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場致發光顯示

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場致發光,又稱電致發光(EL),是固體發光材料在電場激發下發光的現象,是1920年德國學者古登和波爾發現的,在某些物質加電壓後會發光。

1 場致發光顯示 -概述

場致發光顯示場致發光顯示屏
場致發光,又稱電致發光(EL),是固體發光材料在電場激發下發光的現象,是1920年德國學者古登和波爾發現的,在某些物質加電壓後會發光,。1923年蘇聯的羅塞夫發現了SiC中偶然形成的p-n結中的光發射。1936年,德斯垂髮現摻入熒光粉ZnS的蓖麻油一加上電場就會發光。1947年,美國學者麥克瑪斯特發明了導電玻璃,利用它可以製作平面光源,但亮度不夠高,1955年美國的沃爾夫在GaP上觀測到Ⅲ-Ⅴ族半導體發出的可見光,1962年美國的潘可夫從GaAs中獲得了紅外光,20世紀70年代后,由於薄膜晶體管(TFT)技術的發展,EL在壽命、效率、亮度、存儲上的缺點得到了部分克服,成為大型顯示技術三大最有前途的發展方向之一。下面我們介紹一下場致發光顯示的一些知識。

2 場致發光顯示 -分類

場致發光顯示場致發光顯示屏
按照場致發光激發過程的不同將其分為兩類:(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熒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熒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熒光顯示,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、響應速度快、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被認為是大屏幕顯示最有前途的發展方向。

3 場致發光顯示 -LED與無機LED

場致發光顯示LED
LED是注入式電致發光的典型例子。注入式電致發光現象最早要追溯到1923年蘇聯的羅塞夫發現的SiC中偶然形成的p-n結中的光發射,但直到20世紀60年代人們才用GaAsP外延生長技術製成了第一隻實用化紅光LED,其後不久橙色、黃色LED也相繼問世,LED得到迅速發展:70年代綠光LED得以實現,80年代初,高亮度LED拓展了LED的應用範圍,1911年,利用MOCBD外延工藝製作出的超高亮度紅、橙、黃LED更使LED走出室外,19941年GaN超高亮度藍光LED問世及其後不久的超高亮度綠光LED,還有近年的紫光GaN LED研製成功,實現了LED發光顏色覆蓋紅、橙、黃、綠、藍、紫可見光全譜,為全色顯示奠定了基礎。

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概率大、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,並與導帶電子複合后落回價帶。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一般有檯面型與平面型兩種結構。

4 場致發光顯示 -OLED

場致發光顯示OLED
有機發光顯示器件(OLED)是以有機薄膜作為發光體的自發光顯示器件,具有:
(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,能與半導體集成電路的電壓相匹配,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。

場致發光顯示OLED兩種基本結構

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佔據分子軌道稱為HOMO,反鍵軌道中最低的未被佔據分子軌道被成為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。

場致發光顯示無源矩陣OLED顯示
無源矩陣OLED顯示器件結構簡單,價格低廉,適用於低信息量的顯示應用,如字元、數字顯示器,其有機層夾在兩個互相垂直的電極之間,發光像素按矩陣排列,被掃描的像素在相應行、列驅動電壓的驅動下,流過電流而發光。電極與發光層上、下分別有保護層與玻璃基板。
場致發光顯示有源矩陣OLED大屏幕顯示
有源矩陣OLED顯示器件主要用於高解析度、高信息量的顯示器,例如視頻和圖像顯示等。其顯示面板上增加了一層電子底板,每個像素通過在電子底板上相應的薄膜晶體管和電容器來進行獨立的定址,這樣,當某一點像素髮生故障時,只會引起該像素點變黑,而不會像傳統的LCD顯示器件那樣,造成帶點所在的行變成白色。另外,有源矩陣OLED器件採用恆定驅動電流,而且多晶硅掃描電路都直接集成到底板上,這樣減少了許多昂貴的、高密集的IC和外圍設備相接的介面電路。

5 場致發光顯示 -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)。

場致發光顯示ACEL結構原理圖
ACEL結構如圖所示,它是將熒光粉懸浮在介電係數很高、透明而且絕緣的膠合有機介質中,並將之夾持在兩電極之間而構成,實質上是大量幾微米到幾十微米的微小發光粉晶體懸浮在絕緣介質中的發光現象,又稱德斯垂效應。加以正選電壓時,每隔半個周期,器件以短脈衝方式發光一次,激勵電壓有效值常需數百伏,發光持續時間約1ms。ACEL不是體發光,而是晶體內的發光線發光,發光線上的亮度可達340000cd/m×m,總體光亮度約40cd/m×m,功率轉換率約百分之一,壽命約1000小時,採用不同的熒光粉可獲得紅、藍、黃、綠等各色光顯示。
場致發光顯示DCEL結構原理圖
DCEL現象由乍姆等人於1954年發現,1966年人們得到了高亮度ZnS:Mn、Cu DCEL發光材料。DCEL結構基本與交流粉末器件相似,但其熒光粉的塗層是導電的CuS,正常使用前必須在兩電極上施加短暫作用的高電壓脈衝,是Cu 從緊挨著陽極的熒光物表面上失落,形成一薄層高電阻的ZnS。之後,較低的工作電壓主要降在ZnS上,使之發光。這種器件轉換效率僅0.1%,但發光亮度高達300cd/m×m(V=100V)。

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。

場致發光顯示ACTFEL結構原理圖
場致發光顯示場致發光顯示
ACTFEL優點是亮度高,壽命長,穩定性極好,具有本徵灰度存儲能力,可用光筆或投影法做光學書寫與擦除,能用二電平信號讀出,分辨力高,工作範圍寬。缺點是靜電容大,顯示速度慢,無自掃描、自位移功能,驅動複雜,顏色只有橙黃色效率高,工作電壓高,集成化困難。

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,因而能製作與晶體管和集成電路匹配的電壓、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。

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