Av Nils Kr. Rossing Skolelaboratoriet ved NTNU Fagdag realfag ‒ Utforsking av lysdioder med ulike farger … mest om kjemi og materialteknologi.

Presentasjon om: "Av Nils Kr. Rossing Skolelaboratoriet ved NTNU Fagdag realfag ‒ Utforsking av lysdioder med ulike farger … mest om kjemi og materialteknologi."— Utskrift av presentasjonen:

1 av Nils Kr. Rossing Skolelaboratoriet ved NTNU Fagdag realfag ‒ Utforsking av lysdioder med ulike farger … mest om kjemi og materialteknologi

2 2 Blå LED Nobelpris i fysikk 2014 Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura Effektivitet: Lyspære 15 lm/W, Lysstoffrør 100 lm/W, LED 300 lm/W Levetid: Lyspære 2500 t, Lysstoffrør 10 000 t, LED 100 000 t Hvorfor var det så viktig å lage lysdioder med blått lys?

3 3 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

4 4 Innhold Grunnleggende halvlederkjemi/fysikk Hvordan virker lysdioder? Måling av terskelspenning som funksjon av fargen på lyset

5 5 Grunnleggende halvlederfysikk

6 6 Svakt elektro-negative (metaller) Avgir lett elektroner Sterkt elektro-negative (ikke-metaller) Opptar lett elektroner

7 7 Elektronegativitet

8 8 Energinivåer og elektrisk ledningsevne Bare noen energinivåer er lovlige

9 9 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 electro-negative (metaller)Sterkt electro-negative (ikke-metaller)

10 10 Halvledermaterialet Silisium er nærmest en isolator Germanium danner krystaller på samme måte

11 11 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

12 12 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

13 13 Vanlig brukte materialer i halvledere

14 14 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

15 15 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, dvs. det har hull

16 16 Hva skjer når vi fører et n-dopet og et p-dopet materiale sammen? p + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - n Potensial

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

18 18 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

19 19 Delvis fylte orbitaler Energi P-type dopet Delvis fylte orbitaler n-type dopet Tomme orbitaler Fylte orbitaler P-n overgangen

20 20 Båndgapet bestemmer energi i utstrålingen dvs. fargen til det utstrålte lyset

21 21 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

22 22 Lysdioder (sammenligning) Ordinær lyspære 15 lm/Watt Levetid ca. 2 500 timer Lysstoff rør 100 lm/Watt Levetid ca. 10 000 timer Lysdioder Typisk 30-100 lm/Watt Høy effekt 300 lm/Watt Levetid 50 – 100 000 timer

23 23 Effektivitet som funksjon av farge pr. 2012 http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode Typical efficacy (lm/W) – typisk verdier for lysintensitet pr. Watt Typical efficiency (W/W) – andel av teoretisk utstrålt maksimalverdi

24 24 Lysdioder og farger

25 25 Lysdioder – oppkobling Måling av terskelspenning Justerspenningen over lysdioden med potensiometeret til den så vidt lyser. Les av terskelspenningen.

26 26 Terskelspenning som funksjon av farge FargeTerskespenning [V]

27 27 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 < 7601.63 < 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 < 6102.03 < 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 < 5902.10 < 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 < 5701.9 [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 < 5002.48 < 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 < 4502.76 < 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 < 4003.1 < 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 http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode

28 28 Hvite lysdioder

29 29 Utstyr Målekofferten med: (Skolelab.) - Multimetere - Koblingsbrett - Ledninger med bananstikker Batterier (Skolelab.) Div. lysdioder (Skolelab.) Krokodilleklemmer (Skolelab.) Potensiometer (Skolelab.) 220 Ohms motstander (Skolelab.) Skjema forutfylling (Skolelab.) Badge fra Vitensenteret (hjemme)