Grunnleggende halvlederfysikk og Utforsking av lysdioder med forskjellig farge ved Nils Kr. Rossing/Per-Odd Eggen Skolelaboratoriet ved NTNU/Vitensenteret i Trondheim

2 Innhold Grunnleggende halvlederkjemi/fysikk Hvordan virker lysdioder? Måling av terskelspenning som funksjon av fargen på lyset Litt fargelære

3 Grunnleggende halvlederfysikk

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

5 Elektronegativitet

6 Halvledermaterialet Silisium er nærmest en isolator Germanium danner krystaller på samme måte

7 Energinivåer Bare noen energinivåer er lovlige

8 Energinivåer 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 electro-negative (metaller)Sterkt electro-negative (ikke-metaller)

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

10 Delvis fylte orbitaler Valens- bånd Delvis fylte orbitaler Lednings- bånd Båndgapet Hos halvleder er … … båndgapet er 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

11 Vanlig brukte materialer i halvledere

12 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

13 Hva skjer når vi fører et n-dopet og et p-dopet materiale sammen? n p Elektrisk nøytral Elektrisk nøytral Ladning Ledningsbåndet til det n- dopete materiale er delvis fylt med elektroner Valensbåndet til det p- dopete materiale er bare delvis fylt med elektroner, det har hull

14 Hva skjer når vi fører et n-dopet og et p-dopet materiale sammen? p n Potensial

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

16 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

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

18 Båndgapet bestemmer energi i utstrålingen dvs. hvilken farge det utstrålte lyset har

19 Båndgapet avgjør utsendt fotonenergi (farge) som igjen er bestemet av halvledermaterialet 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/InG PureBlue - Green2 – 3,5 eV

20 Lysdioden

21 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

22 Effektivitet som funksjon av farge pr Typical efficacy (lm/W) – typisk verdier for lysintensitet pr. Watt Typical efficiency (W/W) – andel av teoretisk utstrålt maksimalverdi

23 Lysdioder og farger

24 Lysdioder – oppkobling Måling av terskelspenning Justerspenningen over lysdioden med potensiometeret til den så vidt lyser. Les av terskelspenningen.

25 Terskelspenning som funksjon av farge FargeTerskespenning [V]

26 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

27 Hvite lysdioder