1 Lysdioder Realfagkonferansen 3. mai 2016 Av Nils Kr. Rossing Skolelaboratoriet ved NTNU

2 Program LED som lyskilde Litt halvlederfysikk Måling av terskelspenning for lysdioder med ulike farge Undersøke sammenhengen mellom: Terskelspenning -> båndgap -> bølgelengde

3 Blå LED Nobelpris i fysikk 2014 Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura Hvorfor var det så viktig å lage lysdioder med blått lys?

4 To store muligheter med blå LED Med blått lys kan man bruke LED til belysning fordi man kan lage hvitt lys Man har også klart å lage ultrafiolett LED-lys for desinfeksjon

5 Lysdioder (sammenligning) Ordinær lyspære 15 lm/Watt Levetid ca timer Lysstoff rør 100 lm/Watt Levetid ca timer Lysdioder Typisk lm/Watt Høy effekt 300 lm/Watt Levetid 50 – timer

6 Grunnleggende halvlederfysikk

7 Svakt elektro-negative (metaller) Avgir lett elektroner Sterkt elektro-negative (ikke-metaller) Opptar lett elektroner

8 Elektronegativitet

9 Oppsummerende egenskaper til metaller og ikke-metaller Svakt elektronegativtSterkt elektronegativt Gir lett slipp på elektronerHolder på elektroner Flere naboatomer i gitteret… … men svak binding til naboene… og sterk binding til naboene Ikke retningsbestemte bindingerRetningsbestemte bindinger Intet båndgap (overlapp)Båndgap Elektrisk ledendeElektrisk isolerende MetalliskIkke-metallisk

10 Energinivåer og elektrisk ledningsevne Bare noen energinivåer er lovlige

11 Delvis fylte orbitaler Valens- bånd Delvis fylte orbitaler Lednings- bånd Båndgapet Hos en halvleder er … … båndgapet så lite at det skal ikke mye energi til for at noen elektroner havner i ledningsbåndet, men ikke svært mange Halv-metall (Halvleder (f.eks. silisium) Fylte orbitaler Valens- bånd Ikke fylte orbitaler Lednings- bånd Båndgapet Energi Varme

12 Energinivåer og lederegenskaper Ikke-metall (Isolator) Fylte orbitaler Valens- bånd Ikke fylte orbitaler Lednings- bånd Bånd- gapet Energi Halv-metall (Halvleder) Fylte orbitaler Valens- bånd Ikke fylte orbitaler Lednings- bånd Båndgapet Energi Metall (Leder) Fylte orbitaler Valens- bånd Delvis fylte orbitaler Lednings- bånd Bånd overlapp Energi Svakt elektro-negative (ikke metaller)Sterkt elektro-negative (metaller)

13 Halvledermaterialet Rent silisium er en dårlig leder (2,52 · S/m-> ca. 4 kOhm/m) Germanium danner krystaller på samme måte som silisium

14 Vanlig brukte materialer i halvledere

15 Doping av silisium Delvis fylte orbitaler Valens- bånd Ikke fylte orbitaler Lednings- bånd Båndgapet Energi p-type dopet Si dopet med Al gir hull i valensbåndet Fylte orbitaler Valens- bånd Delvis fylte orbitaler Lednings- bånd Båndgapet Energi n-type dopet Si dopet med P gir elektroner i ledningsbåndet

16 Stoffer brukt i lysdioder med ulik farge Gallium Arsenide (GaAs) - infra-red Gallium Arsenide Phosphide (GaAsP) - red to infra-red, orange Aluminium Gallium Arsenide Phosphide (AlGaAsP) - high-brightness red, orange-red, orange, and yellow Gallium Phosphide (GaP) - red, yellow and green Aluminium Gallium Phosphide (AlGaP) - green Gallium Nitride (GaN) - green, emerald green Gallium Indium Nitride (GaInN) - near ultraviolet, bluish-green and blue Silicon Carbide (SiC) - blue as a substrate Zinc Selenide (ZnSe) - blue Aluminium Gallium Nitride (AlGaN) - ultraviolet n-type p-type

17 Oppbyggingen av en LED? Elektrisk nøytral Elektrisk nøytral p n Ledningsbåndet til det n-dopete materiale er delvis fylt med elektroner Valensbåndet til det p-dopete materiale er bare delvis fylt med elektroner, dvs. det har hull Dopet silisium eller Dopet Gallium GaAs GaAlAs Epoxy linse dome Anode (+) Katode (‒)

18 Hva skjer når vi fører et n-dopet og et p-dopet materiale sammen? p n Potensial Substrat av dopet silisium Aktiv sone

19 Oppbygging av lysdiode

20 Delvis fylte orbitaler Energi p-type dopet Delvis fylte orbitaler n-type dopet Tomme orbitaler Fylte orbitaler P-n overgangen Båndgap Potensialforskjell

21 Delvis fylte orbitaler Fylte orbitaler P-n overgangen Delvis fylte orbitaler P-type dopet Delvis fylte orbitaler n-type dopet Tomme orbitaler Fylte orbitaler P-type dopet Delvis fylte orbitaler n-type dopet Tomme orbitaler Energi

22 Båndgapet bestemmer energi i utstrålingen dvs. fargen til det utstrålte lyset

23 Båndgapet avgjør utsendt fotonenergi (farge) som igjen er bestemt av halvledermaterialet og hvilket stoff materialet er dopet med Semiconduktor materialDopingColorBand gap Silisium (Si) 1.12 eV Gallium Arsenide (GaAs)Infrared (IR) 1.42 eV Gallium Arsenide Phosphide (GaAsP) Pure 1.94 eV NitrogenRed - Yellow Gallium Phosphide (GaP) Zink OxideRed (700nm) NitrogenYel.-Gr. (565nm) PureGreen (555nm) 2.26 eV Indium gallium nitride (InGaN) Band gap depend of the alloy GaN/InGa PureBlue - Green2 – 3,5 eV

24 Fra terskelspenning til båndgap til bølgelengde E = Energi i båndgapet i eV H = Plaks konstant = 4,135667∙ eV∙s c = Lyshastigheten = 2,998 ∙10 8 m/s λ = Bølgelengden i m

25 Påstand: Båndgapet i eV = Terskelspenning i V? Terskelspenningen er foroverspenningen idet LED’en tennes Undersøk om målinger kan støtte denne påstanden!

26 Lysdioder og farger

27 Koblingsskjema

28 Lysdioder – oppkobling Måling av foroverspenning idet den begynner å lyse Justerspenningen over lysdioden med potensiometeret til den så vidt lyser. Les av terskelspenningen.

29 Koblingsskjema

30 Lysdioder – oppkobling Måling av foroverspenning og strøm Justerspenningen over lysdioden med potensiometeret til den så vidt lyser. Les av terskelspenningen. mA-meter V-meter

31 Terskelspenning som funksjon av bølgelengde FargeBølgelengde (nm)Terskelspenning [V] idet den begynner å lyse Foroverspenning [V] v/ 5mA

32 Foroverspenning som funksjon av bølgelengde

33

34 Målt foroverspenning som funksjon av bølgelengde

35 Terskelspenning som funksjon av bølgelengde (visuell inspeksjon)

36 Terskelspenning som funksjon av bølgelengde (ved 5 mA)

37 Diodespenning som funksjon av bølgelengde ved 20 mA

38 Diodekarakteristikker som funksjon av bølgelengde

39 Color WavelengthWavelength [nm]Voltage dropVoltage drop [ΔV]Semiconductor material Infraredλλ > 760ΔΔV < 1.63 Gallium arsenideGallium arsenide (GaAs), Aluminium gallium arsenide (AlGaAs)Aluminium gallium arsenide Red610 < λ < < ΔV < 2.03 Aluminium gallium arsenideAluminium gallium arsenide (AlGaAs), Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP), Gallium(III) phosphide (GaP)Gallium arsenide phosphide Aluminium gallium indium phosphideGallium(III) phosphide Orange590 < λ < < ΔV < 2.10 Gallium arsenide phosphideGallium arsenide phosphide (GaAsP), Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Gallium(III) phosphide (GaP)Aluminium gallium indium phosphide Gallium(III) phosphide Yellow570 < λ < < ΔV < 2.18 Gallium arsenide phosphideGallium arsenide phosphide (GaAsP), Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP), Gallium(III) phosphide (GaP)Aluminium gallium indium phosphideGallium(III) phosphide Green500 < λ < [68] < ΔV < 4.0 [68] Traditional green: Gallium(III) phosphide (GaP), Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Aluminium gallium phosphide (AlGaP) Pure green: Indium gallium nitride (InGaN) / Gallium(III) nitride (GaN) Gallium(III) phosphideAluminium gallium indium phosphide Aluminium gallium phosphide Indium gallium nitrideGallium(III) nitride Blue450 < λ < < ΔV < 3.7 Zinc selenideZinc selenide (ZnSe), Indium gallium nitride (InGaN) Silicon carbide (SiC) as substrate, Silicon (Si) as substrate—under developmentIndium gallium nitride Silicon carbideSilicon Violet400 < λ < < ΔV < 4.0 Indium gallium nitrideIndium gallium nitride (InGaN) PurpleMultiple types2.48 < ΔV < 3.7 Dual blue/red LEDs, blue with red phosphor, or white with purple plastic Ultravioletλ < < ΔV < 4.4 DiamondDiamond (235 nm) [69], Boron nitride (215 nm) [70][71] Aluminium nitride (AlN) (210 nm) [72], Aluminium gallium nitride (AlGaN) Aluminium gallium indium nitride (AlGaInN)—down to 210 nm [73] [69] Boron nitride [70][71] Aluminium nitride [72] Aluminium gallium nitride Aluminium gallium indium nitride [73] PinkMultiple typesΔV ~ 3.3 [74] [74] Blue with one or two phosphor layers: yellow with red, orange or pink phosphor added afterwards, or white phosphors with pink pigment or dye over top. [75] [75] WhiteBroad spectrumΔV = 3.5 Blue/UV diode with yellow phosphor

40 Hvite lysdioder

41 Oppbygging av LED

42 Heftet: Elektrisitetslære (Rev 4.1 april 2016)

43 Utstyr Målekofferten med: (Skolelab.) - Multimetere - Koblingsbrett - Ledninger med bananstikker Batterier (Skolelab.) Div. lysdioder (Skolelab.) Krokodilleklemmer (Skolelab.) Potensiometer 200/500 Ohm (Skolelab.) 220 Ohms motstander (Skolelab.) Skjema for utfylling (Skolelab.) Koordinatsystem (Skolelab.) Badge fra Vitensenteret (hjemme)