Szilárdtest (félvezető) fényforrások

Az előadások a következő témára: "Szilárdtest (félvezető) fényforrások"— Előadás másolata:

1 Szilárdtest (félvezető) fényforrások
elektrolumineszcens panelek, világító diódák (LED-ek), szerves elektrolumineszcencia (OLED)

2 Áttekintés Történelmi áttekintés OLEDek Világító diódák működése
SiC kristályok Elektrolumineszcens cellák Világító diódák OLEDek Világító diódák működése fizikai alapok felépítés LEDek mérése: fotometria, színinger mérés Alkalmazás

3 Történeti áttekintés SiC: HJ Round, 1907; Lossew, 1923.
ZnS: Destriaux, 1936. Magyar szabadalom: Szigeti-Bay: elektrolumi-neszcens világítás (1939) GaAsP: Holonyak & Bevacqua, 1962. GaN: Nakamura, 1991 High power LEDs * * * From S Kern: Light emitting diodes in automotive forward lighting applications, SAE 2004 Conf. Proceedings.

4 ZnS electrolumineszcencia
G Destriau – 1936: ZnS nagy térerősségű electro-luminesz-cencia: ütközéses ionizáció MKS ElLumPanelek LSI háttér vil.

5 Fényforrások fejlődése
A fényforrások fejlődéstörténetét áttekintve a következőket állapíthatjuk meg: Edison első izzólámpái még az 1 lm/W fényhasznosítást sem érték el, az alaktartó wolfram huzal kidolgozásával lehetővé vált a 10 – 15 lm/W fényhasznosítás, s ennél a mai általános célú izzólámpák fényhasznosítása sem sokkal jobb. Kismértékű fényhasznosítás javulást azután a halogén izzólámpák megjelenése hozott. A fénycsövek a negyvenes évek elején kerültek kidolgozásra, lassú szívós javító munkával a kezdeti kb. 50 lm/W fényhasznosítást kb. 70 lm/W-ra sikerült növelni a 60-as évek végére. A Ritkaföldfém adalékolású, u.n. három sávos fényporok kidolgozása – s az ezekkel megvalósítható nagyobb falterhelés – lehetővé tette a kompakt fénycsövek kidolgozását, majd az elektronikus előtétek megjelenésével a fénycső gázkisülését a hélózati feszültségtől és frekvenciától függetleníteni lehetett, ennek eredménye, hogy modern fénycsövek elérik a 100 lm/W fényhasznosítást is. A nagynyomású gázkisülőlámpák kb. egyidősek a fénycsövekkel, első családjuk a Hg-lámpák voltak, melyek a 60-as évektre elérték a kb. 70 lm/W fényhasznosítást, s lényeges javulást azóta sem sikerült ezen a téren megvalósítani. Ennek elsősorban az az oka, hogy ekkor jelentek meg a nagynyomású fémhalogén és Na lámpák, melyek fénytechnikai (szín-, színvisszaadás stb.) tulajdonságai sokkal ígéretesebbek voltak, mint a Hg-lámpáké. A fémhalogénlámpák ma elérik a 110 lm/W-ot, a nagynyomású Na-lámpák a 130 – 140 lm/W-ot (a lámpa színének és színvisszaadásának változtatásával a fényhasznosítás befolyásolható). A két lámpacsalád közötti küzdelmet ma alapvető fiziológiai kutatási eredmények befolyásolják: az emberi szem perifériális látásának színképi érzékenysége – különös tekintettel az útvilágításban használt mezopos tartományban – lényegesen eltér a fotometriai mérések alapját képező láthatósági görbétől, és ezért a nagynyomású Na-lámpák nagyobb mért fényhasznosítását nem lehet teljes egészében hasznosítani az útvilágításban. A 80-as években indult rohamos fejlődésnek a LED, fényhasznosítása igen gyorsan javul, ma már a lm/W közötti tartományban írnak le ilyen eszközöket. Az elmúlt évtizedekben kijelzőket készítettek LED-ekkel, ma a közúti jelzőfények közkedvelt fényforrásai, mivel külső színes szűrőüvegek nélkül is el lehet érni a különböző jelzések által megkívánt fény-színt. Egybehangzó prognózisok szerint a közeli jövőben várható, hogy a LED-ek elfoglalják helyüket az általános világítás területén is.

6 LED tulajdonság függ: Felhasznált anyag
III-V félvezető, közvetlen vagy közvetett átmenettel Homo- és hetero-átmenet Dióda jellemzők, hőmérsékletfüggések

7 A világító diódák fényhasznosításának változása

8 Várható fejlődés Forrás: LED Professional WEB page
OIDA: Optoelectronics Industry Development Association

9 DOE előrejelzés, 2007 végi adatok
Optics.org 2008 Apr.

10 LED-ek fejlődéstörténete
1967 Első LED: GaAs + LaF3YbEr 1973 Sárgászöld LED (GaP) 1975 Sárga LED 1978 Nagy intenzitású vörös LED 1993 Kék LED 1997 Fehér LED (kék + fénypor) 2001 Fehér LED (UV LED + fénypor)

11 III-V félvezetők

12 LED készítés lépései

13 Félvezető lapok az epitaxiális reaktorban

14 Az egyes diódák a lapon

15 LED keresztmetszete 0.5 nm Metal p-GaN Al15Ga85N In22Ga78N n-GaN
active device area of a blue LED

16 LED kristályszerkezet és sávkép

17 Kristályhibák, diszlokációk
Ponthibák Hiány-hely Rácsközi pont Kristály síkban lévő hibahelyek Különböző rácsállandójú anyagok határfelülete

18 Diszlokációk A növesztéskor a rácsállandó különbségből sok diszlokáció keletkezik A réteg növekedése adott növesztési technika esetén

19 Diszlokációk számának csökkentése, AlN közbenső réteg

20 Diszlokációk számának csökkentése, SiN maszk

21 A világító dióda egyszerűsített sávképe

22 Közvetlen és közvetett átmenet, lényeges hatásfok különbség

23 p-n átmenet A félvezető összetétele (GaN alapú és GaAlP alapú
Adalékolás Többszörös, hetero, átmenetek, „quantum forrás”

24 LED keresztmetszet LichtForum/40

25 LED lapka (morzsa) a reflektáló foglalatban

26 Modern kék GaN dióda szerkezete

27 Light extraction, 1.

28 Light extraction, 2. Absorbing GaAs base Transparent GaP base

29 Fény kicsatolás GaP alapú LED lapkából

30 Kicsatolás hagyományos és fazettált LED esetén

31 Kontaktusok N-típusú kontaktus: Ti, Al és Ti/Al (oxidáció)
Au védőréteg P-típusú kontaktus: bonyolult, féltve őrzött gyártási titok

32 Modern nagyteljesíményű kék LED eszköz és az alkalmazott lapka

33 Nagyteljesítményű LED, 5 W
Luxeon III 140 – 190 lm 1400 mA h 2005 április LichtForum40

34 Flip-chip elrendezés metszete

35 Fénypor, tokozás

36 Luxeon K2 tip. LED

37 Osram Golden Dragon LED

38 Cree XL LED

39 Sok egyedi LED morzsából összetett fényforrás
Tipikus méret: 0,5 cm cm2, fényárama eléri az 50 lm értéket.

40 Photon- kristály (PC) Pásztázó electron mikroszkop felvétel a felületi struktúráról. PC-LED sematikus vázlata. (Credit: Seoul National University, Korea) (Optics.org. Nov.2005.)

41 LED színképek

42 Különböző LED struktúrák hatásfok adatai

43 Droop hatás Schubert: CompoundSemiconductor,

44 Sugárzásos és nem-sugárzásos rekombinációk

45 Lehetséges droop mechanizmus

46 Kék LED+sárga fénypor=fehér
Japánban a termelés: 2 millió/hó

47 Lumileds Lumiramic technológia
Fénypor kerámia rétegbe ágyazva, vékony réteg flip chip technológi-ával kombinálva a Luxeon Rebel-ben LEDs Magazin Aug. 2007

48 Fehér teljesítmény LED metszete
Cox Ch.: Improved LED modules for General lighting market, LED pfof.Rev. Mar/Apr. 2008

49 The old “White-Maker” – Y3Al5O12:Ce3+ - still works well
it can hit the Planckian at about 4000 oK, and even give rather good color rendering

50 However, you can hit the Planckian only once,
and the Europeans want warmer white, the Japanese want a colder white: So, replace part of the Y by Gd, and the spectrum shifts red …… however, the temperature dependence of efficiency increases on this way, only the Japanese version wrks well.

51 Két fényporos kék LED kék: zöld: vörös: green in SrGa2S4 = TG:Eu2+
GaN LED zöld: green in SrGa2S4 = TG:Eu2+ vörös: red in SrS:Eu2+

52 Fehér fény vörös, zöld és kék LED használatával

53 2007 Szeptember (Cree) Egyetlen chip-ből 4 A-nél 350 mA-nél
1 050 lm, 72 lm/W hideg fehér 760 lm, 52 lm/W meleg fehér 350 mA-nél 129 lm/W hideg fehér 99 lm/W meleg fehér

54 Nov 2007 adatok 2009Dec.: 186 lm/W @ 4577 K ! NICHIA:
350 mA-nél: 134 lm/W, 1x1 mm2 felület. 1A esetén: 97 lm/W, 361 lm 20 mA-nél 169 lm/W, ez 450 nm-es kék LEDdel Elmélet optimumok: 450 nm-es LEDdel: 263 lm/W 405 nm-es LEDdel: 203 lm/W CREE 133 lm/W méret? LUMILEDS 350 mA, 1x1 mm2 chip: 115 lm/W 4x4mm2 chip: 142 lm/W OSRAM LED Magazin 2008 Július 350 mA-nél:155 lm, 136 lm/W, 1 mm2, 5000 K, 1,4A:500lm US Dep. Energy cél adatok: 2012-ig: 2A-nél 150 lm/W (Compoundsemiconductor.net Nov ) 2009Dec.: K !

55 LED élettartam – terhelés kapcsolata

56 LED tulajdonságok LED: félvezető p-n átmenet
Közvetlen vagy közvetett sáv átmenetek Keskeny emissziós sávok: ~ 20 nm – 40 nm sávszélesség Emisszió: töltéshordozó rekombináció Hőmérséklet hatása Dioda áram – feszültség összefüggés: I = I0 [exp(eV/nkT)-1]

57 Vörös LED színképének hőmérsékletfüggése

58 Fényporos fehér LED színképének hőmérsékletfüggése

59 Fehér LED színességének szögfüggése, (u’,v’)(8°-0°)=0,006

60 Különböző összetételű LEDek fényáramának hőmérsékletfüggése

61 LED fényeloszlása

62 Világító dióda átlagos intenzitásának mérése: 2 eset: A
Világító dióda átlagos intenzitásának mérése: 2 eset: A.) d= 316 mm és B.) d=100 mm

63 Fényáram mérés Goniofotométer Fotométergömb
Részfényáram, csak első féltérbe Teljes bemerítés

64 LED rész-fényáram mérés
A részleges fényáram mérés definíciója

65 Rész-fényáram gyakorlati mérése

66 Standard LED Hőmérsékletstabilizálás szükséges
Average LED Intensity (ALI) átlagos LED fényerősség méréshez iránybeállítás szükséges

67 4. generáció: ALI méréshez, 100 mA-es Luxeon LED-del

68 A LED láthatósága Szabványos fotometriai mérés: V() A VM() függvény
Fényjelzések esetén tengelyen kívüli látás Szín-hatások: Világosság/fénysűrűség összefüggés

69 Különböző láthatósági függvények

70 Azonos világos-ságú vonalak

71 Fényhasznosítások fényforrás V() VM() V10() izzólámpa 14,7 15,5
AlGaInP LED, 630 nm 21,0 22,1 InGaN LED, 470 nm 6,0 6,2 11,5 InGaN+YAG LED, fehér 15,0 15,1 16,5

72 LED-ek meghibásodásának okai
A kristálystruktúra hibái, ezek mozgása Az árambevezetés túlterhelése Külső kontaktus Áram eloszlás a rétegben Fénypor öregedés Tokozás külső behatások: nedvesség stb.

73 LED élettartam: korrózió

74 Tokozás Korrózió elleni védelem Fénypor hőmérséklete
Termikus ellenállás csökkentés

75 LED-ek és az emberi szemvédelme
Nagyteljesítményű LEDek sem nem klasszikus fényforrások sem nem lézerek Sugárzásvédelmi előírások még nem tisztázottak

76 Világító diódás (LED-es) fogalmak
világító dióda: CIE light emitting diode: p-n átmenettel rendelkező szilárdtest eszköz, mely elektromos árammal gerjesztve optikai sugárzást bocsát ki Rövidítés: LED LED-lapka (morzsa): LED die

77 LED-tok(?) (package) 2 tokozott teljesítmény LED felépítése
Tokozott LED- LED csomag (?) 2 tokozott teljesítmény LED felépítése

78 LED-mátrix/tömb (LED array)
Több tokozott LE D vagy lapka geometriai rendbe történt elrendezése nyomtatott áramköri lapon vagy más hordozón

79 LED-modul (LED module)
Egy vagy több tokozott LEDből/LED-csomagból álló összeállítás, mely tartalmazhat elektromos, optikai, mechanikus és termikus alkatrészeket, interfészeket és előtéteket (vezérlő készülék - controlgear)

80 LED light engine Tokozott LEDekből/LED-csomagokból vagy –modulokból álló összeállítás, mely tartalmazza a LED-előtétet, optikai és termikus egységeket. Külön rendelésre készített csatlakozón át csatlakozik a hálózatra.

81 LED-lámpa Lámpa, mely egy vagy több tokozott LEDet/LED-csomagot vagy modult tartalmaz és lámpafejjel rendelkezik A lámpafej lehet új típusú, LED-lámpához fejlesztett lámpafej.

82 Villamos áramköri elemek
LED-meghajtó/működtető egység (controlgear for LEDs: LED vezérlő készülék): egység, mely a hálózat és a LED-csomag vagy –modul közé kapcsolódik és a LED-ek előírt áram/teljesítmény ellátására szolgál, tartalmazhat részegységeket, melyek a dimmelést, a teljesítménytényező korrekcióját, a rádiófrekvenciás zavarok csökkentését stb. látják el. LED tápegység (power supply controlgear): a LED-előtét részegysége, mely a LED-ek áram/feszültég/teljesítmény vezérlését látja el, de nincs további szabályozási szerepe LED vezérlő egység (LED control unit): a LED-előtétnek az áramellátást biztosítjó részegysége, mely részt vesz a szín-keverésben, öregedés-kompenzációban

83 A különböző felépítésű (retrofit) LED-lámpák szerkezete
PS: tápegység CU: vezérlő egység Controlgear: LED-vezérlő készülék, előtét i: integrált si: külső tápegységgel működő ni: külső előtéttel működő

84 LED-lámpatest Lámpatest, melyet LED-es fényforrások (tokozott LED/LED-csomag, LED-modul, LED-lámpa) befogadására terveztek

85 További technológiák Vékonyréteg II-VI félvezetők
mikrokristályos rétegek párologtatott rétegek Egykristályok (ZnTe) (pl. számítógép háttérvilágítás) Szerves vékony rétegek: hajlékony, nagyfelületű

86 OLED sávszerkezet singlet triplet

87 A polimer kémiai szerkezete határozza meg a színt

88 Organikus electrolumineszcencia
AC el. lum.:Bernanose et al.: 1953. DC el. lum: Pope et al.: 1963 Anyagok: Polymer LED-ek: PLED-ek kis molekulás OLED-ek

89 Organikus LED-ek: OLED-ek
Fehér OLED-ek 30 – 50 lm/W < 1000 cd/m2 h – h élettartam, tárolási életttartam! Élettartam szín-függő, vösös OLED-ek stabilabbak méret problema: 10 – 20 cm2

90 Fehér OLED-ek lásd: S Harris OLED light sources LEDs Magazin , Feb. 2007 és 46 lm/W, 5000 h, LED prof.Rev. Mar/Apr.2008.

91 Szerves el.lum. kijelző metszete

92 Hajlékony szerves el.lum. panel

93 Kis és nagy felületű OLED képernyő

94 Szervetlen - szerves LED-ek összehasonlítása
Kis méret (chip néhány mm2) Merev és szilárd Hosszú élettartam szerves Nagy felület – sík tábla törékenyebb Élettartam tokozás függő

95 Összefoglalás InGaAlP és GaN alapú LED technológia
Jelzőlámpákban egyértelmű előny élettartam rázásállóság Nagyfelületű kijelzők Általános világításhoz fehér fény 3 chip technológia 1 chip + 1 vagy 2 fénypor technológia Szerves technológia kísérleti stádiumban