Laboratorium z fotofizyki i fotochemii

Ćwiczenie 52

Charakterystyka widmowa diod

elektroluminescencyjnych (LED)

Opracowali:

Dr inż. Jarosław Jung

Dr inż. Marcin Kozanecki

Łódź 2010

1. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z charakterystykami widmowymi kilku diod

elektroluminescencyjnych emitujących światło o różnej barwie. Porównanie doznań oka

ludzkiego z rzeczywistym widmem emisyjnym diod, w których barwę uzyskano poprzez dobór

bariery energetycznej złącza p-n, lub poprzez użycie odpowiednich filtrów optycznych.

2. Wstęp

Jedną z podstawowych charakterystyk sporządzanych dla źródeł światła jest ich widmo

emisyjne. W zależności od zastosowania celem inżynierów jest uzyskanie źródeł światła o jak

najszerszym widmie, dodatkowo zbliżonym do widma światła naturalnego (np. oświetlenie

pomieszczeń), bądź też diod emitujących w wąskim zakresie długości fal (m.in. lampy

sygnalizacyjne, fotokomórki, urządzenia zdalnego sterowania i inne). W przypadku

konwencjonalnych źródeł światła (żarówki, świetlówki) możliwość „sterowania” barwą

emitowanego światła ograniczona jest praktycznie tylko do stosowania odpowiednich filtrów.

Bez wątpienia zaletą diod elektroluminescencyjnych LEDs (z ang. Light Emitting Diodes) w

porównaniu z żarówkami, bądź świetlówkami jest możliwość uzyskania określonej barwy

ś

wiatła nie tylko poprzez użycie filtrów, lecz również na drodze odpowiedniego doboru

półprzewodników, z którego dioda jest wykonana (dobór bariery potencjału na złączu p-n).

2.1. Fotometria. Podstawowe pojęcia i zależności.

Postrzeganie świata jest cech osobniczą i może dość znacznie różnić się w ramach

jednego gatunku, nie mówiąc już o porównaniu międzygatunkowym, np. oczy wielu gatunków

ptaków aktywnych w ciągu dnia bardzo wrażliwe są na promieniowanie z zakresu UV, podczas

gdy zwierzęta prowadzące nocny tryb życia mają wzrok wyczulony na zakres podczerwieni.

Znane są gatunki zwierząt nie posiadające zdolności rozróżniania barw. Czułość ludzkiego oka

(przyjmuje się, że oko ludzkie aktywne jest w zakresie 380-760 nm) bardzo silnie zależy od

długości fali promienowania oraz natężenia światła, w związku z czym proste wielkości

radiometryczne są słabo przydatne do oceny efektów działania danego promieniowania z zakresu

fal widzialnych na ludzkie oko. Działem optyki, który zajmuje się pomiarem światła w

odniesieniu do wrażenia, jakie wywołuje na ludzkie oko jest fotometria. Można zatem uznać, że

jest to dość specyficzny, „subiektywny” dział fizyki. W związku z tym fotometria wypracowała

swój system pojęć i jednostek, odbiegający nieco od standardowych pojęć radiometrii i jednostek

układu SI, wygodnych jednak z praktycznego punktu widzenia.

Podstawową wielkością fotometrii jest światłość (natężenie źródła światła) I

ν

zdefinowana jako stosunek strumienia świetlnego (

φ

) (wyrażonego w lumenach) do kąta

bryłowego (

Ω

). Jednostką światłości w układzie SI jest kandela (cd), przy czym 1cd to światłość

ciała doskonale czarnego o powierzchni 1/6 10

-5

m

2

w temperaturze krzepnięcia platyny pod

normalnym ciśnieniem. Należy pamiętać jednak, że pomiary radiometryczne są mam w stanie

dostarczyć jedynie wartości natężęnia promieniowania (I) wyrażonego w W/sr, bez

uwzględniania czułości ludzkiego oka. Na użytek fotometrii warto znać zatem zależność

pomiędzy światłością źródła, a natężeniem promieniowania:

)

(

)

(

)

(

λ

λ

χ

λ

ν

I

K

I

m

=

(1)

gdzie:

χ

(

λ

)

jest współczynnikiem uwzględniającym średnią czułość ludzkiego oka w funkcji

długości fali promieniowania (patrz rysunek 1), zaś stały współczynnik K

m

= 683 lm/W (tzw.

fotometryczny równoważnik promieniowania) pochodzi z „fotometrycznej” definicji kandeli

definiującej ją jako światłość, jaką ma w określonym kierunku źródło emitujące promieniowanie

monochromatyczne o częstości 5,4×10

14

Hz (ok. 555nm) i którego energetyczne natężenie

promieniowania w tym kierunku wynosi 1/683 W/sr. Średnia względna czułość ludzkiego oka

zależy silnie od natężenia światła i związana jest z aktywnością światłoczułych receptorów

znajdujących się na siatkówce naszego oka: czopków i pręcików. Czopki są receptorami

umożliwiającymi widzenie barwne i są odpowiedzialne przede wszystkim za tzw. widzenie

fotopowe (dzienne). Ludzkie oko zawiera trzy rodzaje czopków różniących się charakterystyką

widmową – patrz rysunek 2. Oznacza to, że reagują one w różny sposób na daną barwę światła.

Jak widać z rysunku 2 maksima ich absorpcji przypadają dla światła o długości fali około 700,

530 nm i 420 nm, co odpowiada barwie czerwonej, zielonej i niebieskiej. Wyseparowanie

poszczególnych czopków oraz określenie ich charakterystyk widmowych stało się podstawą

stworzenia modelu barw RGB – omówionego w dalszej części instrukcji. Analiza sygnałów od

poszczególnych rodzajów czopków wzbogacona odpowiednio o sygnał z pręcików pozwala na

ocenę barwy i intensywności promieniowania widzialnego docierającego do ludzkiego oka.

Pręciki są receptorami około trzykrotnie bardziej czułymi niż czopki i są odpowiedzialne za

ocenę zmian intensywności promieniowania. Biorą udział w widzeniu skotopowym (nocnym).

Maksimum ich absorpcji przypada na zakres około 500 nm. Porównując rysunki 1 i 2 łatwo

zauważyć zatem, że czułość ludzkiego oka w widzeniu skotopowym odpowiada maksimum

absorpcji pręcików, podczas gdy w widzeniu fotopowym jest superpozycją absorpcji wszystkich

fotoreceptorów.

Rys.1. Krzywe czułości względnej oka ludzkiego w widzeniu skotopowym (krzywa szara) i fotopowym (krzywa

zielona). Krzywe te odpowiadają widzialności względnej (skuteczności względnej) promieniowania.

Rys.2. Krzywe czułości pręcików(krzywa czarna) i czopków(krzywe barwne) oka ludzkiego (zaczerpnięto z

http://pl.wikipedia.org/).

Kolejną podstawową wielkością charakteryzującą źródło promieniowania w fotometrii

jest strumień świetlny (

φ

) – ilość energii przenoszonej przez falę elektromagnetyczną przez

dowolną powierzchnię w jednostce czasu. Jednostką strumienia świetlnego jest lumen [1 lm = 1

cd—1 sr]. Całkowity strumień świetlny wyrażony jest wzorem:

λ

λ

χ

λ

φ

λ

λ

d

W

K

m

)

(

)

(

1

2

∫

=

(2)

gdzie: W(

λ

)

moc promieniowania wyrażona w watach. Przyjmuje się, że dla światła o długości

555 nm jednemu lumenowi odpowiada promieniowanie o mocy 0,00147 W.

Ważnymi parametrami charakteryzującymi źródła światła są emitancja świetlna (M) i

luminancja (L) zdefiniowane odpowiedno jako strumień świetlny wypromieniowywany przez

dany element powierzchni (dS) oraz jako natężenie promieniowania w danym kierunku przez

dany element powierzchni:

dS

d

M

φ

=

(3)

θ

ν

cos

dS

dI

L

=

(4)

gdzie

θ

jest to kąt zawarty pomiędzy wybranym kierunkiem, a normalną do powierzchni dS.

Jednostką emitancji w fotometrii jest lmm

-2

, zaś luminancji nit [1 nt = 1 cd—1 m

-2

].

Ważnymi parametrami opisujące źródła emitujące światło o różnych długościach fali (

λ) są

również pojęcia gęstości monochromatycznych: strumienia energetycznego (

φ

λ

), natężenia

promieniowania (I

λ

), emitancji (M

λ

) i luminancji (L

λ

), zdefiniowane następująco:

λ

φ

φ

λ

d

d

=

(5)

λ

ν

λ

d

dI

I

=

(6)

λ

λ

d

dM

M

=

(7)

λ

λ

d

dL

L

=

(8)

Bardzo istotnym pojęciem w fotometrii jest natężenie oświetlenia E

ν

zdefiniowane jako

stosunek strumienia świetlnego do wielkości oświetlanej powierzchni (

∆S):

S

E

∆

=

)

(

)

(

λ

φ

λ

ν

(9)

Jednostką natężenia oświetlenia jest luks [1lx = 1lm—1 m

-2

].

Z punktu widzenia oświetlenia pomieszczeń bardzo istotny jest rozkład widmowy źródła

ś

wiatła (charakterystyka widmowa), czyli zależność natężenia promieniowania dla danej

długości fali. W przypadku LED-ów możliwe jest dość dokładne zaprojektowanie tego rozkładu

pod warunkiem znajomości struktury pasmowej półprzewodników wykorzystywanych do

budowy diody elektroluminescencyjnej – patrz rozdział 2.3.

Dobrym wzorcem dla porównania rozkładów spektralnych różnych źródeł światła może

być promieniowanie ciała doskonale czarnego. Rys. 3 przedstawia widma emisyjne ciała

doskonale czarnego w różnych temperaturach. Zgodnie z prawem Stefana-Boltzmana emitancja

ciała doskonale czarnego rośnie z czwartą potęgą temperatury:

4

T

M

σ

=

(10)

gdzie:

σ

jest stałą Stefana-Boltzmana równą 5,669 10

-8

Wm

-2

K

-4

. Należy zauważyć również, że

wzrost temperatury ciała doskonale czarnego skutkuje przesunięciem maksimum emisji w

kierunku fal krótszych. Przesunięcie to opisuje prawo Wiena, głoszące, że iloczyn temperatury

oraz długości fali odpowiadającej maksymalnej emitancji jest wielkością stała równą 2,898 10

-3

mK (tzw. stała Wiena). Jak wcześniej wspomniano maksymalną czułość ludzkie oko wykazuje

dla światła o

λ

≈ 555 nm, co odpowiada promieniowaniu ciała doskonale czarnego w

temperaturze około 5500 K. Jest to wartość zbliżona do temperatury powierzchni słońca, którego

widmo emisyjne zbliżone jest do widma ciała doskonale czarnego. Jest to doskonały przykład

ewolucyjnego dostosowywania się organizów żywych do warunków środowiska. Sztuczne

ź

ródła światła żarówki i świetlówki mimo szerokiego widma emisji dają rozkłady spektralne

znacznie odbiegające od widm źródeł naturalnych. Maksimum emitancji wolframu będącego

podstawowym

składnikiem

ż

arnika

w

temperaturze pracy żarówki (tj. około 3000

K) przypada na zakres podczerwieni,

dodatkowo silnie absorbowany jest zakres

ultrafioletu przez szklaną bańkę żarówki.

Wadą świetlówek jest ich dyskretne widmo,

przez co nie oddają one poprawnie barw.

Również widma obecnie produkowanych

LED-ów dalekie są od ciągłego spektrum

ciała doskonale czarnego. Dotyczy to

zarówno diod RGB, ARGB, jak i diod

wykorzystujących fosfory (diody te zostaną

omówione w dalszej części instrukcji).

Rys. 3. Emitancja ciała doskonale czarnego w funkcji

temperatury. Zaczerpnięto z http://pl.wikipedia.org/

2.2. Przestrzenie barw.

Opis światła w postaci widma jest wystarczający z punktu widzenia wielu dziedzin

aktywności człowieka. Istnieje jednak wiele dziedzin, gdzie widmo przestaje być użyteczne,

szczególnie tam, gdzie niezbędne jest „odtworzenie” konkretnej barwy. Technologia wymaga

automatyzacji i powtarzalności, co zapewnić może jedynie liczbowy opis zjawisk i obiektów –

dotyczy to przede wszystkim technologii drukarskich i poligraficznych, produkcji sprzętu

audiowizualnego oraz technologii produkcji fabr i barwników (wraz z dziedzinami

wykorzystującymi produkty tej gałęzi przemysłu – przemysłem tekstylnym, spożywczym itd.),

grafiki komputerowej, fotografii, itp. Z tego właśnie powodu dla widma fal

elektromagnetycznych z zakresu światła widzialnego opracowano matematyczne modele w

postaci trójwymiarowych przestrzeni barw. Modele takie pozwalają nie tylko opisać liczbowo

widmo, ale uwzględniają często również czułość ludzkiego oko. O ważkości tego zagadnienia

może świadczyć fakt, że najważniejsze przestrzenie barw ujęte są w normach

międzynarodowych.

Model RGB zbudowany został w

oparciu o czułość różnych fotoreceptorów

ludzkiego oka (czopków) i o odpowiadjące im

maksima absorpcji. Podstawą tego modelu są

zatem barwy: czerwona, zielona i niebieska

(red, greek, blue), których poziom jasności

(intensywność) zmiania się wzdłuż określonej

ś

ciany sześcianu, jak pokazuje to rysunek 4a.

Wierzchołek odpowiadający maksymalnej

intensywności

wszystkich

podstawowych

kolorów otrzymujemy czerń (co odpowiada

wartościom liczbowym R 255; G 255; B 255),

podczas

gdy

wierzchołek

przeciwległy

odpowiada barwie białej (R 0; G 0; B 0).

Urządzenia wykorzystujące systemy RGB

(monitory, skanery, aparaty fotograficzne

oferują zatem 256 poziomów jasności każdej z

barw podstawowych i około 16,8 mln odcieni

(jest to system 24 bitowy nazywany czasem

True Color).

Rys.4Modele barw: a) RGB; b) CMYK. . Zaczerpnięto z

http://pl.wikipedia.org/

a

b

Podobnym modelem jest system CMYK. Bazuje on na trzech barwach subtraktywnych

zwanych: cyjan (w systemie RGB kolor odpowiadający barwie powstałej przez zmieszanie

zieleni i niebieskiego), magenta (mieszanina czerwonego i niebieskiego), yellow (połączenie

czerwieni i zieleni) również umieszonych w sześcianie – patrz rysunek 4b. Dopełnieniem do

gamy CMYK jest czerń. System ten jest najczęściej wykorzystywany w drukarstwie i poligrafii.

Jest to system oferujący szerszą paletą odcieni. Mimo to nie wszystkie odcienie dostępne w

systemie RGB udaje się „odtworzyć” w

systemie CMYK i vice versa.

Jednym z najstarszym modeli

barw jest przestrzeń CIEXYZ (CIE1931).

Model ten stworzony został przez

Międzynarodową

Komisję

Oświetleniową (Comission Internationale

de l'Eclairage) już w 1931 roku, a jako

punkt odniesienia przyjęto paletę kolorów

zbudowaną na podstawie subiektywnego

odczucia barw. Przebadano grupę ludzi,

których

zadaniem

było

znalezienie

odcieni, które najbliższe są w ich

odczuciu podstawowej barwie zielonej,

czerwonej i niebieskiej. Na podstawie

sporządzonej statystyki określono w

trójwymiarowej

przestrzeni

punkty

odpowiadające barwom podstawowym.

Równocześnie stworzono również dwuwymiarową wersję opisanego modelu (CIE yxY) –

prezentowaną na rysunku 5 – przeliczając według określonego algorytmu współrzędne z układu

trójwymiarowego na dwuwymiarowy. Następcami modelu CIE XYZ są modele CIELUV i

CIELab. Z punktu widzenia grafiki komputerowej nawajważniejszym modelem jest model CIE

La*b*. W tym przypadku przestrzeń barw jest elipsoidą o trzech prostopadłych osiach, wzdłuż

których zmieniają barwy według następujących zasad: wzdłuż osi a a barwy przechodzą od

zielonej do czerwonej, wzdłuż osi b od żółtej do niebieskiej, zaś wzdłuż osi L tzw. barwy

achromatyczne (szaroście) od bieli do czerni. Oznacza to, że w punkcie przecięcia osi

umieszczona jest biel, zaś oś L stanowi oś reprezentującą jaskrawość. System ten oferuje

Rys.5 Model CIEyxY zwany trójkątem barw. Na model

naniesiono krzywą obrazującą zależność maksimum emitancji

ciała doskonale czarnego w funkcji temperatury. Zaczerpnięto z

http://pl.wikipedia.org/

najszerszą paletę barw i każdy inny system da

się

przetransformować

zgodnie

z

odpowiednimi algorytmami do przestrzeni

Lab.

Dość wygodnym modelem barw jest

system HSV (HSB), którego nazwa wywodzi

się od angielkich słów hue – barwa, saturation

– nasycenie, value – ilość (w domyśle moc),

lub brightness. Model ten budowany jest w

oparciu o analizę światła odbitego, tzn zakłada,

ż

e pierwotnym źródłem barw jest światło białe

„modyfikowane” na skutek oddziaływania z

materią. Graficzną reprezentacją tego modelu

jest stożek, podstawą którego jest koło barw.

Barwa światła opisana jest kątem na kole barw

(barwie czerwonej odpowiada kąt 0° lub 360°, zielonej 120°, zaś niebieskiej 240).

Na koniec warto wspomnieć jeszcze o dość nietypowym modelu – przestrzeni Munsella.

Model ten oparty jest na 5 barwach: purpurowej, niebieskiej, zielonej, żółtej i czerwonej. Model

ten stał się podstawą stworzenia koła barw wykorzystywanego w wielu programach graficznych

i innych systemach (np. HSV). Jego specyfiką jest nieregularność graficznej prezentacji

przestrzeni Munsella – patrz rysunek 6. Zaletą tego systemu jest prostota.

2.3. Budowa i zasada działania diody elektroluminescencyjnej.

Diody elektroluminescencyjne są półprzewodnikowymi urządzeniami mającymi zdolność

emisji fal elektromagnetycznych w zakresie światła widzialnego, bliskiej podczerwieni lub

bliskiego ultrafioletu. Podobnie, jak u innych typów diod podstawowym elementem ich budowy

jest złącze p-n, tzn. układ dwóch połączonych półprzewodników, z których jeden jest typu n

(katoda), drugi zaś typu p (anoda) – patrz rysunek 7. Przez granicę zetknięcia zarówno elektrony,

jak i dziury mogą swobodnie dyfundować jedynie w kierunku odwrotnym do kierunku wzrostu

ich koncentracji. Elektrony dyfundują zatem z obszaru n do obszaru p, natomiast dziury w

przeciwnym kierunku, skutkiem czego jest pojawienie się nieskompensowanego ładunku

dodatniego w warstwie granicznej półprzewodnika n oraz nieskompensowanego ładunek

ujemnego w warstwie granicznej półprzewodnika p. Wytowrzone w obszarze złącza p-n pole

elektryczne nazywane jest warstwą zaporową, a związane z nim napięcie napięciem

Rys. 6. Przestrzeń Munsella. Zaczerpnięto z

http://www.portaldtp.pl/

kontaktowym. Napięcie kontaktowe stanowi barierę potencjału przeciwdziałając dalszej dyfuzji

nośników prądu. Umieszczenie złącza p-n w zewnętrznym polu elektrycznym prowadzi do

poszerzenia lub zwężenia warstwy zaporowej w zależności od kierunku przyłożonego napięcia

zewnętrznego – patrz rys. 8. W przypadku spolaryzowania złącza w kierunku zaporowym

szerokość bariery potencjału wzrośnie na skutek zsumowania się zgodnych pod względem

kierunku: zewnętrznego pola elektrycznego oraz pola elektrycznego w warstwie zaporowej (rys.

8A). Polaryzacja złącza w kierunku przewodzenia (rys 8B) prowadzi do zmniejszenia się

szerokości bariery potencjału ze względu

na

przeciwnie

skierowane

pola

elektryczne. Sprzyja to przepływowi

elektronów i dziur w kierunku złącza,

gdzie może następować ich rekombinacja

z wydzieleniem kwantu promieniowania

elektromagnetycznego

(rekombinacja

promienista), zjawisko takie nazywane

jest elektroluminescencją (rys 9). Energia

wypromieniowanego

fotonu

jest

bezpośrednio

związana

ze

strukturą

energetyczną materiałów użytych do

budowy złącza p-n i równa różnicy energii

(

∆E)

pomiędzy

najniższym

nieobsadzonym

poziomem

(LUMO)

materiału typu p oraz najwyższym

poziomem

obsadzonym

(HOMO)

materiału typu n. Wynika z tego, że

poprzez dobór materiału, z którego

wykonane jest złącze p-n możliwe jest

uzyskanie

urządzenia

emitującego

promieniowanie o różnej długości fali (

λ),

zgodnie ze wzorem Plancka:

E

hc

∆

=

λ

(1)

gdzie c - prędkość światła w próżni, zaś h

stała Plancka.

materiał typu n

materiał typu p

+

–

–

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

–

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

warstwa

zaporowa

∆

∆

∆

∆E

+

+

+

+

–

–

–

–

Rys.7. Schemat złącza p-n. Symbole oznaczają odpowiednio:
- domieszkę donorową; - domieszkę akceptorową; -
Elektron,; - dziurę. Strzałkami zaznaczono kierunek
samoistnej dyfuzji nośników

+

–

+

–

+

–

A
























B

Rys.8. Złącza p-n w zewnętrznym polu elektrycznym podłączone w kierunku: (A) - zaporowym; (B) – przewodzenia.
Symbole oznaczają odpowiednio: - domieszkę donorową; - domieszkę akceptorową; - elektron; - dziurę.
Strzałkami zaznaczono kierunek samoistnej przepływu nośników.

+

–

+

–

+

materiał typu n

(katoda)

materiał typu p

(anoda)

–

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

warstwa

zaporowa

∆

∆

∆

∆

+

–

–

+ –

+

–

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

warstwa

zaporowa

∆

∆

∆

∆

+

+

+

+

–

–

–

–

+

–

+

+

+

+

+

–

–

–

–

–

materiał typu n

(katoda)

materiał typu p

(anoda)

2.4. Technologia diod elektroluminescencyjnych.

Rysunek

10

przedstawia

budowę

typowej

diody

elektroluminescencyjnej.

Jak

już

wspomniano podstawowym elementem

jest złącze p-n umieszczone zazwyczaj

na katodzie w specjalnej wnęce

spełniającej rolę odbłyśnika. Materiał

typu p złącza p-n połączony jest z

anodą cienkim drucikiem. Całość

zatopiona

jest

w

epoksydowej

obudowie chroniącej złącze przed

kontaktem z tlenem, bądź wilgocią,

+

–

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

∆

∆

∆

∆E

+

+

+

+

–

–

–

–

+

–

+

+

+

+

+

–

–

–

–

–

materiał typu n

(katoda)

materiał typu p

(anoda)

+

–

–

–

+

+

+

+

+

+

+

–

–

–

–

–

Poziom HOMO
materiału typu n

Poziom LUMO
materiały typu p

Rys.9. Zasaada działania diody elektroluminescencyjnej. Symbole oznaczają odpowiednio: - domieszkę
donorową; - domieszkę akceptorową; - elektron; - dziurę. Strzałkami zaznaczono kierunek ruchu nośników.
Czerwone, faliste strzałki ilustrują emisję fotonu. N fioletowo zaznaczono obszar złączowy, w którym następuje
rekombinacja nośników.

+

–

+

–

Epoksydowa obudowa
pełniąca rolę soczewki

Złącze p-n umieszczone we
wnęce pełniącej rolę odłyśnika

Drut łączący anodę z
materiałem typu

Katoda

Anoda

Rys.10. Schemat budowy diody elektroluminescencyjnej.

Na podstawie http://pl.wikipedia.org/

które powodowałyby błyskawiczną korozję złącza. Obecnie najbardziej popularne na rynku są

diody, w których epoksydowa obudowa pełni również rolę soczewki, a często również

odpowiedniego filtra pozwalającego modyfikować barwę światła emitowanego przez złącze.

Diody monochromatyczne zawierają jedno złącze p-n, którego bariera energetyczna

odpowiada energii emitowanego promieniowania. Typowe widma emisyjne (charakterystyki

widmowe) tego typu diod przypominają krzywe Gaussa o szerokości połówkowej od kilkunastu

do kilkudziesięciu nanometrów. Większość diod elektroluminescencyjnych wykonuje się

obecnie z materiałów nieorganicznych, z których najbardziej popularne przedstawiono na

rysunku 11. Oprócz wymienionych warto wspomnieć jeszcze o diamencie, azotku boru oraz

azotku glinu pozwalającyh uzyskać diody świecące w UV (maksima emisji odpowiednio przy

235, 215 i 210 nm. Jednak w wielu przypadkach, barwa emitowanego światła z różnych

względów nie odpowiada oczekiwaniom. Można ją modyfikować zasadniczo na trzy sposoby:

- używając różnego typu filtrów optycznych,

- stosując odpowiednie fosfory tj. związki zdolne do silnej fosforescencji,

- budując diody wielozłączowe.

W pierwszym najprostszym przypadku rolę filtra pełni najczęściej zdysperowany w

ż

ywicy epoksydowej barnik lub pigment. Mimo niskich kosztów takiego rozwiązania ma on

wiele wad, do których zaliczyć należy przede wszystkim osłabienie emitowanego strumienia

ś

wietlnego i tym samym zmniejszenie sprawności diody oraz często pojawiające się poszerzenie

widma emisji. Typowymi przykładami diod zawierającymi fosfory są diody białe. Budowane są

one z półprzewodników emitujących promieniowanie z zakresu światła niebieskiego lub

ultrafioletu np. (GaN, InGa), które stanowi jednocześnie źródło wzbudzenia substancji

fosforyzującej. Na warstwę półprzewodnika nanosi się cienką warstę zdolnego ddo

fosforescencji materiału, np. domieszkowanego jonami Ce

3+

kryształu YAG. W tym przypadku

oczekiwane jest znaczne poszerzenie charakterystyki widmowej LED-a, a wymienony fosfor

oferuje właśnie szerokie ciągłe pasmo w zakresie 500-700 nm. Z punktu widzenia fotometrii,

widmo tak skonstruowanej diody jest superpozycją widma emisji złącza i fosforu. Ze względu na

niską cenę takiego rozwiązania większość białych LED-ów jest obecnie produkowanych na

bazie fosforów mimo, że ich wydajność jest niższa w porównaniu do diod wielozłączowych.

Spadek wydajności związany jest z procesami dyssypacji energii w warstwi fosforyzującej.

Innym przykładem tego typu diod elektroluminescencyjnych są układy na bazie złącza

emitującego promieniowanie UV pokrywane niebieskimi i czerwonymi fosforami – oferujące

ś

wiatło fioletowe (purpurowe). Dołożenie dodatkowo zielonego fosforu np. domieszkowanego

glinem i miedzią selenku cynku prowadzi do uzyskania diody białej.

700 650 600 550 500 450 400

1.77 1.91 2.07 2.25 2.48 2.76 3.10

[nm]

[eV]

Długość fali

Energia

Rys. 11. Konwencjonalne (nieorganiczne) materiały półprzewodnikowe używane do produkcji diod

elektroluminescencyjnych wraz z zaznaczonym zakresem emisji.

Największe możliwości „sterowania” barwą dają LED-y wielozłączowe. Zamknięcie w

jednej obudowie więcej niż jednego złącza umożliwia emisję różnych barw światła z jednego

urządzenia. Typowym przykładem są tzw. diody RGB – będące kombinacją złączy emitujących

ś

wiatło czerwone, zielone i niebieskie. W efekcie otrzymujemy źródło o dyskretnym widmie

będącym superpozycją widm poszczególnych złączy, odbieranym jednak przez ludzkie oko, jako

ś

wiatło białe. W takich rozwiązaniach złącza emitują światło jednocześnie, choć zazwyczaj

istnieje możliwość niezależnego sterowania prądem (a tym samym intensywnością emisji)

poszczególnych złącz, co pozwala na dynamiczne zmiany barwy emitowanego przez urządzenie

ś

wiatła. Oprócz diod RGB produkowanych jest wiele diod dwuzłączowych, w przeróżnych

kombinacjach barwnych. Wadą takich urządzeń jest dość niska sprawność, jednak możliwość

„przełączania” barw i sterowania kolorem powoduje ciągły wzrost zainteresowania tego typu

układami. Warto też wspomnieć o diodzie czterozłączowej RGBA, gdzie do omawianego już

układu RGB dołączono złacze emitujące światło żółto pomarańczowe (bursztynowe), co

pozwala na lepsze „wypełnienie” widma w zakresie widzialnym.

Innym przykładem diod wielozłaczowych są urządzenia emitujące alternatywnie światło

o dwóch różnych długościach fali – t.j. diody bipolarne. O ile w układach omawianych

poprzednio złącza miały wspólną jedną elektrodę (najczęściej katodę), o tyle w diodach

bipolarnych barwa emitowanego światła zależy od polaryzacji diody.

Warto na koniec tego rozdziału wspomnieć jeszcze o dwóch bardzo istotnych problemach,

stanowiących poważne wyzwanie dla inżynierów: bardzo wysokim współczynniku załamania

ś

wiatła charakterystycznym dla materiałów półprzewodnikowych oraz ukierunkowanej emisji

ś

wiatła. Jak wiadomo współczynnik załamania światła ściśle związany jest ze strukturą pasmową

materii. W przypadku izolatorów elektrycznych tj. materiałów charakteryzujących się dużą

szerokością pasma wzbronionego, względne współczynniki załamania światła zazwyczaj

mieszczą się w granicach 1-2 (są to wielkości charakterystyczne również dla żywic

InGaN

fiolet

niebieski

ZnSe

zielony

GaP

InGa/GaN

ż

ółty

czerwony

pomarańczowy

AlGaInP

AlGaP

GaAsP

AlGaAs

GaS

AlGaN

AlGaInN

epoksydowych stosowanych jako obudowa diod). Zawężanie przerwy energetycznej skutkuje

wzrostem współczynnika załamania światła. Dla półprzewodników są to wartości od kilku do

kilkunastu. Powoduje to problemy z „wyprowadzeniem” światła z warstwy półprzewodnika,

gdyż większa część światła ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu na granicy

półprzewodnik-obudowa i skutkuje znacznym obniżeniem skuteczności świetlnej LED-a. Z praw

optyki geometrycznej wynika, że tylko promieniowanie emitowane pod niewielkimi kątami w

stosunku do normalnej do powierzchni warstwy półprzewodnika nie zostanie odbite.

Zastosowanie sferycznie ukształtowanych odbłyśników pozwala na zwiększenie natężenia

emitowanego przez diodę światła, pociąga jednak za sobą ograniczenie kąta świecenia (dla wielu

diod elektroluminescencyjnych kąt ten wynosi jedynie około 60°). Oznacza to bardzo

nierównomierny rozkład natężenia światła na oświetlanych powierzchniach. Stosowanie

„mlecznych” obudów jedynie częściowo rozwiązuje wspomniany problem. W przypadku diod,

w których obudowa jest jednocześnie barwnym filtrem, problem ten ma niebagatelne znaczenie,

gdyż oprócz niejednorodnego rozkładu strumienia świetlnego w przestrzeni można oczekiwać

również różnic w charakterystyce spektralnej promieni emitowanych pod różnymi kątami.

2.5. Zastosowania LED-ów.

Jak wspomniano we wstępie w niedalekiej przyszłości LED-y mogą praktycznie

całkowicie wyprzeć z rynku dotychczas używane źródła światła. Bez wątpienia to efekt licznych

zalet tych źródeł światła, do których zaliczyć należy przede wszystkim: wysokie wartości

luminacji, dużą sprawność (niezależną od kształtu i rozmiaru diody), przekładającą się na mały

pobór mocy oraz niskie napięcie zasilania, a co za tym idzie wysoki poziom bezpieczeństwa

użytkowników, małe rozmiary, dużą trwałość i żywotność oraz niską emisję ciepła. Wspomniane

cechy istotne są praktycznie z punktu widzenia każdej aplikacji LED-ów. Warto wymienić tu

jednak jeszcze inne istotne cechy, dzięki którym LED-y stanowią alternatywę dla tradycyjnych

rozwiązań.

Możliwość emisji światła o konkretnej długości fali bez konieczności użycia filtrów

optycznych oraz ich bardzo wysoka odporność na czynniki zewnętrzne powodują, że diody

elektroluminescencyjne coraz częściej znajdują zastosowanie jako światła sygnalizacyjne

(sygnalizacja uliczna, lampy samochodów, samolotów i okrętów) oraz światła sceniczne. W tym

drugim przypadku wykorzystuje się również łatwe sterowaniem natężeniem światła (poprzez

regulację prądu diody). Wymienione powyżej cechy, krótkie czasy włączenia/wyłączenia (rzędu

mikrosekund), fakt, że częste włączanie i wyłączanie diod nie skraca ich żywotności, małe

rozmiary, oraz możliwość emisji różnych barw (diody wielozłączowe) powodują, że LED-y na

szeroką skalę wykorzystuje się w produkcji paneli informacyjnych, tablic ogłoszeniowych,

ekranów i wyświetlaczy. LED-y wykorzystuje się również w produkcji latarek, wskaźników

ś

wietlnych, zabawek, i różnego typu „gadżetów”. Coraz większe moce świetlne uzyskiwane z

LED-ów oraz wąskie zakresy widmowe powodują, że LED-y zaczęto traktować, jako

potencjalną alternatywę dla laserów małej mocy (tzw. lasery półprzewodnikowe stosowane np.

w czytnikach DVD).

Małe moce świetlne uzyskiwane z diod elektroluminescencyjnych przez lata ograniczały

ich zastosowanie w oświetlaniu pomieszczeń i wykorzystywane były głównie, jako elementy

sygnalizacyjne w elektrotechnice i elektronice (nadal jest to ważna aplikacja LED-ów). Obecnie

uzyskiwane moce powodują, że LED-y coraz śmielej wypierają żarówki i świetlówki można je

nabyć zazwyczaj w postaci kompaktowego elementu zawierającego od kilku do kilkudziesięciu

diod. Biorąc pod uwagę prawo Haitz’a należy oczekiwać dalszego rozwoju tego typu urządzeń.

Prawo

to

głosi,

ż

e

maksymalny

strumień

ś

wietlny

generowany

przez

diodę

elektroluminescencyjną rośnie dwudziestokrotnie w ciągu dekady, przy jednoczesnym

dziesięciokrotnym spadku kosztów jednego wyemitowanego lumena – patrz rysunek 12.

Warto wspomnieć również o LED-ach emitujących światło podczerwone powszechnie

stosowanych w fotokomórkach, łączach światłowodowych, urządzeniach zdalnego sterowania,

czy czytnikach kodów kreskowych.

Mimo ogromnego postępu technologicznego zarówno w zakresie materiałów

półprzewodnikowych, jak i ich przetwarzania, który miał miejsce w ostatnich latach, nadal

Rys. 12. Graficzna ilustracja prawa Haitz’a.

Nature Photonics 1, 23 (2007) doi:10.1038/nphoton.2006.78s

poszukiwane są nowe układy pozwalające obniżyć koszty produkcji, zwiększyć znacząco

wydajność, lub emitowaną moc świetlną. Innym kierunkiem rozwoju, do którego przywiązuje

się dużą wagę jest rozwój urządzeń pracujących w oparciu o materiały organiczne (tzw. OLED –

organic light emitting diods) w tym również polimery. Produkowane są prototypy takich

urządzeń (również w Katedrze Fizyki Molekularnej PŁ), jednak obecnie koszt organicznych

półprzewodników, jak i specyficzna technologia ich przetwarzania nie pozwala im konkurować

na rynku z klasycznymi diodami produkowanymi ze związków nieorganicznych. Należy również

podkreślić niskie wydajności OLED-ów. Jednak możliwość tworzenia w pełni elastycznych

ź

ródeł światła (również innych elementów elektronicznych) w postaci świecących włókien, lub

folii powinna wkrótce wytyczyć nowe kierunki rozwoju całej optoelektroniki.

Na koniec warto wspomnieć o wadach diod elektroluminescencyjnych. Do

najważniejszych należy zaliczyć znaczną czułość LED-ów na temperaturę zewnętrzną i napięcie

zasilania, które musi przekroczyć wartość napięcia progowego. Należy zaznaczyć również, że

wzrost prądu diody powoduje jednocześnie spadek wydajności świetlnej, co podnosi koszty

eksploatacji LED-ów dużej mocy. Z punktu widzenia ekonomii istotną wadą LED-ów jest

również konieczność zasilania ich prądem stałym. Podnosi to koszty instalacji oraz obniża

sprawność energetyczną (dodatkowe układy prostownicze i transformatory) całego systemu.

Powoduje to, że cena jednego lumena światła uzyskanego z LED-a nadal jest wyższa niż w

przypadku żarówek, czy świetlówek. Przełomem mogą okazać się dwuzłączowe diody

elektroluminescencyjne zasilane prądem przemiennym opracowane przez firmę Seoul

Semiconductor. Gdy wartości prądu przyjmują umownie wartości dodatnie, wówczas „świeci”

część diody (złącze spolaryzowane w kierunku przewodnictwa), podczas gdy pozostała część

(spolaryzowana zaporowo) nie emituje światła. Zmiana kierunku przepływu prądu powoduje

zmianę polaryzacji złącz, a tym samym zmianę obszaru diody, z którego następuje emisja.

Istotną wadą białych LED-ów jest ich charakterystyka widmowa, znacznie odbiegająca

od widma słońca. Powoduje to, że LED-y mogą mieć negatywny wpływ na wzrok, choć z

drugiej strony ograniczenie emisji promieniowania UV i IR w porównaniu z żarówkami, czy

ś

wietlówkami stanowi ich zaletę.

3. Stanowisko pomiarowe:

Pomiary przewidziane w punktach 4.1 wykonane zostaną na spektrofluorymetrze

Fluorolog 11 (Jobin-Yvon) wyposażonym w specjalnie skonstruowaną przystawkę zawierającą

zestaw diod przewidzianych do badania. Zestaw ten składa się z diody białej, 5 diod barwnych

bez filtrów optycznych (niebieskiej, zielonej, żółtej, pomarańczowej i czerwonej) oraz 5 diod

barwnych z filtrami optycznymi (niebieskiej, zielonej, żółtej, pomarańczowej i czerwonej).

Włączanie poszczególnych diod odbywa się za pomocą układu zasilająco-sterującego,

przedstawionego na rysunku 13. Omawiany układ służy również do realizacji celów

postawionych w punkcie 4.2.

a)

b)

Rys. 13. Widok układu zasilająco-sterującego: a) z góry; b) z przodu.

Dodatkowym wyposażeniem stanowiska jest przesłona szczeliny wejściowej światła do

komory pomiarowej spektrofluorymetru, matówka wyposażona w „celownik”, zestaw śrubek

oraz śrubokręt.

Pomiary absorpcji filtrów barwnych użytych do produkcji LED-ów wykonane zostaną na

spektrometrze absorpcyjnym Cary 5000 (Varian). Filtry należy kolejno osadzać w specjalnie

przygotowanym uchwycie.

P2

P1

Przełącznik:P1 - wybów zestawu diod
przeznaczonych

do

oceny

wizualnej

umieszonych

na

pokrywie

urządzenia

kontrolno-sterującego

lub

identycznego

zestawu LED-ów umieszonego w przystawce
do pomiarów spektrofluorymetrycznych.

Zestaw do oceny wizualnej (patrz punkt
4.2). Diody włączane są rzędami za pomocą
przełącznika P4. Możliwe jest również
włączenie wszystkich diod (skrajna prawa
pozycja)

Zestaw do pomiarów fotometrycznych
(mierzone

diody

umieszczone

są

w

odpowiedniej przystawce do spektroflury-
metru). Przełącznik P2 pozwala wybrać
pomiędzy zestawem diod bez filtra (plus
dioda biała) lub zestawem diod z filtrem
barwnym.

Wybór

sygnalizowany

jest

odpowiednio

zapaleniem

się

diod

kontrolnych DBF lub DF. Przełącznik P4
umożliwia wybór diody o barwie wskazanej
przez małe diody kontrolne D1-D6, które
informują o dokonanym wyborze.

P3

P4

DBF

DF

D1

D2

D4

D3

D6

D5

4. Wykonanie pomiarów:

4.1. Wyznaczenie charakterystyk widmowych diod elektroluminescencyjnych.

a. pod nadzorem prowadzącego pracownię włącz spektrofluorymetr według instrukcji

umieszczonej na obudowie urządzenia oraz uruchom program sterujący spektroflurymetrem.

b. po zakończeniu procesu inicjalizacji, pod nadzorem prowadzącego umieść w komorze

pomiarowej przełonę szczeliny wejściowej oraz matówkę wyposażoną w „celownik”

umożliwiającą właściwe pozycjonowanie diod.

c. umieść w komorze pomiarowej przystawkę z diodami w taki sposób, aby blokada pozycji

znajdowała się po twojej prawej stronie.

d. podłącz przystawkę z gniazdem przejściowym znajdującm się na ścianie komory

spektroflurymetru.

e. włącz układ sterująco-kontrolny do sieci.

f. przełącznik P1 ustaw w pozycji „w lewo”, przełącznik P2 ustaw w pozycji „w lewo” (powinna

zapalić się dioda kontrolna DBF (dioda z przeźroczystą obudową).

g. przełącznik P3 ustaw w pozycji D6 (powinna zapalić się biała dioda kontrolna D6.

h. odciągnij blokadę pozycji na przystawce z zestawem diod i obróć go za pomocą górnego

uchwytu w taki sposób, aby światło z włączonej diody padało centralnie na matówkę (rozkład

ś

wiatła wokół pionowej linii powinien być symetryczny).

i. przykryj komorę pomiarową spektrofluorymetru.

j. pod nadzorem prowadzącego wprowadź wskazane przez niego parametry pomiaru (zanotuj je).

k. powtarzając odpowiednio kroki opisane w punktach g-j przeprowadź pomiary dla pozostałych

LED-ów bez filtrów optycznych. UWAGA prądy sterujące strumienień świetlnym diod są tak

dobrane, aby maksymalne intensywności emisji diod były zbliżone i wynosiły około 1 000 000

zliczeń na sekundę (cps) .

l. przełącz przełącznik P2 w pozycję w prawo (powinna zapalić dioda kontrolna DF – z

pomarańczową obudową).

m. zgodnie z procedurą opisaną w punktach g-j zarejestruj charakterystyki widmowe dla diod z

filtrami optycznymi.

m. pozakończeniu pomiarów przełącz przełącznik P1 ustaw w pozycję „w pwawo” .

n. wyłącz spektroflurymetr zgodnie z instrukcją zamieszoną na obudowie urządzenia i usuń

wszytkie montowane elementy z komory pomiarowej.

4.2. Ocena efektu wizualnego wywołanego przez diody emitujące światło o tym samym

natężeniu promieniowania.

a. przełącznik P4 ustaw w skrajnej prawej pozycji (powinny zapalić się wszystkie diody

umieszczne po prawej stronie na górnej płycie urządzenia kontrolno-sterującego).

b. przyjrzyj się uważnie wszystkim diodom oceń wstępnie ich barwę i jasność. Zanotuj uwagi.

c. przełącznik P4 przekręć o jedną pozycję w lewo. powinny zapalić się trzy diody – w dolnym

rzędzie. Oceń ich barwę i jasność. Zanotuj uwagi dotyczące swoich obserwacji. Patrz na diody

pod różnymi kątami. Oceń emisję światła dla różnych kątów obserwacji. Zanotuj uwagi.

d. analogicznie jak w punkcie c postępuj z dwoma kolejnymi zestawami diod wybierając je

przełącznikiem P4.

e. po zakończonych pomiarach wyłącz urządzenie kontrolno-pomiarowe z sieci.

UWAGA prądy sterujące strumienień świetlnym diod są dobrane identycznie, jak w przypadku

diod badanych w spektrofluorymetrze.

4.3. Pomiar absorbancji filtrów użytych do produkcji badanych LED-ów.

UWAGA: Wszystkie czynności prowadzić tylko i wyłącznie pod nadzorem prowadzącego

a. włącz spektrometr absorpcyjny, a następnie komputer nim sterujący.

b. włącz program sterujący spektrometrem.

c. w komorze pomiarowej umieść jeden z badanych filtrów barwnych w secjalnym uchwycie.

d. włącz pomiar wprowadzając parametry zgodnie ze wskazówkami prowadzącego ćwiczenie.

e. przeprowadź pomiary dla pozostałych filtrów.

5. Analiza wyników

a. zestaw na jednym rysunku widma emisyjne diody białej oraz diod niebieskich, a także widmo

absorpcyjne filtru niebieskiego. Porównaj uzyskane wyniki z obserwacjami przeprowadzonymi

w punkcie 4.2.c W razie konieczności przeskaluj widmo absorpcyjne, tak by było dobrze

widoczne na rysunku.

b. zestaw na jednym rysunku widma emisyjne diod żółtych i zielonych, a także widma

absorpcyjne filtrów żółtego i zielonego. Porównaj uzyskane wyniki z obserwacjami

przeprowadzonymi w punkcie 4.2.d. W razie konieczności przeskaluj widma absorpcyjne, tak by

były dobrze widoczne na rysunku.

c. zestaw na jednym rysunku widma emisyjne diod czerwonych i pomarańczowych, a także

widmo absorpcyjne filtrów pomarańczowego i czerwonego. Porównaj uzyskane wyniki z

obserwacjami przeprowadzonymi w punkcie 4.2.d. W razie konieczności przeskaluj widma

absorpcyjne, tak by były dobrze widoczne na rysunku.

6. Przygotowanie sprawozdania.

Sprawozdanie powinno zawierać obserwacje sporządzone w punkcie 4.2. Rysunki sporządzone

zgodnie z punktami 5a, 5b i 5c oraz samodzielnie sformułowane wnioski.