Bạn đang truy cập nguồn tài liệu chất lượng cao do www.mientayvn.com phát hành.

Đây là bản xem trước của tài liệu, một số thông tin và hình ảnh đã bị ẩn đi. Bạn chỉ xem được toàn bộ tài liệu với nội

dung đầy đủ và định dạng gốc khi đã thanh toán. Rất có thể thông tin mà bạn đang tìm bị khuất trong phần nội dung

bị ẩn.

………………………………………………………………………………………

Liên hệ với chúng tôi: thanhlam1910_2006@yahoo.com hoặc frbwrthes@gmail.com

………………………………………………………………………………………

Thông tin về tài liệu

Số thứ tự tài liệu này là : 1786

Định dạng gốc: pptx

………………………………………………………………………………………

Chúng tôi không bán tài liệu này do chúng tôi không phải là tác giả của nó.

Tập tin có cài pass (bạn sẽ nhận được pass sau khi đã thực hiện theo các yêu cầu ở mục 1, 3, 5, 8, 9, 10 trong liên kết

sau: http://mientayvn.com/Trao_doi_tai_nguyen.html):

www.mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/quang_dien_tu_ban_dan_1785_1790/1786_LED_Nguyen_Hao.rar

………………………………………………………………………………………

Các tài liệu được tặng miễn phí kèm theo:

www.mientayvn.com/Tai_lieu_cung_chu_de/1786.doc………………………………………………………………………………………

Đối với sinh viên, học viên cao học của bộ môn vật lý ứng dụng, khoa vật lí-vật lí kỹ thuật, đại học khoa học tự

nhiên TPHCM: gửi cho chúng tôi địa chỉ mail lớp, chúng tôi sẽ cung cấp thông tin để các bạn truy cập miễn phí tài

liệu.

………………………………………………………………………………………

Đối với sinh viên khoa vật liệu, đại học khoa học tự nhiên TPHCM: các bạn muốn sử dụng tài liệu này phải có

email giới thiệu của một trong các tác giả có bài đăng trên trang web của chúng tôi. Các tác giả này phải công tác tại

khoa vật liệu. Trong email giới thiệu, xin ghi thật ngắn gọn, và đầy đủ thông tin, không cần chào hỏi.

Chi tiết xin xem tại:

http://mientayvn.com/dich_tieng_anh_chuyen_nghanh.html

GVHD: Thầy Trần Quang TrungHọc viên: Nguyễn Thị Hảo - Bùi Khắc Hoàng

Phan Thị Kiều Loan - Phạm Đăng Khoa

1Lớp Cao học k21

Linh kiện quang bán dẫn

Linh kiện quang-điện

(linh kiện thu quang)

Linh kiện điện-quang

(linh kiện phát quang)

LED - OLED

2

Phần 1: Tổng quan về LEDPhần 2: Tổng quan về OLED

1.Polimer dẫn2.Cấu trúc OLED và cơ chế

3.Cơ chề phát quang LED - OLED

3

LED (Light Emiiting Diodes)

4

5

1927 LED đầu tiên GaAs Oleg Vladimirovich

1961 LED hồng ngoại InGaP B. Biard và G. Pitman

1962 LED đỏ GaAsP N. Holonyak

1972 LED vàng M. George Craford

1976 LED hiệu suất cao T. P. Pearsall

ứng dụng trong TTLL bằng sợi quang

1993 LED xanh dương Shuji Nakamura

+ LED đỏ + LED xanh lá LED ánh sáng trắng

trên vật liệu Y3Al5O12:Ce hoặc “YAG”.

6

• Kích thước khá nhỏ (nhỏ hơn 1 mm2).

• Tiết kiệm điện.

• Bảo vệ màu xanh của môi trường.

• Tuổi thọ cao.

• Nhiệt độ làm việc thấp.

• Hiệu quả ánh sáng cao.

• Độ an toàn.

• Làm việc ở điện thế DC thấp (vài Volt),

dòng nhỏ (vài mA).7

Cấu tạo cơ bản của một đèn LED gồm : Một con chip LED (LED chip). Một đế phản xạ ánh sáng (Reflecting cup) Một khung hình vòm có hệ số khúc xạ lớn (Molded epoxy lens), với

epoxy là một hóa chất có khả năng bám dính cao, chịu nhiệt và phản ứng hóa học tốt.

Một bộ khung bằng chì 8

Cấu trúc của Chip LED gồm:

- Hai lớp bán dẫn p, n ghép lại tạo mối tiếp xúc p-n

- Điện cực anod làm bằng lưới kim loại (hay vật liệu dẫn trong

suốt TCO) nối với bán dẫn p

- Điện cực cathod làm bằng kim loại nối với bán dẫn n

9

Trong phần trình bày về LED , nhóm tập trung các mục chính:1. Nguyên tắc hoạt độngÝ 1: Tiếp xúc p-n- Bán dẫn thuần. Bán dẫn n. Bán dẫn p- Tiếp xúc p-n trạng thái CB- Phân cực thuận (trạng thái không cân bằng)

Ý 2: Sự phát photon ánh sáng+ Phát xạ tự phát+ Sự tái hợp của điện tử - lộ trống

2. Vật liệu chế tạo LED3. Các thông số đặc trưng của LED4. Hiệu suất phát quang của LED

10

Nguyên lý hoạt động của LED dựa trên chuyển tiếp p – n được

phân cực thuận.

Quá trình phát xạ ánh sáng xảy ra trong LED dựa trên hiện tượng

phát xạ tự phát của cặp điện tử - lỗ trống

Cơ chế hoạt động của LED dựa trên 4 quá trình chính:

Sự phun hạt tải từ bán dẫn p, n vào lớp nghèo hạt mang điện

của lớp tiếp xúc p-n

Quá trình truyền hạt tải

Hình thành cặp điện tử- lỗ trống trong vùng nghèo hạt tải điện

Sự tái hợp cặp điện tử lỗ trống và phát quang phonton ánh sáng

11

Ý 1: Lớp tiếp xúc p-n

+ n là nồng độ điện tử trong vùng dẫn+ p là nồng độ lỗ trống trong vùng hóa trị+ ni là nồng độ hạt dẫn riêng

3 3* *2 2

2

2 2

2 2. ; 2 ; 2

g

B

E

k T e hi i c V C V

m kT m kTn p n p N N e N N

h h

Nc mật độ trạng thái hiệu dụng vùng dẫnNv mật độ trạng thái hiệu dụng vùng hóa trị

g c VE E E 12

Ý 1: Lớp tiếp xúc p-n

+ Nồng độ lỗ trống (đa số):pp = Na + n ~ Na (do pi << Na )

Na là nồng độ tạp chất aceptor Nd là nồng độ chất donor

exp /i pp i F F Bp n E E k T

+ Nồng độ điện tử (đa số):nn= Nd + p ~ Na (do ni << Nd )

exp /i nn i F F Bn n E E k T

+ Nồng độ lỗ trống (thiểu số):

pn = n (i) << nn+ Nồng độ điện tử (thiểu số):

np = p (i) << pp

13

14

( )

( n )

no no d d no d

po po a po a

n p N N do p N

p n N Na do N

Khi chưa có điện trường ngoài áp vào (Trạng thái CB):

Khi p- n tiếp xúc, có sự chênh lệch nồng độ của các hạt tải. Có 4 dòng hạt

• Dòng khuếch tán của các hạt tải cơ bản :

- Điện tử từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p (jn)

- Dòng lỗ trống từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n (jp)

• Dòng trôi của các hạt không cơ bản: (do Etx )

- Lỗ trống từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p (jps)

- Điện tử từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n (jns)

Ý 1: Lớp tiếp xúc p-n

15

Sự trao đổi hạt tải dừng khi: Jkhuếch tán = Jtrôi

Trạng thái cân bằng.

- Điện trường trong Etx đạt giá trị xác định.

- Dòng toàn phần qua lớp p-n bị triệt tiêu.

J tổng = (jn + jp ) – (jns + jps ) =0

Khi chưa có điện trường ngoài áp vào (Trạng thái CB):

Ý 1: Lớp tiếp xúc p-n

16

1. Dòng qua p-n

Ý 1 : Lớp tiếp xúc p-n

2. Thế tiếp xúc Vbi

Khi chưa có điện trường ngoài áp vào (Trạng thái CB):

Ở trạng thái CB, mức Fermi là như nhau trong toàn hệ.

17

Ý 1 : Lớp tiếp xúc p-n

Khi chưa có điện trường ngoài áp vào (Trạng thái CB):

ó: p exp ( ) /

exp /

ln lno

Fp F Fi

po i Fi F B

i Fp B

p aB BFp

i i

eV E E

Ta c n E E k T

n eV k T

p Nk T k TV

e n e n

2ln ln lnd a d aB B

bi

i i i

N N N Nk T k TV

e n n e n

bi Fp FnV V V

18

ó: exp ( ) /

exp /

ln ln

Fn F Fi

no i Fi F B

i Fn B

no dB BFn

i i

eV E E

Ta c n n E E k T

n eV k T

n Nk T k TV

e n e n

Bên miền p: Bên miền n:

NX: Vbi phụ thuộc nồng độ pha tạp

Cách 1

2. Thế tiếp xúc Vbi

3* 2

2

22 e

C

m kTN

h

3* 2

2

22 h

V

m kTN

h

Mật độ trạng thái rút gọn của vùng dẫn và vùng hóa trị :

2ln ln ln

pono d aB B Bbi

po no i

pn N Nk T k T k TV

e n e p e n

Ý 1 : Lớp tiếp xúc p-n

Khi chưa có điện trường ngoài áp vào (Trạng thái CB):

19

Cách 2

Trong miền n:

Mật độ hạt tải đa số (điện tử) là:

2

exp

exp

F cnno c

B

no no i

F Finno i

B

E En N

k T

n p n

E En n

k T

Trong miền p:

Mật độ hạt tải đa số (lỗ trống) là:

2

exp( )

exp( )

F Vp

po V

B

no po i

F Fip

po i

B

E Ep N

k T

n p n

E Ep n

k T

2

2

exp

exp

no po

Fip Fin

i

B

bii

B

n n

E En

k T

eVn

k T

Vd: Vbi (Si) = 0,7 VVbi (Ge) = 0,3 V

2. Thế tiếp xúc Vbi

20

Ý 1 : Lớp tiếp xúc p-n

Khi chưa có điện trường ngoài áp vào (Trạng thái CB):

3. Bề dày vùng nghèo (W)

B1. Dùng pt Poisson tìm điện trường tiếp xúc ( Ep, En) miền p, nVới điều kiện biên: E trong vùng điện tích trung hòa bằng 0E=0 tại x= Wn và x=-Wp (tức chỉ có E trong vùng nghèo khác 0)

B2: Dùng điều kiện điện trường liên tục trong miền nghèo. Ep (x=0) = En (x=0)Rút ra: NdWn =NaWp

B3: Tìm thế tiếp xúc Vp ,Vn bằng cách lấy tích phân Ep, En

Với đk biên:

B4: Dùng NdWn =NaWp tìm ra Wn , Wp và W

0 khi x W

V x khi x W

d

bi nV

Ý 1 : Lớp tiếp xúc p-n

Khi chưa có điện trường ngoài áp vào (Trạng thái CB):

3. Bề dày vùng nghèo (W)

Giả sử có đk biên: E=0 tại x= Wn và x=-Wp

Dùng pt Poisson:

( )p ax eN

( )n dx eN Mật độ điện tích không gian + (ion dương donor):

Mật độ điện tích không gian - (ion âm acceptor):

V(x) là độ uốn cong của mức NL do Etx trong gây ra

2 ( ) ( )

o

r dE x

dx

21

B1: Tìm En , Ep

11

22

-W 0 : ( )

0 : ( )

p aa app p

oo o o

dn d dnn n

oo o o

x eNeN eNC Wx E x dx dx x C

eNx eN eN C Wx W E x dx dx x C

( )

( )

ap p

o

dn n

o

eNE x x W

eNE x W x

22

Ý 1 : Lớp tiếp xúc p-n

Khi chưa có điện trường ngoài áp vào (Trạng thái CB):

3. Bề dày vùng nghèo (W)

W W W Wd an p d n a p

o o

eN eNN N

( , )

1

d a

WN

B2: Điện trường liên tục trong miền nghèo Ep (x=0) = En (x=0)

B3: Tìm thế tiếp xúc Vp ,Vn

0 khi x W

Biê : V x khi x W

d

bi n

nV

2

1

2

2

2

2

a ap p p p

o o

d dn n n n

o o

eN eN xV x E x dx x W dx W x B

eN eN xV x E x dx W x dx W x B

222

1

22 2

2

( ) ( )22

2 2 2

aap pp

oo

a d ap n n p

o o o

e NeNV x W xB W

eN eN eNxB W V x W x x

23

B4: Tìm ra Wn , Wp và W

Ý 1 : Lớp tiếp xúc p-n

Khi chưa có điện trường ngoài áp vào (Trạng thái CB):

3. Bề dày vùng nghèo (W)

1 2

1 2

2 1

2 1

o bi an

d a d

o bi dp

a a d

V NW

e N N N

V NW

e N N N

2

2 ( )o a d bid n

a d

N N VW W W

e N N

Khi có điện trường ngoài thuận áp vào (trạng thái không CB):

Ý : Lớp tiếp xúc p-n

24

Quá trình chuyển động của các hạt tải: Khi có E ngoài:1. Bán dẫn p, n phun lỗ trống và điện tử vào

vùng nghèo.Lỗ trống và điện tử thiểu số từ p, n vẫn trôi theo E tiếp xúc sang miền n, p.Giả sử không có tái hợp, sinh thành trong vùng nghèo này.

2. Lỗ trống tiếp tục khuếch tán sang miền n và trở thành hạt tải không cơ bản bên nTạo một lượng lỗ trống dôi ra so với lỗ

trống có sẵn bên n. 3. Điện tử tiếp tục khuếch tán sang miền p

và trở thành hạt tải không cơ bản trong miền p.Tạo một lượng điện tử dôi ra so với lỗtrống có sẵn bên n.

Chưa có Engoài

Có Engoài thuận

Mức Fermi của bán dẫn loại n tăng lên một mức eVa .Thế hiệu tiếp xúc lúc bấy giờ là e(Vbi – Va).Rào thế tx hạ thấp. Làm tăng dòng hạt tải cơ bản. Không ảnh hưởng đến dòng hạt tải không cơ bản

Khi có điện trường ngoài thuận áp vào (trạng thái không CB):

Ý 1: Lớp tiếp xúc p-n

1. Thế tiếp xúc

25

Khi có điện trường ngoài thuận áp vào (trạng thái không CB):

Ý 1: Lớp tiếp xúc p-n

26

Vùng nghèo

Lp

Ln

2. Dòng qua p-n

27

Khi có điện trường ngoài thuận áp vào (trạng thái không CB):

Ý 1: Lớp tiếp xúc p-n

2. Dòng qua p-n

B1: Giải pt Ambibolar cho lỗ trống dôi pn ra bên miền n

Đk biên là bên miền n, khi x thì pn 0

Tìm được pt mật độ dòng Jp của lỗ trống lấy ra tại biên x=Wn

B2: Giải pt Ambibolar cho điện tử dôi np ra bên miền p

Đk biên là bên miền p, khi x- thì np 0

Tìm được pt mật độ dòng Jn điện từ lấy ra tại biên x=-Wp

B3: Dòng tổng cộng qua chuyển tiếp p-n: J = Jp (x) + Jn (x)

28

, n n n p

n p

kT kTD D

e e

p n Thời gian sống của lỗ trống và của điện tử

, p n Nồng độ của lỗ trống dôi ra bên n và của điện tử dôi ra bên p

Dn , Dp hệ số khuếch tán của điện tử, lỗtrống

n ,p độ linh động của điện tử, lỗ trống

,pn

n p

e h

ee

m m

, n n n p p pL D L D Độ dài khuếch tán

( ) ( ), ( ) ( )n no n p po pp x p p x n x n n x

p(x) mật độ lỗ trống ở gần lớp p-n, phía bên n

Một số khái niệm

29

Khi có điện trường ngoài thuận áp vào (trạng thái không CB):

Ý 1: Lớp tiếp xúc p-n

2. Dòng qua p-n

B1: Tìm được pt mật độ dòng Jp (x) của lỗ trống lấy ra tại biên x=Wn

Nồng độ lỗ trống dôi ra ở vùng n: pn(x) = pn(x) - pno

2

2

n n nnp p

p

p p ppD G E

x x t

Pt Ambibolar cho lỗ trống dôi ra bên miền n:

Dòng khuếch tán

Dòng khuếch tán

Dòng trôi do Etx

Dòng sinh thành

2 2

0n n

p

p p

x L

Điều kiện: - Không có hạt sinh thành- Trong miền trung hòa của n thì E=0- Xét trạng thài dừng

10

10

p

p p

n

n n

j p

e x

j n

e x

30

pp

nonnL

xB

L

xApxpxp expexpNghiệm của pt có dạng:

Khi có điện trường ngoài thuận áp vào (trạng thái không CB):

Ý 1: Lớp tiếp xúc p-n

2. Dòng qua p-n

B1: Tìm được pt mật độ dòng Jp (x) của lỗ trống lấy ra tại biên x=Wn

p

nL

xAxp expKhi x thì pn 0 nên chọn B=0

exp expbi a a

n n po no

B B

e V V eVp x W p p

k T k T

Tại x=Wn:

exp 1 exp

exp 1 exp

exp 1 exp

a nno

B p

a nn no

B h

a nn no n no no

B h

eV xA p

k T L

eV x xp x p

k T L

eV x xp x p p x p p

k T L

31

( ) [exp( ) 1]exp

[exp( ) 1]n

p p no a np

p p

p p no ap x W

p

e D p eV x WJ x

L kT L

e D p eVJ

L kT

Khi có điện trường ngoài thuận áp vào (trạng thái không CB):

Ý 1: Lớp tiếp xúc p-n

2. Dòng qua p-n

B1: Tìm pt mật độ dòng Jp của lỗ trống lấy ra tại biên x=Wn

B2: Tìm pt mật độ dòng Jn của lỗ trống lấy ra tại biên x=Wn

[exp( ) 1]p

n n po an x W

n

e D n eVJ

L kT

B3: Dòng tổng cộng qua chuyển tiếp p-n: J = Jp (Wn) + Jn (-Wp )

exp 1 exp 1o op n e p a a

p e B

s

B

D p D n eV eVJ e

L L k T TJ

k

o op n n p

s

p n

D p D nJ e

L L

: Dòng nghịch bão hòa

Khi có điện trường ngoài thuận áp vào (trạng thái không CB):

Ý 1: Lớp tiếp xúc p-n

Biểu thức của dòng điện I qua lớp tiếp xúc p-n

.[exp( ) 1]aS

eVJ J

kT .[exp( ) 1]a

S

eVI I

kT

Khi áp điện áp thuận (Va >0)+ Khi Va nhỏ thì eeV/kT >>1

I tăng nhanh khi V tăng

Khi áp điện áp ngược (Va <0)+ Khi Va nhỏ thì eeV/kT <<1

I=Is dòng điện ngược đạt giá trị không đổi nhưng rất nhỏ

Đặc trưng Volt – Ampe của chuyển tiếp p-n 32

2. Dòng qua p-n

Khi có điện trường ngoài thuận áp vào (trạng thái không CB):

Ý 1: Lớp tiếp xúc p-n

2

2 ( )o a d bid n

a d

N N VW W W

e N N

3. Bề dày vùng nghèo W (Khi CB)

2

2 ( )( )o a d bi ad n

a d

N N V VW W W

e N N

Nhận xét: Khi áp điện trường thuận, Vtx giảm nên W hẹp Hạt tải điện bị hủy Phát photon

+ Khi phân cực thuận LED phát sáng. + Tùy thuộc vào dòng thuận đặt vào LED có thể

phát ra ánh sáng tự phát yếu hay mạnh

33

(Khi có E thuận)

Trong phần trình bày về LED , nhóm tập trung các mục chính:1. Nguyên tắc hoạt độngÝ 1: Tiếp xúc p-n- Tiếp xúc p-n trạng thái CB- Phân cực thuận (trạng thái không cân bằng)Ý 2: Sự phát photon ánh sáng

+ Phát xạ tự phát+ Sự tái hợp của điện tử - lộ trống

2. Vật liệu chế tạo LED3. Các thông số đặc trưng của LED4. Hiệu suất phát quang của LED

34

Ý 2: Cơ chế phát photon

Quá trình phát xạ ánh sáng xảy ra trong LED dựa trên hiện tượng phát

xạ tự phát trong vùng hoạt động

Lí do: Khi lớp tx p-n được phân cực thuận:- Điện tử tự do từ vùng N và lỗ trống từ vùng P được phun vào vùng nghèo.

- Chúng tái hợp phát photon sẽ bị hấp thụ lại bởi VL - Đồng thời dưới tác dụng điện trường tổng hợp, điện tử được kuyếch tán qua p và tái hợp với lỗ trống trong miền này tạo photon Những photon này ở gần bề mặt nên ló ra ngoài với xác suất lớn( về phương diện năng lượng ta nói các điện tử trong dãi dẫn điện –có năng lượng cao – rơi xuống dãi hoá trị - có năng lượng thấp – và kết hợp với lỗ trống), khi tái hợp thì sinh ra năng lượng)

35

Điều kiện để xảy ra phát xạ tự phát ở bán dẫn :

• Phải có điện tử ở vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hóa trị.

• Chuyển mức chỉ xảy ra khi các định luật bảo toàn

năng lượng và động lượng được thỏa mãn.

• Bán dẫn phải nằm trong trạng thái không cân bằng.

• Bán dẫn phải thuộc loại có vùng cấm thẳng. (trực tiếp)

Ý 2: Cơ chế phát photon

36

Ý 2: Cơ chế phát photon

+ Lý do bán dẫn thuộc vùng cấm thẳng.

(GaAs, InAs, InP, GaSb,

InGaAs, GaAsSb),

37

+ Lý do bán dẫn thuộc vùng cấm thẳng.

- - Trong các chất bán dẫn thuần

(e, h+ ) rất ít.

- Trong chuyển mức xiên phải có

thêm phonon tham gia vào quá trình

chuyển mức của điện tử trở thành

chuyển mức xiên. Chuyển mức xiên

cũng làm phát xạ photon nên cũng là

tái hợp bức xạ. Như 3 hạt tham gia nên

xác suất xảy ra nó rất nhỏ.

- Trong bán dẫn vùng cấm thẳng và

cơ chế của nó là chuyển mức thẳng

của điện tử từ một mức nằm xung

quanh đáy vùng dẫn xuống một mức ở

xung quanh đỉnh vùng hóa trị.

Ý 2: Cơ chế phát photon

38

Lí do bán dẫn nằm trong trạng thái không cân bằng

Quá trình tái hợp chỉ xảy ra khi:Trên vùng dẫn có nhiều

điện tử và dưới vùng hóa trị có nhiều lỗ trống.

+ Đối với bán dẫn thuần ở nhiệt độ thấp( e- và h+ ít)

xác suất chuyển mức của điện tử là nhỏ.

+ Bán dẫn pha tạp dono tại nhiệt độ mà ở đó mức tạp đã ion

hóa hếtNhiều điện tử vùng dẫn + ít lỗ trống trong vùng hóa trị

Chuyển mức xảy ra rất ít và nếu có thể xảy ra thì các photon

bức xạ rất dễ bị hấp thụ. (tương tự cho aceptor)

Như vậy muốn bán dẫn xảy ra bức xạ tái hợp thì phải bằng

cách nào đó đưa nó khỏi trạng thái cân bằng.

Áp điện trường ngoài thuận

Ý 2: Cơ chế phát photon

39

Việc tạo ra nồng độ hạt tải dư trong bán dẫn chính là quá trình tạo

ra trạng thái đảo mật độ cần thiết cho hoạt động của LED, gọi quá

trình đó là quá trình bơm, và người ta thường dùng phương pháp

bơm điện

Lí do bán dẫn nằm trong trạng thái không cân bằng

Ý 2: Cơ chế phát photon

40

Ý 2: Cơ chế phát photon

41

(Photon nội)

(Photon ngoài)

42

Để photon ngoài phát ra ngoài thì: Jn >>Jp.

Hiệu suất phun hạt tải vào miền nghèo:

Quan trọng

Thời gian tái hợp cho hạt tải:

Hiệu suất lượng tử trong

Hiệu suất phát xạ trong:

44

Dòng photon nội:

Qr : hiệu suất lượng tử nội. Tỷ số của các photon được sinh ra

và số điện tử được phun vào chuyển tiếp

45

Hiệu suất lượng tử ngoài

0 ex

i

q Dòng photon ngoài:

.Công suất của LED:

q

ihvhvP ex 00

46

Sự hao hụt photon là do:

47

48

Tăng hiệu suất LED

49

Vật liệu bán dẫn chế tạo LED là vật liệu kết hợp giữa nhóm III (Ga, Al,…) và nhóm V (As, P, In,…), hoặc giữa nhóm II và VI.

Màu sắc của LED

g g

g

hE

h

E

c ch E

Mà Eg phụ thuộc vào vật liệu

bán dẫn.

Nên màu sắc của LED phụ

thuộc vào loại vật liệu bán dẫn

Màu sắc của LED

50

51

Vật liệu thường dùng nhất là các chất bán dẫn hợp chất A3B5

Muốn LED phát ra các màu khác nhau thì phải trộn các bán dẫn có độ

rộng vùng cấm khác nhau. Hai bán dẫn trộn được khi hằng số mạng của

chúng gần giống nhau (sai khác không quá 0,1% so với mạng gốc).

Đối với hợp chất A3B5 có thể trộn nhau thành thế hệ 3 thành phần, 4 thành

phần.

Hai công nghệ trộn bán dẫn: Vật liệu ban đầu là GaAs, sau đó thay Ga bằng Al để tạo thành chất

GaxAl1-xAs có hằng số mạng hầu như không thay đổi so với GaAs nhưng có độ

rộng vùng cấm (tính theo eV) thay đổi theo công thức thực nghiệm sau:

( ) 1,424 1,247 (0<x<0,45)gE x x

2( ) 1,35 10,72 0,12 (0 y 1)gE y y y

Vật liệu ban đầu là InP, sau đó thay In bằng Ga và P bằng As để có bán dẫn

4 thành phần In1-xGaxAsyP1-y có hằng số mạng gần giống như InP nhưng có độ

rộng vùng cấm thay đổi theo công thức thự nghiệm sau:

52

Biểu đồ dịch vùng cấm và màu phát sáng của các hợp chất bán dẫn

53

a. LED phẳng

54

b. LED phản xạ mặt

c. LED phản xạ rìa

Phần 1: Tổng quan về LEDPhần 2: Tổng quan về OLED

1.Polimer dẫn2.Cấu trúc OLED và cơ chế

3.Cơ chề phát quang LED - OLED

55

CẤU TẠO VÀ CÁC LIÊN KẾT TRONG

PHÂN TỬ

Các mạch polymer chủ yếu là các liên kết của hidrocacbon nên để

nghiên cứu về polymer, ta phải tìm hiểu về đơn vị cấu thành nó, đó

chính là Cacbon.

• Cacbon

– Cấu hình điện tử : 1s2 2s2 2p2

Vân đạo (orbital)

Định hướng spin

Số electron

1s 2s 2px 2py 2pz

2 2 1 1 0

Bảng A I.2 Cấu hình điện tử của carbon

Khái niệm lai hóa

• Lai hóa: Chỉ sự chồng chập lẫn nhau giữa các quỹ đạo của e

trong 1 nguyên tử.

• Lai hóa giữa obitan 2s và 2p

– Khi obitan 2s của nguyên tử cacbon tổ hợp với 1 hoặc nhiều

obitan 2p thì sẽ xảy ra ba trường hợp sau:

• Obitan 2s + 1 Obitan 2p → 2 Obitan lai hóa sp + 2 Obitan 2p còn lại

• Qbitan 2s + 2 Qbitan 2p → 3 Obitan lai hóa sp2 + 1 Obitan 2p còn lại

• Obitan 2s + 3 Qbitan 2p → 4 Obitan lai hóa sp3

– Obitan lai hóa sẽ được dùng trong liên kết sigma với nguyên tử

khác, các obitan còn lại được dùng cho liên kết pi.

Lai hóa sp3

- Lai hóa sp3 là sự tổ hợp 1

obitan 2s với 3 obitan 2p của

một nguyên tử tham gia liên

kết tạo thành 4 obitan lai hóa

sp3 định hướng từ tâm đến 4

đỉnh của hình tứ giác đều,

các trục đối xứng của chúng

tạo với nhau một góc khoảng

109°28„

- Trong CH4 , bốn vân đạo

sp3 xen phủ các orbital 1s

của hydrogen, thành thành 4

liên kết б

Lai hóa sp2

• Lai hóa sp2 là sự tổ hợp 1 obitan 2s

với 2 obitan 2p của một nguyên tử

tham gia liên kết tạo thành 3 obitan lai

hóa sp2 nằm trong một mặt phẳng,

định hướng từ tâm đến đỉnh của tam

giác đều. Góc liên kết là 120°

• Trong etylen 3 obitan lai hóa sp2 tạo

1 liên kết sigma giữa hai nguyên tử

cacbon và 2 liên kết sigma với hai

nguyên tử hyđro. Mỗi nguyên tử

cacbon còn 1 obitan 2p không tham

gia lai hóa sẽ xen phủ bên với nhau

tạo liên kết pi.

Lai hóa sp• Lai hóa sp là sự tổ hợp 1 obitan 2s

với 1 obitan 2p của một nguyên tử

tham gia liên kết tạo thành 2 obitan

lai hóa sp nằm thẳng hàng với nhau

hướng về 2 phía, đối xứng nhau.

Góc liên kết là 180°.

• Trong acetylene 2 obitan lai hóa sp

tạo 1 liên kết sigma giữa hai

nguyên tử cacbon và 1 liên kết

sigma với 2 nguyên tử hyđro. Hai

obitan 2p còn lại xen phủ bên với

nhau từng đôi một tạo ra 2 liên kết

pi.

Liên kết σ

• Là liên kết cộng hóa

trị do hai opitan xen

phủ nhau nằm trên

đường thẳng nối hai

hạt nhân nguyên tử

(xen phủ trục)

• Liên kết σ tương đối

bền

• Liên kết σ giữa hainguyên tử Hidro

Liên kết π :

• 2 opitan 2p chồng chập lên nhau

theo chiều định hướng song song

của các nhánh nên mật độ điện tử

của nó ít hơn trong liên kết sigma,

vì thế năng lượng liên kết trong

liên kết π yếu hơn trong liên kết σ

• Người ta cũng gọi điện tử trong

liên kết π là các điện tử π, điện tử

này liên kết yếu nên dễ dàng bức

ra khỏi phân tử khi có sự kích

thích từ bên ngoài tạo nên sự dẫn

điện

Vòng benzen• Benzen do sự kết hợp của 6 vân đạo sp2 , từ

các liên kết sigma của 6 cacbon kết hợp lại

hình thành 1 hình lục giác đều, còn các vân

đạo 2p còn lại, các vân đạo của lai hóa sp2

liên kết với nhau tạo thành các liên kết pi

• Trong các liên kết này tồn tại các electron

pi bất định xứ hoàn toàn hình thành đám

mây điện tử được mở rộng cho toàn phân tử

benzen

• Các điện tử pi bất định xứ trong vòng

benzen giúp cho benzen có tính chất vô

cùng đặc biệt, các điện tử này dễ dàng tách

ra khỏi benzen tham gia vào các phản ứng

khác khi bị kích thích

• Cũng giống như bán dẫn vô cơ, bán dẫn hữu cơ cũng có một

vùng hóa trị và một vùng dẫn

• Các mức năng lượng phân tử có thể được tính thông qua sự

liên hợp của các orbital nguyên tử hợp thành

Cấu trúc vùng năng lượng

Liên kết σ trong phân tử, được hình thành giữa 2 nguyên tử Carbon trong các chuỗi

alkan như polyethylene (CH2)n

• Hai obitan lai hóa (sp3) của nguyên

tử Carbon hình thành 2 orbital phân

tử mới, gọi là σ và σ*.

• Sự tương tác giữa các orbital

nguyên tử dẫn đến sự tách vạch

năng lượng, orbital σ có năng lượng

thấp hơn năng lượng của orbital

nguyên tử, trong khi đó orbital σ*

có năng lượng cao hơn.

• Chính sự xen phủ của các orbital

nguyên tử dẫn đến sự khác biệt về

năng lượng Eσ-σ* giữa các orbital

phân tử.

Liên kết đôi giữa hai nguyên tử Carbon

• Một phần xen phủ nhỏ giữa

các orbital 2p (vuông góc với

trục liên kết) tạo ra sự tách

vạch năng lượng giữa orbital π

và π* (E π - π* )

• trong các chuỗi carbon với

nhiều liên kết đôi và đơn

khác nhau, có sự xuất hiện

của sự bất định xứ các orbital

khi trong mạch có chứa nhiều

orbital p

Cấu trúc vùng năng lượng

• Như vậy trong chất bán dẫn hữu cơ, tồn tại hai vùng gọi là vùng quỹ

đạo phân tử được điền đầy cao nhất (HOMO) và vùng quỹ đạo phân

tử được điền đầy thấp nhất (LUMO). Hai vùng HOMO và LUMO

này tương ứng giống như hai vùng hóa trị và vùng dẫn trong chất

bán dẫn vô cơ. Ở trạng thái cơ bản vùng HOMO có các điện tử được

điền đầy trong khi vùng LUMO không có điện tử

• orbital π: HOMO (hightest occupied Molecular Orbital)

• orbital π*: LUMO (lowest Unoccupied Molecular Orbital)

Các hạt tải điện trong bán dẫn hữu cơ

Đối với các polymer dẫn, để mô ta quá trình tải điện và năng lượng

trong chuỗi polymer kết hợp người ta thường sử dụng đến các chuẩn

hạt chứ không dựa trên các hạt cơ bản vì cơ chế dẫn của các

polymer “kết hợp” dựa trên cơ sở của các sai hỏng tích điện trong

khung sườn kết hợp. Các hạt tải điện dương hay âm được xem như

là sản phẩm của quá trình oxy hóa hay khử polymer tương ứng và

các điện tử di chuyển bằng các bước nhảy (hopping) giữa các vị trí

trên các chuỗi khác nhau.

soliton

• Soliton được hình thành khi có sự

sai hỏng điện tích giữa 2 nối π

trong chuỗi các nối π tiếp cách.

• Soliton dương: được hình thành

khi mức năng lượng soliton không

chứa điện tử.

• Soliton trung hòa: được hình

thành khi mức năng lượng soliton

chứa một điện tử.

• Soliton âm: được hình thành khi

mức năng lượng Soliton chứa 2

điện tử với spin đối song

Polaron và bipolaron

Việc kết hợp ba loại soliton trên theo các cách thức khác nhau sẽ cho các chuẩn hạt

polaron “dương”, polaron “âm”, bipolaron “dương” và bipolaron “âm”.

Polaron

• Các polaron biểu hiện hai

trạng thái mới nằm giữa

HOMO và LUMO, có

khoảng cách nhỏ hơn vùng

cấm Eg. Polaron âm tạo nên

mức năng lượng thấp hơn

mức LUMO và ngược lại

polaron dương có mức năng

lượng cao hơn mức HOMO

• Khi bán dẫn pha tạp càng nhiều thì các “hạt”

polaron kết hợp lại hình thành các “hạt”

bipolaron và cũng tạo thành mức năng lượng

bipolaron nằm trong vùng cấm

• Lượng pha tạp càng tăng dẫn đến sự hình

thành polaron và bipolaron càng nhiều làm

cho các mức năng lượng polaron và bipolaron

được mở rộng

• Chính điều này giúp cho quá trình điện tử

chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn được dễ

dàng hơn.

• Nếu pha tạp đậm có thể dẫn đến sự xen phủ

của các mức bipolaron với cùng hóa trị và

vùng dẫn, làm cấu trúc vùng năng lượng của

vật liệu thay đổi giống cấu trúc của kim loại.

Khái niệm về quá trình doping

Quá trìng doping là quá trình đưa thêm một số tạp chất hay tạo ra một số

sai hỏng làm thay đổi đặc tính dẫn điện của các polyme và tạo ra bán dẫn

loại N hoặc P tuỳ thuộc vào loại phụ gia ta đưa vào.

u n đê polymer n n

• sư n n a Carbon i liên p (conjunction bond) –C-C=C-C-

• i sư n n a Dopant ch p

Quá trình oxi hóa với Halogen (doping loại p)

[CH]n +3x/2I2[CH]n x+ +x (I3 )

-

Quá trình khử với Kim loại: (doping loại n)

[CH]n + xNa [CH]n x- + xNa+

Phương pháp chế tạo polymer dẫn điện

Nguyên nhân gây ra dòng điện

+ Khi PA được tiếp xúc với một chất oxít hóa (oxidizing agent) A, PA và A sẽ kết

hợp theo một phản ứng hóa học đơn giản

PA trung tính không dẫn điện, là polymer dẫn điện. Các nhà vật lý gọi quá

trình này là doping của PA với A, hay PA được gọi là dope với dopant A

+

Sự thuận nghịch cho biết rằng có thể điều chỉnh độ dẫn điện của một vật liệu, biến

vật liệu dẫn điện thành cách điện và ngược lại.

+ Như trong ví dụ khi cho PA kết hợp với iodine theo phản ứng sau

Nhờ phản ứng trên mà độ dẫn của PA tăng lên hàng tỉ lần, biến một vật liệu cách

điện thành vật liệu dẫn điện

( )PA A PA A

2 33 ( )

2m

mn nCH nmI CH I

( )PA A

Giải thích cơ chế gây ra dòng điện

• Khi dopant, A nhận một điện tử,

một lỗ trống (+) trên i xuất

hiện.

• Khi có điện trường ngoài áp vào

thì electron sẽ nhảy vào lỗ trống

gần nó nhất, tạo ra một lỗ trống

mới tại vị trí đó

• Một electron khác lại nhảy vào

lỗ trống mới hình thành này và

tạo lỗ trống mới, quá trình này

cứ tiếp diến dọc theo chiều điện

trường, quá trình dẫn điện xảy ra.

Khảo sát sự liên hệ quá trinh dopping và sự biến đổi của dải năng lượng của

polypyrole

• PPy doping i A , hình thành nên cặp lỗ trống -

electron (+ ·) (polaron)làm thay đổi cấu trúc của

vòng pyrrole - tạo ra hai bậc năng lượng mới

trong khe dải.

• dopant sử dụng ở nồng độ cao, Polaron (+) gia

tăng, hai polaron gần nhau, hai điện tử () trở

thành nối π , còn lại cặp điện tích dương (+ +)

được gọi là bipolaron. y năng ng bipolaron

Nồng độ dopant thấp polaron là phần tử tải điện.

Nồng độ gia tăng, bipolaron là phần tử tải điện.

Các bậc năng lượng mới thành hình điện tử di

n từ dải hóa trị đến dải dẫn điện ở bậc cao

hơn.

Nội dung

1. Cấu trúc OLED đơn và đa lớp, lựa chọn vật liệu

2. Nguyên lý hoạt động

3. Sự phun và truyền hạt tải

Phần 2. OLED

78

Nhược điểm :

•Lớp phát quang bằng vật liệu hữu cơ đặt giữa các điện cực.

•Điện cực Anốt có tác dụng cung cấp hạt tải lỗ trống.

•Điện cực cathode đóng vai trò là nguồn cung cấp điện tử.

Cơ chế :

Khi áp điện trường, electron và lỗ trống từ các điện cực được phun

vào lớp vật liệu hữu cơ, hình thành exciton khi tái hợp phát xạ

Anốt

Cathode

Cấu trúc đa lớp

1.Cấu trúc OLED đơn lớp

Vùng điện tích không gian

Lớp vật liệu hữu cơ vô định hình

Khác biệt độ linh động hạt tải79

Anode EMLHIL EIL

Cathode

Chân không

LUMO

HOMO

HIL (Hole Injection Layer) và EIL (Electron

Injection Layer) là các lớp hữu cơ có tác dụng

tăng cường quá trình phun hạt tải từ các điện cực,

HTL (Hole Transort Layer) và ETL (Electron

Transport Layer) là các lớp vật liệu có chức

năng tăng cường sự truyền điện tử và lỗ trống.

1.Cấu trúc OLED đa lớp

80

Anode EMLHIL EIL Cathode

Chân không

LUMO

HOMO

Anode

Độ dẫn điện cao

Công thoát cao tăng cường quá trình phun lỗ trống

(> 4,1eV)

Có độ ổn định cao (cơ, nhiệt, hóa …)

Độ trong suốt cao tăng hiệu năng phát quang

ITO (4,5-4,8eV), AZO, Au(4,9eV), Au(4,2eV) …

• bốc bay

• phún xạ

• CVD

1.Cấu trúc OLED đa lớp

81

Anode EMLHIL EIL Cathode

Chân không

LUMO

HOMO

HIL/HTL (Hole injection layer/Hole Transmission Layer)

Kiểm soát, tăng cường truyền lỗ trống

Độ linh động lỗ trống cao

NL ion hóa và NL mức LUMO phù hợp

với vật liệu làm anode

VL Phân tử nhỏ :

Copper phthalocyanine (CuPc)

Perylenetettracarboxylic-dianitride

(PTCDA) …

VL Polymer :

poly-3,4-ethylenedioxythiophene

(PEDOT) / pha tạp Polystyrene

Sulfonate (PEDOT-PPS)

Anode

LM

HM

HIL HTL

1.Cấu trúc OLED đa lớp

82

Anode EMLHIL EIL Cathode

Chân không

LUMO

HOMO

HIL/HTL (Hole injection layer/Hole Transmission Layer)

Truyền lỗ trống vào vùng phát quang

Lớp khóa electron

Năng lượng ion hóa thấp, độ linh động

lỗ trống cao

VL Phân tử nhỏ : gốc amin nhân

thơm

Diphenin Diamin (TDP), Polyvinyl

Carbozole (PVK)

VL Polymer :

Poly Paraphenylene Vinylene

(PPV)

Anode

LM

HM

HIL HTL

1.Cấu trúc OLED đa lớp

83

Anode EMLHIL EIL Cathode

Chân không

LUMO

HOMO

EML

Nơi xảy ra quá trình tái hợp và phát quang.

Khả năng truyền electron, lỗ trống cao

Hình thành cặp electron- lỗ trống tái hợp

phát quang

Phải ổn định với nhiệt độ và các tác nhân hóa

học.

Pha tạp với các vật liệu khác thay đổi tính chất

phát quang

1.Cấu trúc OLED đa lớp

84

Gồm hai nhóm chính: vật liệu phân tử nhỏ

(SMOLED) và vật liệu Polymer (PLED)

Thường dùng là

PPV : phát ánh sáng xanh lá cây

MEHPPV : phát ánh sáng da cam

Dẫn xuất của PFO : phát ánh sáng đỏ

Các polymer dẫn

Vật liệu phân tử nhỏ

Một số loại vật liệu phát quang

85

Anode EMLHIL EIL Cathode

Chân không

LUMO

HOMO

ETL/EIL

Độ linh động electron cao; bền hóa, nhiệt

NL ion hóa cao, mức LUMO thấp

Phù hợp với EML và EIL

Thường được pha tạp với vật liệu có tính chất

huỳnh quang (fluorescence)

Tăng độ linh động hạt tải và hiệu suất phát

quang

LM

HMHIL HTL

* Metal chelates

* Oxadiazole compounds

* N=C (imine) containing

quinoline,

anthrazoline,

phenanthraline, and

pyridine compounds

* Cyano and F-

substituted

compounds

1.Cấu trúc OLED đa lớp

86

Độ linh động electron cao; bền hóa, nhiệt

NL ion hóa cao, mức LUMO thấp

Phù hợp với EML và ETL

Anode EMLHIL EIL Cathode

Chân không

LUMO

HOMO

ETL/EIL

LM

HMHIL HTL

* Metal chelates

* Oxadiazole compounds

* N=C (imine) containing

quinoline,

anthrazoline,

phenanthraline, and

pyridine compounds

* Cyano and F-

substituted

compounds

1.Cấu trúc OLED đa lớp

87

Anode EMLHIL EIL Cathode

Chân không

LUMO

HOMO

Cathode

Công thoát WF thấp

Có khả năng tạo ra một lượng lớn các electron

Phản xạ được ánh sáng phát ra

Độ chênh lệch mức năng lượng EF của cathode và mức

LUMO của vật liệu hữu cơ nhỏ

Ái lực điện tử lớp hữu cơ = sự chênh lệch năng lượng ion

hóa của lớp này và công thoát cathode

LUMO

HOMO

• Ca, Mg

• ITO, AZO

EA

IE

WF

1.Cấu trúc OLED đa lớp

88

2.Nguyên lý hoạt động

Cơ chế hoạt động của OLED dựa trên 3 quá trình chính, bao gồm :

•Sự phun hạt tải từ các điện cực vào lớp vật liệu hữu cơ

•Quá trình truyền hạt tải

•Hình thành cặp exciton điện tử- lỗ trống

Sự tái hợp cặp điện tử lỗ trống và phát quang89

Xét cấu trúc oled : anot – organic - catot

Giản đồ cấu trúc và năng lượng của một diode Schottky

chiều cao của

các rào thế

trong một

chất bán dẫn

loại p

(1)

90

Tính toán độ rộng vùng nghèo

Không thích hợp để mô tả một số tiếp xúc Schottky hữu cơ

(2)

(3)

(4)

91

Vùng nghèo trong một tiếp xúc Schottky hữu cơ

92

Mô hình khuếch tán bắt đầu với mô hình khuếch tán dòng trôi cơ bản trong

chất bán dẫn:

(5)

Mật độ của các trạng thái trong một chất bán dẫn hữu cơ N ( E ) giảm

theo cấp số nhân với năng lượng

(6)

(7)

Mật độ lỗ trống:

Thay phương trình (7) vào (5) ta có:

(8)

Tiếp xúc kim loại – bán dẫn

93

Lấy tích phân cả hai bên vùng nghèo, và giả sử rằng độ linh động không phụ

thuộc vào mức Fermi :

(9)

(10)

Thế phương trình (10) và (9) và giải tích phân ta có:

(11)

Tiếp xúc kim loại – bán dẫn

94

Để so sánh với các đặc trưng của một diode Schottky hữu cơ với phương

trình một tinh thể, phương trình (11) có thể được viết theo dạng sau:

(12)

Việc áp điện thế thuận khi VA >> kT / q dòng trong tiếp xúc Schottky

hữu cơ được thể hiện như :

(13)

Tiếp xúc kim loại – bán dẫn

95

Mô hình Schottky-Mott

Không có tương tác tại mặt phân cách

Mức chân không thẳng

Rào thế:

h mIP

Non linear !!!

e m EA

Tiếp xúc kim loại – bán dẫn

96

Mô hình thực tế

Mức chân không không thẳng

Tồn tại một dipole tại mặt phân cách là

Do đó : h mIP

e m EA

Tiếp xúc kim loại – bán dẫn

97

h mIP

e m EA h mIP

Do :

Điện tích chuyển đổi.

Điện tích chuyển đổi một dãy

electron được biểu diễn dọc bề mặt

phân cách.

Tiếp xúc kim loại – bán dẫn

98

Hệ số góc:

Tiếp xúc kim loại – bán dẫn

99

Mô hình Sze

Bỏ qua sự bẽ cong vùng

Trạng thái bề mặt được lấp đầy đếntrung hòa điện tích trước khi tiếp xúc.

Sau tiếp xúc: electron ở mức năng

lượng cao hơn mức Fecmi sẽ chuyểnvào kim loại.

Rào thế:

h M m oS 2

1

1M

s it

it

SD e

Tiếp xúc kim loại – bán dẫn

100

Sự suy giảm lực ảnh điện

Khi áp điện trường vào: vùngbị bẽ cong

Lực ảnh điện:

Điện trường ảnh:

Năng lượng tổng cộng

Tiếp xúc kim loại – bán dẫn

101

Khi áp điện trường vào: vùngbị bẽ cong

Lực ảnh điện:

Điện trường ảnh:

Năng lượng tổng cộng

Sự suy giảm lực ảnh điện

Tiếp xúc kim loại – bán dẫn

102

3.Quá trình phun hạt tải

Lý thuyết phát xạ nhiệt (Richardson – Schottky)

Sự phun điện tích chủ yếu dựa vào phát xạnhiệt

Mật độ dòng:

Ở đây

Độ linh động hạt tải :

high mobility

low mobility

103

Phát xạ dòng chui ngầm (Fowler - Nordheim)

Phun điện tích chủ yếu dựa vào dòng chuingầm qua hàng rào tam giác dưới điện trườngmạnh

Mật độ dòng

b

Do tồn tại sự mất trật tự trong chất hữu cơ, electron phảivượt qua hàng rào thế ngẫu nhiên trong rào thế tiếp xúc ápvào để di chuyển nhiều hơn vào trong lớp hữu cơ.

Có khuynh hướng trở lại điện cực dưới điện trường thấp.

3.Quá trình phun hạt tải

104

Độ linh động hạt tải:

Vùng dẫn điện tuân theo cơ chế hopping.

Xác định bằng phương pháp TOF (Time of flight) :

Từ thời gian chuyển động cho phép xác định độ linh động của điện tích theo

công thức

Giải thích:

Dưới điện trường yếu: phụ thuộc (0,4-0,6eV), không phụ thuộc vào

thành phần hóa học và phương pháp tổng hợp.

Dưới điện trường mạnh: độ linh động phụ thuộc vào căn bậc hai của F

theo quy luật hàm mũ.

1 1( ) expo

B B B o

E B Ek T k T k T

1 1exp

B B o

Ek T k T

PPV :

B = 2,9-5 eV(Vm)-1/2

T = 600K

= 3,5.10-3 m2/Vs

= 0,48eV

3.Quá trình phun hạt tải

105

106

107

DÒNG GIỚI HẠN ĐIỆN TÍCH KHÔNG GIAN (SCLC)

• Khái niệm.

– Mô tả sự di chuyển điện tích sau khi phun từ các điện cực

đi sâu vào các lớp vật liệu và hình thành dòng theo cơ

chế SCLC này.

– Dòng giới hạn điện tích không gian (SCLC) xảy ra khi

một trong hai điện cực có khả năng cung cấp lượng hạt

tải có mật độ cao hơn mật độ hạt tải có sẵn trong lớp vật

liệu tiếp giáp ở trạng thái cân bằng nhiệt.

108

• Khi chưa có điện trường hoặc điện trường rất yếu,

dòng hạt tải qua lớp bán dẫn tuân theo định luật

Ohm :

• Khi điện trường tăng và đạt đến giá trị trên ngưởng

xác định, đồ thị dòng j theo V không còn đúng với

ĐL Ohm nữa.

• Khi đó dòng sẽ di chuyển theo cơ chế SCLC.

Biểu thức dòng sẽ khác.

OHM

Vj en

d

109

• Phương trình mật độ dòng SCLC :

– Từ các phương trình cơ bản :

• Mật độ dòng hạt tải trong bán dẫn :

• Phương trình Poisson :

• Phương trình liên tục :

• Nồng độ electron :

• Điện thế :

• Với là độ linh động hạt tải, D là độ dài khuếch tán, EF và Ec là mức năng lượng Fermi và đáy vùng dẫn; ntj là mật độ điện tích trong bẫy thứ j, có năng lượng Ej.

dnj en F eD

dx

oo

dF(n n )

e dx

dj0

dx

F CC

B

E En N exp

k T

d

0

V Fdx

110

3/2

3 V x 2jF(x) x

2 d

2

SCLC 3

9 Vj

8 d

• Sự phụ thuộc của điện trường theo khoảng cách x và

mật độ dòng :

• Ta thu được biểu thức cho mật độ dòng :

111

• So sánh jOhm và jSCLC

• Khi chưa có điện trường hoặc điện trường rất nhỏ thì

jOhm >> jSCLC dòng tuân theo ĐL Ohm.

• Khi điện trường tăng đến khi jOHM = jSCLC ,dòng

SCLC bắt đầu đóng vai trò chính.

• Điện thế ngưỡng có giá trị :

OHM

Vj en

d

2

SCLC 3

9 Vj

8 d

2

O S

8 endV

9

112

• Do jSCLC phụ thuộc vào µ mà µ lại phụ thuộc điện

trường.

• Biểu thức Poole – Frankel :

• Tại điện trường mạnh :

• Dòng SCLC khi đó có thể tính gần đúng :

o

B B B o

1 1(E) exp B F

k T k T k T

o

B B o

1 1(E) exp B F

k T k T

2PF

SCLC o 3

9 V Vj exp 0,89

8 d d

113

DÒNG GIỚI HẠN ĐIỆN TÍCH BẪY (TCLC)

• Khi xét đến lượng điện tích tại các trạng thái bẫy

trong khối vật liệu, cần thêm các tham số đặc trưng.

• Cụ thể.

– Nồng độ hạt tải được bổ sung 1 lượng :

• Ht : hàm phân bố các bẫy :

– Lượng hạt tải này chỉ tham gia vào quá trình dẫn điện

trong điều kiện điện trường mạnh.

CE

tj

F

B

H (E)n dE

E E1 exp

k T

t CH exp(E E )

114

• Giải các pt đã nêu ở mục đầu ứng với n có bổ sung

lượng nj ta thu được dòng TCLC như sau :

• Với

– l :hệ số đặc trưng cho sự phân bố các bẫy l = Et/kBT

– Et : năng lượng hủy bẫy.

– Nt : mậtđộ bẫy tổng cộng.

11

oTCLC C 2 1

t

V 2 1j N e

d N e 1 1

l ll

l

l l

l + l

115

• Tóm lại

– Trong quá trình truyền hạt tải

• Dưới tác động của điện trường yếu,

chuyển động của các điện tích tuân theo

định luật Ohm.

• Khi điện trường tăng lên dòng jSCLC

xuất hiện và đóng vai trò quyết định

trong điện trường mạnh.

• Dưới tác dụng của điện trường mạnh có

sự tham gia của các điện tích trong các

bẫy, tạo ra mật độ dòng bẫy jTCLC sẽ

đóng góp vào mật độ dòng toàn phần.

Dòng tuân theo

ĐL Ohm

Dòng SCLC

Dòng TCLC

I

116

EXCITON

• Khái niệm

• Mô hình

• Sự tái hợp

• Các yếu tố ảnh hưởng sự phát quang

• Cách tăng H% phát quang

117

• Khái niệm

– Electron và lỗ trống, sau khi di chuyển qua các lớp vật

liệu truyền sẽ hình thành cặp điện tử-lỗ trống kết cặp,

được liên kết với nhau bằng lực Coulomd, gọi là các

exciton.

– 3 quá trình chính :

• Khuếch tán exciton đặc trưng cho sự truyền năng lượng.

• Hấp thụ exciton ảnh hưởng đến tính chất phổ hấp thụ.

• Sự hủy exciton liên quan đến sự phát quang.

Đóng vai trò quan trọng trong hoạt động OLED

118

• Các trạng thái kích thích (mô hình Jablonski)

– Mũi tên thẳng : phát xạ

– Mũi tên cong : không phát xạ

119

• Hai loại dịch chuyển

– Dịch chuyển phát xạ : 2 dạng phổ biến

• Phát huỳnh quang. (px nhanh)

• Phát lân quang. (px chậm)

– Dịch chuyển không phát xạ.

• Do dao động mạng Sự chồng chập mức năng lượng trong1

nguyên tử.

• Electron dịch chuyển giữa các trạng thái mà không là thay đổi

năng lượng cả hệ. Do chuyển sang năng lượng dao động mạng

Không phát xạ.

• Hoặc nguyên tử ở trạng thái kích thích truyền năng lượng cho

nguyên tử kế cận chuyển về tt cân bằng.120

• Dịch chuyển Frank – Condon.

– Theo lý thuyết hấp thụ năng lượng: Quá trình hấp thụ và

phát xạ sẽ ứng với các mức năng lượng bằng nhau.

– Nhưng các quá trình thực nghiệm không cho kết quả

đúng. (Eht > Epx).

Trong quá trình e chuyển lên tt kích thích và quay về, bản

thân nguyên tử đã tiêu hao hết 1 phần năng lượng.

121

• Lý giải theo Frank – Condon

– Cho rằng bản thân nguyên tử dịch chuyển sau khi hấp thụ

năng lượng và e chuyển mức.

Hồi phục

Hấp thụ Phát xạ

r1 r2

S1

So

r

EA EB

*

oE

*

1E

*

3E

*

nE

oE 1E

2E

nE

r2 r1 122

• Giả sử

– Vị trí nguyên tử ở trạng thái cân bằng là r1.

– Khi hấp thụ photon có năng lượng EA, e nhảy từ mức cơ bản So lên S1 mà không gây ra sự thay đổi r1.

• Lúc này nguyên tử ở trạng thái gần giống với việc bị giam giữ trong giếng thế năng có năng lượng En.

• Từ trạng thái này, nó chuyển xuống mức thấp nhất của trạng thái kích thích và mất năng lượng dưới dạng phonon

• Thay đổi vị trí.

• Sau đó, nguyên tử trở về mức cơ bản và phát ra photon có năng lượng EB < EA

• đồng thời lấy lại vị trí ban đầu.123

• Exciton

– Nguyên tử ở tt kích thích, e nhảy lên tt cao và để lại lỗ

trống “+”.

– Nếu e chưa chuyển động tự do e và lỗ trống vẫn còn

Lk bởi lực Coulomb.

Gọi là cặp Exciton

• Tùy vào bán kính và năng lượng liên kết ta chia làm

2 loại :

– Exciton Wannier-Mott

– Exciton Frankel

124

• Exciton Wannier-Mott (Exciton tự do)

– Hình thành khi e nhảy từ vùng Hóa trị lên vùng Dẫn và

để lại lỗ trống.

– Năng lượng và bán kính liên kết của Exciton được tính

toán dựa theo mô hình nguyên tử Hidro.

• Năng lượng :

• Gọi Eg là năng lượng kích thích ban đầu.

• Năng lượng liên kết Exciton : En = Eg + E(n)

• Các mức này nằm trong vùng cấm.

n tăng En giảm

H

2 2

o r

R 1E(n)

m n

125

• Bán kính liên kết.

– aH : bán kính Borh trong nguyên tử Hidro.

– ax : bán kính Borh Exciton.

n tăng thì rn tăng.

Vậy:

Khi n tăng En giảm và rn tăng

2 2o rn H X

mr a n a n

126

• Exciton Frankel.

– Hình thành khi electron dịch chuyển từ mức năng lượng

cơ bản lên các mức kích thích trong cùng một nguyên tử

(phân tử).

– Do định xứ trong một nguyên tử riêng biệt nên năng

lượng liên kết của Exciton Frankel khá cao (khoảng vài

eV) và bán kính liên kết nhỏ (< 5nm)

– Tuy nhiên, không thể áp dụng các công thức trên để xác

định năng lượng liên kết và bán kính exciton vì trong các

vật liệu hữu cơ hoặc phân tử nhỏ không có trật tự xa

trong liên kết giữa các nguyên tử với nhau (như chất rắn

tinh thể).

127

• Truyền điện tử theo cơ chế Hopping từ nguyên tử

này sang nguyên tử khác độ linh động thấp hơn

dạng kia.

• Với Polymer Exciton này hình thành theo 2 dạng

chính :

– Exciton nội chuỗi :cặp điện tử - lỗ trống hình thành trên

cùng một chuỗi polymer

– Exciton liên chuỗi : khác chuỗi. _

+

+ _

128

• Sự tái hợp hạt tải.

– Cặp điện tử-lỗ trống kết cặp sau khi hình thành sẽ bị tái

hợp tại vùng phát quang và phát ra các photon.

– Điều kiện :

• khoảng cách giữa điện tử và lỗ trống de-h phải nhỏ hơn bán kính

Osager.

• Bán kính Osager: là khoảng cách mà tại đó năng lượng tương

tác Coulomb cân bằng với năng lượng phân ly nhiệt :

C

o B

e 1r

4 k T

129

• Tốc độ quá trình tái hợp

• Với n, p theo thứ tự là nồng độ hạt tải electron và lỗ

trống, là hệ số tái hợp và e, h­ là độ linh động

của electron và lỗ trống.

e heR np np

130

• Tái hợp singlet và triplet :

– Quá trình tái hợp của cặp điện tử lỗ trống có thể diễn ra

theo một trong hai cách : tái hợp singlet hoặc tái hợp

triplet.

• Phân biệt singlet và triplet :

– Ở trạng thái kích thích, trong cùng 1 vân đạo: 2e có thể

có spin up/down và c/động cùng pha hay ngược pha

Singlet

S = 0

Triplet

S = 1

Ms = 1 Ms = -1

Ms = 0

131

• Nguyên lý loại trừ Pauli

– Triplet : không cho phép 2e cùng tồn tại ở cùng 1 vị trí.

– Singlet : không vi phạm nguyên lý.

ET < ES (1)

• Biểu thức (1) + mô hình Jablonsky :

– Tái hợp singlet là quá trình phát xạ. (ES = hv)

– Tái hợp triplet là quá trình không phát xạ. (ET = Ephonon)

Photon sinh ra chủ yếu do tái hợp Singlet và chỉ chiếm

25%

132

• Nhận xét.

– Mối liên hệ giữa lớp vật liệu phát quang, màu sắc ánh

sáng phát ra và Exciton.

• Từ : ES = hv bước sóng ás phụ thuộc năng lượng Exciton.

• Từ : En = Eg + E(n) năng lượng Exciton phụ thuộc độ

rộng vùng cấm.

• Độ rộng vùng cấm là năng lượng đặc trưng cho vật liệu.

Việc lựa chọn vật liệu chủ yếu căn cứ các yếu tố trên.

133

HIỆU SUẤT PHÁT QUANG

• Định nghĩa.

– Lượng hạt tải tái hợp phát quang trên tổng số hạt tải trên

một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian.

• Nguyên nhân chính ảnh hưởng đến H%

– Yếu tố cân bằng hạt tải. (γ)

– Tỉ số lượng hạt tải tái hợp Singlet/Triplet. (rst)

– Hiệu suất lượng tử nội: số photon phát ra/số tái hợp

Singlet (q)

– Hiệu ứng Coupling làm giảm lượng photon thoát ra ngoài

(ηcoupling).

H% = γ x rst x q x ηcoupling

134

• Yếu tố cân bằng hạt tải.

• Tỉ số Singlet/Triplet (rst)

– Tái hợp Triplet cũng có thể phát xạ dạng Lân quang (px

chậm) Tái hợp không phát xạ chiếm ưu thế.

– Vậy : đẩy nhanh Px Lân quang bằng cách pha tạp.

• Vật liệu pha tạp có Eg = Etử ngoại và độ linh động hạt tải cao.

135

• Hiệu suất lượng tử nội.

– Tỉ số giữa tái hợp phát xạ và không phát xạ trên tổng số

tái hợp singlet.

• Nguyên nhân hạn chế.

– Bẫy tạp chất : tái hợp exciton chuyển E sang phonon

• Khuếch tán nguyên tử kim loại từ điện cực, tạo thành các mức

năng lượng định xứ trong vùng cấm của các lớp hữu cơ

– Tương tác các Exciton gần điện cực.

• Các cặp Exciton gần bề mặt các điện cực sẽ mất mát năng

lượng và trở về trạng thái cơ bản thông qua việc truyền năng

lượng cho các dao động trên bề mặt kim loại.

Độ dày lớp phát quang phải thích hợp

136

• Coupling quang học.

– Ás mất mát khi truyền ra ngoài do :

• Hấp thụ.

• Phản xạ toàn phần.

• H% coupling :

– Vật liệu phân tử nhỏ định hướng không trật tự.

– Vật liệu Polymer có các chuổi định hướng.

coupling 2

0,75

n

coupling 2

0,5

n

137

• Một số pp tăng cường ηcoupling

– Giảm phản xạ toàn phần.

– Có 2 nhóm chính :

• Thay đổi tính chất giữa chuyển tiếp Thủy tinh – không khí và

Thủy tinh – ITO.

• Thủy tinh – không khí

138

• Thủy tinh - ITO

139