概述
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分類
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(1)注入式電致發光
由直接裝在晶體上的電極注入電子和空穴,當電子和空穴在晶體內再複合時發光的現象。注入式電致發光的基本結構是結型二極體(LED)。
(2)本徵電致發光
又分高場電致發光與低能電致發光。其中高場電致發光是螢光粉中的電子或由電極注入的電子在外加強電場的作用下在晶體內部加速,碰撞發光中心並使其激發或離化,電子在回復基態時輻射發光。而低能電致發光是指某些高電導螢光粉在低能電子注入時的激勵發光現象。
低能電致發光的典型代表是螢光顯示,雖說這種顯示具有亮度高、發光顏色鮮明、工作電壓低、功耗小、回響速度快、能用普通LSI直接驅動、壽命長,品種多等有點,但主要用於數字、文字、簡單圖形顯示等方面,而高場電致發光與LED被認為是大螢幕顯示最有前途的發展方向。
LED與無機LED
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P型和N型半導體接觸時,在界面上形成p-n結,並由於擴散作用而在結兩側形成耗盡層。當給p-n結加正電壓時,耗盡層減薄,注入到p區和n區的電子和空穴分別與原空穴和電子複合,並以光的形式輻射出能量。複合發光可以發生在導帶和價帶之間,稱直接帶間躍遷複合,也可以發生在雜質能級上,稱間接帶間躍遷複合。直接帶間躍遷複合躍遷具有機率大、發光效率高、發光強度高、發光波長隨多元化合物組分連續變化等優點。間接躍遷過程比較複雜:如果是單雜質材料,在常溫下雜質大部分被電離,若雜質能級靠近導帶底,則導帶電子被雜質能級俘獲並落入價帶和空穴複合;若雜質能級靠近價帶頂,則價帶空穴被雜質能級俘獲,並與導帶電子複合後落回價帶。如果輻射複合發生在兩個雜質能級間,則導帶電子和價帶空穴被分離的相應雜質能級俘獲並在低能態能級上複合發光,之後再落入價帶。
LED一般有台面型與平面型兩種結構。
OLED
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(1)發光效率高、亮度大;
(2)有機發光材料眾多、價廉,且易大規模、大面積生產;
(3)發光光譜覆蓋紅外到紫外,便於實現全彩色顯示;
(4)材料的機械性能良好,易加工;
(5)驅動電壓低,能與半導體積體電路的電壓相匹配,驅動電路易實現等優點。
因此OLED已經成為當今超薄、大面積平板電視器件研究的熱門。1963年,P.M.Kallmann首次觀察到了有機物的電致發光現象,並製備了簡單的器件。1987年,柯達公司的W.C.Tang博士研製成功了2層薄膜的有機小分子OLED,同年,英國劍橋大學卡文迪許實驗室的Jeremy Burroughes證明了高分子有機聚合物也有電致發光效應,並於1990年製備出相應的器件,從此OLED顯示技術的研究進入了高速發展階段。
1、OLED器件的發光機制
OLED由夾在一個透明陽極和金屬陰極之間的有機層組成層狀結構。用作有機發光器件的材料可分為有機小分子和聚合物兩類,當器件工作在正偏置時,由於有機異質結構的電子和空穴發生注入和遷移現象,形成電子-空穴對,重新組合,通過透明的電極發光。
OLED有單異質結結構和雙異質結結構兩種不同的結構形式。
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OLED的發光機制簡單地說是由陰極注入的電子和陽極注入的空穴在發光層相互作用形成受激的激子。激子從激發態回到基態時,將其能量差以光子的形式釋放出來,光子的能量為
hv=E(2)-E(1)
式中,h為普朗克常數,v為出射光子的頻率,E(2)為激子在激發態的能量,E(1)為激子在基態的能量。以典型的3層OLED為例,有機電致發光過程由以下步驟完成:
(1)載流子的注入,電子和空穴分別從陰極和陽極注入到電極內側間的有機功能薄膜層;
(2)載流子的遷移,載流子分別從電子傳輸層ETL和空穴傳輸層HTL向發光層ELL遷移;
(3)激子的產生,空穴和電子在發光層ELL中相遇,相互束縛而形成激子;
(4)光子的發射,激發態能量通過輻射失活,產生光子,釋放光能。
絕大多數有機電致發光材料屬於有機半導體,它們長程無序,短程有序,分子間的相互作用是范德瓦爾斯力,分子內電子的局域性強,屬於非晶固體,這種結構對電子的輸運不利。考慮到有機半導體具有光吸收邊及其電導率與溫度成反比的關係,表明有機半導體也存在能帶結構,但其能帶結構不能直接套用無機半導體的能帶結構,而可用能帶結構解釋:每個分子由多個原子組成,由各原子軌道線性組合形成分子軌道時,軌道的數目不變,但能級發生變化。兩個能級相近的原子軌道組合成分子軌道時,總要產生一個能級低於原子軌道的成鍵軌道和一個能級高於原子軌道的反鍵軌道。多個成鍵對軌道或反鍵軌道之間交疊、簡併,從而形成了一系列擴展的電子態,即電子能帶。其中成鍵軌道中最高的被占據分子軌道稱為HOMO,反鍵軌道中最低的未被占據分子軌道被成為LUMO。與無機半導體晶體的能帶相比,可以把有機半導體中的成鍵軌道比做無機半導體的價帶,反鍵軌道比做導帶,HOMO則是價帶頂,LUMO是導帶底,這就是有機半導體的能帶結構。
2、OLED器件的分類
OLED顯示一般分為無源矩陣OLED和有源矩陣OLED。
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高場電致發光顯示
高場電致發光顯示一般分為交流粉末電致發光(ACEL)、直流粉末電致發光(DCEL)、交流薄膜電致發光(ACTFEL)、直流薄膜電致發光(DCTFEL)。
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![場致發光顯示](/img/2/d26/nBnauM3XyUzM1UTM4YTM2kTNyITM3kzN2cjMwADMwAzMxAzL2EzLxIzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLwE2LvoDc0RHa.jpg)
自從1986年美國貝爾實驗室製作出薄膜EL器件之後,這方面的研究日益活躍。ACTFEL早期的名字叫“Lumocen”,意為“分子中心發光”,其發光材料為ZnS,發光中心是稀土鹵素化合物分子(TbF3)。現在的ACTFEL一般採用雙絕緣層ZnS:Mn薄膜結構。器件由三層組成,發光層夾在兩絕緣層間,起消除漏電流與避免擊穿的作用。摻不同雜質則發不同的光,其中以摻Mn效率最高,加200V、5000Hz電壓時,亮度達5000cd/m×m。ACTFEL具有記憶特性:給之加一系列脈衝電壓,若下一個脈衝與上一個脈衝同方向,則發光亮度明顯減小;若下一脈衝與上一脈衝反方向,則發光連讀明顯增加。利用記憶效應可以製成有灰度級的記憶板。
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DCTFEL發光過程中,一方面,當電流通過ZnS薄膜時,電子注入到其導帶,空穴注入價帶,由於二者遷移率的差別,造成注入空穴基本上在陽極附近被發光中心俘獲,在靠近陽極一邊發光;另一方面,金屬電極或CuS線與n型摻雜ZnS接觸形成勢壘,當反向偏壓時電子隧道注入ZnS高場區,電子被加速,獲得足夠能量,碰撞激發或離化發光中心。這兩種過程混合進行,形成了DCTFEL發光。
DCTFEL沒有介質,可以使發光體直接與電極接觸,因而能製作與電晶體和積體電路匹配的電壓、直流EL器件,且均勻緻密,解析度高,成像質量優於一般EL器件,面積和形狀不受影響,工藝簡單,造價低,因而成為顯示器件中最具發展潛力的一種。