czas trwania tego promieniowania znacznie przewyższa okres fali emitowanej. Tym samym jest to promieniowanie wywołane przyczynami innymi niż jedynie sam wzrost temperatury emitującego źródła [1]. W zależności od sposobu wzbudzania takiego promieniowania można wyróżnić wiele rodzajów luminescencji, w tym elektroluminescencję wywołaną przez oddziaływanie pola elektrycznego.

Powszechnie przyjmuje się, że zjawisko elektroluminescencji zostało po raz pierwszy zaobserwowane i udokumentowane przez Anglika Henry’ego Josepha Rounda w roku 1907. Round zaobserwował wówczas emisję światła widzialnego z kryształu węglika krzemu (SiC) o przewodnictwie typu n. Uformowane w doświadczeniu Rounda złącze metal-półprzewodnik, spolaryzowane napięciem od 10 V do 110 V, emitowało światło o różnych barwach: żółtej, zielonej, pomarańczowej oraz niebieskiej [1, 2].

W 1936 roku francuski fizyk Georges Destriau (1903-1960) opublikował wyniki swych badań dotyczących luminescencji obserwowanej w sproszkowanym siarczku cynku (ZnS) i jako pierwszy użył on wyrażenia elektroluminescencja do określenia badanego przez siebie zjawiska [3]. Georges Destriau umieścił kryształy siarczku cynku, zawierającego śladowe domieszki miedzi, w oleju rycynowym pomiędzy dwiema płytkami miki, do których doprowadził zmienne w czasie silne pole elektryczne i zauważył, że kryształy siarczku cynku emitują światło. Zaobserwowane zjawisko nazwał „elektroluminescencją”. W dalszych swych doświadczeniach olej rycynowy zastąpił innym materiałem dielektrycznym.

W latach 20. i 30. ubiegłego wieku zjawisko elektroluminescencji traktowano jako ciekawostkę niemającą perspektywy jakiegoś zastosowania, gdyż emitowane światło było bardzo słabe i widoczne tylko w ciemności.

Colin Harold Gooch, w swej książce „Injection electroluminescent devices” wydanej w 1973 r. [4] napisał, że G. Destriau jako pierwszy użył określenia elektroluminescencja w odniesieniu do zjawiska emisji światła wywołanej oddziaływaniem pola elektrycznego. Ponadto zauważył również, że efekt opisany przez Rounda i innych badaczy należy odróżnić od efektu opisanego przez Destriau.

Zjawisko obserwowane przez Rounda polega na emisji światła spowodowanej przepływem prądu przez półprzewodnikowe złącze prostujące (złącze metal-półprzewodnik lub złącze p-n) i jest podstawą działania diod elektroluminescencyjnych (LED) [4].

W odróżnieniu od niego G. Destriau obserwował świecenie warstwy siarczku cynku na skutek oddziaływania zewnętrznego, zmiennego w czasie pola elektrycznego. Ten efekt jest nazywany „elektroluminescencją czystą” lub „wewnętrzną” jak również „efektem Destriau” i jest podstawą działania wyświetlaczy elektroluminescencyjnych.

Pierwszy raz w materiałach organicznych zjawisko elektroluminescencji zostało zaobserwowane w 1950 r. przez Francuza André Bernanose, który wraz ze swymi współpracownikami z Uniwersytetu w Nancy zauważył słabe świecenie warstwy materiału organicznego (pochodna akrydyny - oranż akrydynowy) po przyłożeniu do niej wysokiego napięcia przemiennego (AC) [5].

Jednym z pierwszych związków organicznych, w których odkryto zjawisko emisji światła pod wpływem oddziaływania zewnętrznego pola elektrycznego, był polifenylenowinylen. Okazało się, że ten przewodzący polimer może pod wpływem przyłożonego napięcia emitować światło zielone lub żółtozielone.

Odkrycia tego dokonano w roku 1989 w Laboratorium Cavendisha Uniwersytetu Cambridge. Pracując w grupie badawczej profesora Richarda Frienda, Jeremy Burroughes odkrył, że organiczne diody elektroluminescencyjne (OLED - Organic Light Emitting Diode) można wytworzyć przy wykorzystaniu polimerów o układach sprzężonych (polimery przewodzące) [6].

LED – diody elektroluminescencyjne 

Efekt, w którym występuje wstrzykiwanie (iniekcja) nośników ładunku w obszar złącza prostującego typu metal-półprzewodnik lub złącze p-n, jest podstawą działania diod elektroluminescencyjnych (light-emitting diode).

W roku 1961 amerykańscy naukowcy, Robert Biard i Gary Pittman, skonstruowali diodę emitującą światło w zakresie bliskiej podczerwieni na bazie arsenku galu. Ten fakt można uznać za początek nowej dziedziny techniki – optoelektroniki, po 54 latach od odkrycia przez Rounda elektroluminescencji.

W 1962 r. amerykański zespół badawczy kierowany przez Nicka Holonyaka jako pierwszy zaprezentował diodę świecącą w zakresie widzialnym, otrzymaną na bazie GaAs [7]. Skonstruowana przez nich dioda w temperaturze ciekłego azotu emitowała światło spójne (akcja laserowa) o długości fali 710 nm (światło czerwone) i o szerokości połówkowej 1,2 nm. W temperaturze pokojowej promieniowanie diody nie było już koherentne, długość fali była nadal 710 nm, lecz szerokość połówkowa miała wartość 12,5 nm; była to więc typowa dioda LED.

Efekt świecenia uzyskuje się przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia. Przy braku polaryzacji na złączu p-n pojawia się bariera potencjału, w przybliżeniu równa szerokości przerwy energetycznej materiału. Na skutek polaryzacji w kierunku przewodzenia bariera ulega obniżeniu i przez złącze może przepływać prąd. Przepływ prądu zwykle jest spowodowany kilkoma procesami, ale na ogół tylko jeden z nich powoduje wzbudzenie, którego rezultatem są procesy rekombinacji promienistej i emisja światła.

Zwykle istotną rolę w przepływie prądu odgrywa prąd dyfuzyjny. Obniżenie bariery potencjału powoduje, że elektrony z materiału o przewodnictwie typu n dyfundują przez złącze do materiału typu p i rekombinują z nośnikami większościowymi (dziurami).

Rys. 1. Schemat pasm przedstawiający półprzewodnikowe złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia [8]

W ostatnich kilkunastu latach nastąpił bardzo szybki postęp w technologiach, materiałach i produkcji diod LED. Okazało się, że mają one szereg zalet w porównaniu z innymi źródłami światła i w związku z tym skala ich zastosowań stale się rozszerza. Przede wszystkich ich trwałość, oceniana na 100 000 godzin pracy, znacznie przewyższa trwałość innych źródeł. Diody LED cechuje też coraz wyższa skuteczność świetlna, obecnie przekraczająca już wartość 100 lm/W, a w perspektywie kilku lat przewiduje się podwojenie tej wartości. Produkcja ich jest coraz tańsza, a widmo emitowanego światła może pokrywać cały zakres widzialny (produkcja diod na podczerwień też jest bardzo rozwinięta). Sprawność zewnętrzna obecnie produkowanych diod LED, w wielu przypadkach przekracza nawet 60%.

Diody elektroluminescencyjne zwykle charakteryzowane są wieloma różnymi parametrami technicznymi, a podstawowe parametry diod LED to:

• sprawność kwantowa (zewnętrzna),
• luminancja,
• skuteczność świetlna,
• trwałość,
• długość fali emitowanego światła,
• szerokość widmowa,
• temperatura barwowa,
• moc wyjściowa,
• maksymalny prąd przewodzenia zasilający diodę (mA),
• maksymalne napięcie wsteczne (V),
• częstotliwość graniczna,
• czas włączenia i wyłączenia (narastania i opadania).

Zewnętrzna sprawność kwantowa zwykle jest też przedstawiana w postaci iloczynu:

η_z = η_w η_o

gdzie:

η_w – wewnętrzna sprawność kwantowa, przy czym η_w = Φ_w/n (Φ_w - oznacza liczbę fotonów wygenerowanych w jednostce czasu w obszarze czynnym),

η_o – miara ekstrakcji promieniowania z obszaru czynnego na zewnątrz diody (wyprowadzenie światła na zewnątrz) nosząca nazwę „współczynnika ekstrakcji”.

O wielkości η_w decydują procesy rekombinacji w obszarze czynnym diody, co można określić za pomocą wzoru [9]:

η_w = 1 / (1+ τ_p/τ_n)

gdzie τ_p i τ_n są czasami życia nośników odpowiednio w procesie rekombinacji promienistej i niepromienistej zachodzącej w obszarze czynnym. We współczesnych diodach sprawność kwantowa może osiągnąć wartości nawet powyżej 60% [10].

Kolejnym parametrem diody LED jest luminancja (ilość światła, które przechodzi lub jest emitowane przez określoną powierzchnię i mieści się w zadanym kącie bryłowym; jest miarą wrażenia wzrokowego, które odbiera oko ze świecącej powierzchni), która ze względu na małe rozmiary powierzchni czynnej diody LED osiąga bardzo wysokie wartości, nawet większe niż 10 Mcd/m2, co jest porównywalne z luminancją żarnika żarówki o dużej mocy. Tak duża wartość luminancji stanowi poważne zagrożenie dla oka i dlatego jest ona w różny sposób ograniczana.

Jedną z podstawowych cech diod LED jest ich energooszczędność, szczególnie eksponowana w reklamach. O energooszczędności źródeł światła mówi ich skuteczność świetlna, która wyrażana jest w lumenach na wat [lm/W]. Parametr ten określa, jaki strumień świetlny, wyrażony w lumenach, wytwarza źródło światła z dostarczonej jednostki mocy, wyrażonej w watach. Obecnie dostępne na rynku diody osiągają tę skuteczność na poziomie od ok. 80 lm/W do ok. 120 lm/W. Dla porównania skuteczność świetlna żarówek głównego szeregu wynosi do 18 lm/W, niskonapięciowych żarówek halogenowych do 25 lm/W, a nowoczesnych świetlówek do 105 lm/W. Według prognoz w niedalekiej przyszłości wielkość emitowanego strumienia świetlnego wyniesie około 1500 lm przy sprawności od 150 do 200 lm/W [11].

Ważnym parametrem diod LED, wyróżniającym je spośród pozostałych źródeł światła, jest ich bardzo duża trwałość dochodząca nawet do 100 tys. godzin. Strumień świetlny diod maleje w czasie i w normalnych warunkach pracy dioda nie ulega nagłemu przepaleniu. Dlatego też w odniesieniu do trwałości omawianych diod należy korzystać z definicji połowicznego czasu życia lub użytecznego czasu życia. Zazwyczaj trwałość użyteczną wyznacza się przy spadku strumienia świetlnego do 70% wartości początkowej. Natomiast w przypadku wykorzystania diod do celów przemysłowych przyjmuje się określenie trwałości diod jako liczby godzin, w czasie których nastąpi spadek o 50% początkowej intensywności świecenia.

Czynnikami, które mają wpływ na trwałość diod są między innymi: prąd sterujący diody, temperatura otoczenia złącza półprzewodnikowego, jak również wilgotność środowiska, w jakim złącze pracuje. Główną przyczyną spadku strumienia świetlnego i skrócenia trwałości LED jest ciepło wytwarzane na złączu półprzewodników (złącze p-n). W celu zapewnienia odpowiednich warunków pracy LED ciepło ze złącza p-n musi zostać odprowadzone na drodze przewodzenia lub konwekcji, np. za pomocą elementów dobrze przewodzących ciepło i wentylatorów. Do odprowadzenia ciepła ze złącza stosuje się radiatory i wentylatory. Przy braku zastosowania odpowiednio zaprojektowanego radiatora lub wentylacji temperatura diody wzrasta, a ciągła praca w wysokiej temperaturze spowoduje trwałe obniżenie strumienia świetlnego (skuteczności świetlnej) i trwałości LED. Skrócenie trwałości LED może również nastąpić w wyniku nieodpowiedniego zasilania.

Innym ważnym parametrem LED jest długość fali (λ) emitowanego światła, przy której występuje maksimum promieniowania. W zależności od użytego materiału do wykonania diody jest możliwe uzyskanie praktycznie dowolnej barwy światła widzialnego (żółta, czerwona, zielona, niebieska, pomarańczowa, a także biała), jak również z zakresu bliskiej podczerwieni. Uzyskuje się to poprzez odpowiednie domieszkowanie, tworzenie zestawów diod o wybranych barwach światła, jak również przez sterowanie ich strumieniem świetlnym.

Kolejnym parametrem jednobarwnych diod LED jest tzw. szerokość widmowa (szerokość spektralna), czyli przedział długości fal (zwykle wyrażony w nanometrach), dla których natężenie emitowanego promieniowania jest większe od połowy maksymalnej jego wartości (w charakterystyce spektralnej promieniowania diody). Parametr ten określa jakość promieniowania monochromatycznego diody i przyjmuje wartości do około 20 do 100 nm. 

Dla diod LED emitujących światło białe określa się tzw. temperaturę barwową (temperatura ciała czarnego o takiej samej chromatyczności jak dla ciała badanego). Możliwe jest wytwarzanie białych emiterów LED w szerokim zakresie temperatur – od tych odpowiadających światłu ognia o bardzo ciepłej barwie, poprzez barwę światła żarówki, idealną biel odpowiadającą światłu słonecznemu, po chłodne i bardzo zimne światło charakterystyczne dla lamp fluoroscencyjnych i rtęciowych. Klasyczne źródła światła nie mają możliwości prostej regulacji barwy światła.

W wielu zastosowaniach diod LED istotną rolę odgrywa ich moc wyjściowa (moc promieniowania emitowanego przez diodę). Moc promieniowania diody LED (PLED) zmienia się w funkcji prądu I w przybliżeniu w sposób liniowy, zgodnie z zależnością teoretyczną [12]:

P_LED = η_z [(hc/qλ)1]

gdzie:

η_z – wydajność kwantowa, jaka maleje wraz ze wzrostem temperatury, więc należy uwzględnić to, że przepływ prądu przez diodę LED spowoduje wydzielanie się ciepła na jej złączu p-n, a tym samym wystąpi wzrost temperatury tego złącza, co z kolei powoduje, że wydajność kwantowa jest pośrednio zależna od natężenia prądu I,

h – stała Plancka,

c – prędkość światła w próżni,

q – ładunek elementarny,

λ – długość fali emitowanego promieniowania).

Producenci zwykle podają jej wartość dla maksymalnego dopuszczalnego prądu diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia. Wartości tego prądu są na ogół z przedziału od 20-1500 mA, zależnie od typu diody, a moc wyjściowa od ułamków miliwatów nawet do kilku watów.

Podaje się również wartość dopuszczalnego maksymalnego napięcia wstecznego, które zwykle ma wartości od kilku do kilkunastu woltów.

Innymi ważnymi parametrami diod LED są ich czasy włączenia i wyłączenia, które definiuje się odpowiednio jako czas, po upływie którego światłość diody wzrasta od 10% do 90% swej światłości maksymalnej (dla określonej wartości prądu) przy włączeniu diody oraz czas spadku światłości od 90% do 10% przy jej wyłączeniu.

Czas włączenia diod LED nie przekracza 100 ns, a czas wyłączenia 200 ns (dla diod stosowanych w telekomunikacji te czasy są na poziomie kilku nanosekund). W porównaniu z żarówkami są to czasy kilka milionów razy krótsze! Typowa żarówka osiąga 90% swej światłości po czasie 200 ms. Czasy włączenia lamp fluoroscencyjnych i wyładowczych są jeszcze dłuższe i nawet mogą sięgać rzędu kilku minut (np. uliczne lampy sodowe i rtęciowe).