DIODE LUMINESCENTE (LEDs) Dioda luminescenta (Light Emission Diode LED) = surse de lumina din materiale semiconductoare. Fenomen: electroluminescenta = conversia curentului electric in lumina.

Istoric: 1907, H. J. Round descopera fenomenul de electroluminescenta (la aplicarea unei tensiuni de 100 V pe un cristal de SiC)1962, primul LED cu lumina rosie (GaAsP cu 40% P)1968, primul LED comercial cu lumina rosie (GaAsP), eficienta luminoasa 0,2 lm/W; firma Hewlett Packard1980, LED cu o singura heterojonctiune AlGaAs/GaAs, = 660 nm1985, LED cu dubla heterostructura (DH), AlGaAs/GaAs, eficienta luminoasa 4 lm/W1987, LED cu substrat transparent (TS LED), eficienta luminoasa 8 lm/W1994, primul LED comercial cu lumina albastra (GaN); firma Nichia Chemicals; aplicatie: lumini de trafic1998, LED-uri comerciale cu lumina alba; firmele Osram-OS, Nichia Chemicals.

Avantaje:a) acopera intregul spectru al luminii vizibile(InGaN, albastru-verde; AlGaInP, galben-rosu;WLED, lumina alba)b) conversia interna a energiei electrice in luminaeste 100%, dar problema consta in extragerealuminii din materialc) timp de viata foarte lung(cativa ani de functionare continua)

Principiul de functionareTranzitiile radiative banda-banda in:regim direct/ regim indirect Electroluminescenta = conversia purtatorilor de sarcina electrica (electroni) in cuante de lumina (fotoni)Ea implica doua procese:excitarea electronilor in stari de energie inaltarevenirea electronilor in stari de energie joasa, libere, insotita de emisia de fotoni (tranzitie radiativa) sau nu (tranzitie neradiativa).

In semiconductoarele cu banda interzisa directa electronii excitati din banda de conductie (Ec) revin in banda de valenta (Ev) cu respectarea legii conservarii impulsului (k).In semiconductoarele cu banda interzisa indirecta electronii excitati din banda de conductie (Ec) revin in banda de valenta (Ev), dar pentru respectarea legii conservarii impulsului (k) este necesara prezenta unui fonon (cuanta de energie a agitatiei termice). Aceste tranzitii au o probabilitate foarte mica.

Proprietatile optice ale LED-urilor1. Recombinarea radiativaMecanisme de recombinaretranzitie radiativa banda-bandatranzitii banda-nivel de impuritatetranzitie donor-acceptorproces Auger (neradiativ)Tranzitia radiativa banda-banda(recombinare bimoleculara)n = concentratia de electroni; p = concentratia de goluri; cu indice 0, la echilibruB = coeficient de recombinare bimoleculara; R = rata de recombinare;B = 1/(2ni) pentru semiconductor intrinsec (n0 = p0= ni); = timpul de viata alpurtatorilor de sarcina electrica

b) Tranzitii banda-nivel de impuritateNivelele de impuritate sunt stari intermediare in banda interzisa; donori/acceptoric) Tranzitii intre doua nivele de impuritate; foarte eficiente pentru LED-uriEnergia unui foton generat prin mecanismul c) ED (EA) = energia de legatura a donorului (acceptorului)d) Procesul Auger este o recombinare neradiativa(rol minor in LED; foarte important in dispozitivele cu emisie in infrarosu)Ratele de recombinare Auger pentru:- semiconductor extrinsec (n p) semiconductor intrinsec (n0 = p0 = ni)C = coeficient Auger

Proprietatile optice ale LED-urilor(continuare)2. Lungimea de unda emisaLungimea de unda de intensitate maxima (centrul liniei emise de LED) determinata de largimea benzii interzise (Eg) a semiconductorului; = hc/ Eg; largimea liniei: 2Spectrul unui LED de tip AlGaInP pentru diferite directii de emisie (in raport cu normala la suprafata); lumina emisa lateral isi modifica 3. Extractia luminiinumai un procent mic din fotonii generati pot iesi din material deoarece indicii de refractie difera foarte mult(ns = 3-3,5 pentru semiconductor fata de nm = 1-1,5 pentru mediul exterior); apare reflexia totala interna (TIR)Unghiul critic este determinat de indicii de refractie.Eficienta de extractie extr (con de extractie) depinde de unghiul critic; ea trebuie corectata cu coeficientulde reflexie Fresnel.

Proprietatile optice ale LED-urilor(continuare)Conul de extractie la interfata semiconductor-aer pentru un LED de forma cubicaMecanismul de extractie al luminii intr-un LED cu fatete inclinate la 30 (tip Aton; Osram-OS);a) domeniul de unghiuri cuplate din GaN in SiC; b) domeniul de unghiuri ce permit trecerea luminii prin interfata SiC-aer; c) fractiunea de lumina din SiC ce poate fi extrasa

Proprietatile optice ale LED-urilor(continuare)Pentru LED-urile planare (convenabile d.p.v. al fabricatiei) extractia luminii poatefi imbunatatita prin cresterea grosimii stratului transparent de deasupra celui activpana cand conul de extractie paralel cu stratul activ este pe deplin folosit.Daca, in plus, substratul este transparent (TS-LED) este posibil, teoretic, sa extragem lumina prin toate cele sase fete ale cubului (eficienta de extractie: 24%). Datorita procesului de reemisie (neglijat in modelul simplu) se ajunge si la 32% [N.F. Gardner et al., Appl. Phys. Lett. 74 (1999) 2230]Oglinda Bragg = un teanc de perechide straturi cu indici de refractie diferiti,grosimea fiecarui strat fiind /4;fiecare interfata are o reflectanta caredepinde de indicii extremi;m = numarul de perechi de straturiSuprafata texturata[N. Linder et al., Proc. SPIE 4278 (2001) 19

Proprietatile optice ale LED-urilor(continuare)3. Distributia intensitatii luminii emiseDaca se neglijeaza factorii externi mediului activ (reflexia, absorbtia, reemisia) fotonii generati prin tranzitii spontane sunt emisi in mod izotrop (distribuiti uniform in toate directiile) caz ideal.In cazul real intensitatea radianta este descrisa de legea Lambert:= unghiul fata de directia normala la stratul activ(pentru care intensitatea este maxima, I0); Relatia se aplica pentru LED-uri planare. Alte forme de LED-uri: trunchi de piramida inversat Aton [V. Harle et al., Compound Semicond. 6 (2000) 81] cu cavitate rezonanta [K. Streubel et al., Photon. Technol. Lett. 10 (1998) 1685]Distributia intensitatii luminii emise pentru diferite tipuri de LED-uriSus: (a) radianta ideala Lambert; (b) LED de AlGaInP la diferiti curentiMijloc: LED cu cavitate rezonanta la 650 nm, diferite temperaturiJos: (c) LED conventional SiC/InGaN; (d) LED Aton din InGaN

Proprietatile electrice ale LED-urilor

1. ElectroluminescentaUn curent electric (flux de electroni si goluri) este injectat in regiunea activa (emisiva); tensiunea aplicata direct jonctiunii p-n reduce bariera de potential pentru electroni si permite trecerea lor in regiunea p; similar, pentru goluri (ajung in regiunea n); are loc recombinare spontana.Tipuri de structuri:a) LED cu homojonctiune p-n (cea mai simpla)(ex. GaN; emisie in albastru)b) LED cu o singura heterojonctiune (SH)(un semiconductor de tip n cu banda interzisa ingusta siunul de tip p cu banda interzisa mai larga)c) LED cu heterojonctiune dubla (DH)(un semiconductor cu banda interzisa ingusta marginit dedoua straturi din semiconductor cu banda interzisa larga)

LED cu homojonctiune p-nLED cu heterojonctiune dubla(DH)Densitatea de purtatori generatiApn = aria regiunii active; dpn = grosimea;Ja = Ia/Apn = densitatea de curent electricLa echilibru (rata de generare = rata de recombinare), rezulta:A = coef. de recombinare la suprafata;B = coef. de recombinare bimoleculara;C = coef. Auger; n = densitatea de electroni injectati.

Proprietatile electrice ale LED-urilor(continuare)2. Caracteristica I-V (curent-tensiune) pentru jonctiuni p-n

Caz idealIs = curentul de saturatie, obtinut la tensiune inversa (V < 0)Caz realRs = rezistenta serie; cativa ohmi; neglijabila pt. curenti sub 1 mA = factor de idealizare, cuprins intre 1 (ideal) si 2.Caracteristica I-V tipicaLED AlGaInP la temperatura camerei (factor de idealizare notat n);Se disting 3 regimuri de functionare:- la curenti de ordinul A domina tranzitiile neradiative ( = 2) la curenti cuprinsi intre 1 A si 1 mA recombinarea radiativa (efect dorit)este in competitie cu cea neradiativa ( se reduce la 1,3 1,5) la curenti mai mari de cativa mA se obtine o comportare ohmica (Rsdetermina panta caracteristicii)

Eficientele LED-urilorIntr-un LED ideal fiecare electron injectat in stratul activ genereaza un foton cu energia h = Eg; atunci eficienta este 1.In realitate:- nu toti electronii injectati ajung in stratul activ;- nu toti electronii ajunsi in zona activa genereaza fotoni;- nu toti fotonii generati parasesc semiconductorul.Asadar, toate procesele implicate (injectia purtatorilor, recombinarea lor si extractia fotonilor din material) se caracterizeaza prin cate o eficienta; ea poate fi exprimata ca o eficienta (randament) cuantica (cuantic) (numar de electroni si fotoni implicati; exprimare in %) sau ca eficienta de putere (flux luminos raportat la puterea electrica; exprimare in lm/W).In LED-urile reale o parte din curentul electric se pierde in suprafata, in defectele cristalului astfel incat in zona activa ajunge curentul Ia:inj = eficienta de injectiePentru recombinare se defineste eficienta cuantica interna, qi , ca numarul de fotoni generati in unitatea de timp raportat la numarul de electroni injectati in unitatea de timp; ea se exprima in functie de ratele de recombinare, radiativa si neradiativa, sau in functie de timpii de viata coraspunzatori.In ansamblu, eficienta externa, ext, se defineste ca numarul de fotoni emisi din LED in unitatea de timp raportat la numarul de electroni injectati in LED in unitatea de timp. Ea este produsul dintre eficienta cuantica interna si eficienta de extractie extraction; Pout este energia optica emisa de LED in unitatea de timp (marime masurabila); I0 este curentul electric la intrarea in LED.

Eficientele LED-urilor(continuare)Eficienta externa de putere (de patrundere prin straturi) wall-plug efficiencyVf = tensiunea directa pentru o dioda ideala; Vf = Eg/q

LED-uri cu lumina alba (WLED)Spectrul emis de un WLED bazat pe conversia fosforului;Se prezinta si curba sensibilitatii ochiului uman (are maxim la 555 nm, verde).Structura unui WLED:chip de InGaN; cupa de plastic;puncte cuantice de CdSe in rasina[H.S. Chen et al., 2006]Spectre de fotoluminescenta alepunctelor cuantice (QDs) de CdSe/ZnSepentru diferite marimi (crescatoarede la stanga la dreapta) ale QDs[H.S. Chen et al., IEEE PhotonicsTechnol. Lett. 18 (2006) 193]Spectrul de emisie al sistemuluiInGaN cu puncte cuantice de CdSe/ZnSe,comparativ cu cel al unui WLED conventionaldin InGaN/YAG; interior: WLED la 3V/20mA;[H.S. Chen et al., 2006]