MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

Átírás

1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 Optoelektronikai eszközök: Világító diódák, fotodiódák, képfelvevők, megjelenítők

2 LED-ek, OLED-ek Áttekintés, a működés lényege LED típusok LED-ek jellemzői Fehér fény előállítása Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

3 LED == világító dióda LED light emitting diode Vegyületfélvezetők: III-V-ös anyagok, pl. GaAs InP AlGaAs AlInGaP LED-ek gyártására használt elemek: III és V oszlop a periódusos rendszerben: Összetétel változása: sávszerkezet n/p típus Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

4 Fénykibocsájtás alapja: direkt sáv Sávszerkezet: a megengedett energia szintek az impulzus-vektor (k) függvényében Direkt átmenet vezetési sáv vegyérték sáv E el k rekombináció ΔE = E g ΔE fonon-csatolt E el Δk átmenet k Indirekt átmenet Fonon is emittálódik: melegszik a kristályrács Hatásfok különbség!! E lyuk foton emisszió: ΔE = h ν Frekvencia hullámhosz: λ = c/ν E lyuk A rekombinációs áramhoz kötődik a fény emisszió Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

5 Korai LED struktúrák λ [nm] szín LED anyag 700 vörös GaP:Zn-O/GaP 660 vörös GaAl 0,3 As/GaAs 630 vörös GaAs 0,35 P 0,65 :N/GaP 610 narancs GaAs 0,25 P 0,75 :N/GaP 590 sárga GaAs 0,15 P 0,85 :N/GaP 565 zöld GaP:N/GaP 555 zöld GaP/GaP A hullámhossz (szín) a tiltott sáv szélességétől (ΔE) függ. Az pedig a PN átmenet anyagi minőségétől függ. ΔE = h ν λ = c/ν Az emittált fény színe a III és V oszlopbeli elemek arányával állítható Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

6 LED-ek fejlődéstörténete 1967: Első LED: GaAs + LaF 3 YbEr 1973: Sárgászöld LED (GaP) 1975: Sárga LED 1978: Nagy intenzitású vörös LED 1993: Kék LED 1997: Fehér LED (kék + fénypor) 2001: Fehér LED (UV LED + fénypor) Napjaink: Nagyteljesítményű LED-ek 1..10W Korábban csupán indikátorokként (berendezések előlapján) használták, ma már betörtek a világítástechnika területére Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

7 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Színek Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

8 A LED-ek fényhasznosítása Fényhasznosítás [Lumen / Watt] Modern lámpa GaP:N InGaAlP GaAlAs GaAlAs GaAsP:N InGaN InGaAlP InGaN InGaN Edison InGaN GaAsP SiC 0, Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

9 Hagyományos LED szerkezete LED chip Reflektor Műanyag lencse Kikötő vezeték Katód Anód Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

10 Hagyományos LED szerkezete LED chip LED chip a reflektorban Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

11 LED-ek jellemzése Elektromos paraméterek: Nyitó feszültség: 2.5 V.. 4 V, a színtől függ Nyitó áram: kisteljesítményű, hagyományos LED-ek: ~10 ma nagyteljesítményű LED-ek: 300 ma 800 ma 1500 ma Záróirány: kicsi letörési feszültség védő dióda (az is LED vörös) Tokozás hőellenállás: 300 K/W.. 10 K/W tokozás fajtája: hűtőfelület/mcpcb, optika kivitele Optikai paraméterek fényáram [lm], fényhasznosítás [lm/w] optikai teljesítmény [W] spektrum + domináns hullámhossz (színes) vagy korrelált színhőmérséklet + x,y koordináták (fehér) sugárzási karakterisztika Hatásfokok sokféle van Az adott LED-gyártó technológiáitól függenek Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

12 Toktípusok OSRAM: High Power LED Chip 700 x 700 µm Radial LED Chip 250 x 250 µm R th = 10 K/W Lumileds: Soldered heat sink Metall core PCB R th = 200 K/W Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

13 LED-ek osztályozása tokozás szerint Egyedi, tokozott LED-ek Level 0 device Fém magvas NYÁK-ra szerelt eszközök Level 1 device LED szerelvények LED cluster-ek Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

14 Optikai paraméterek Kisugárzott fényteljesítmény (radiometriai fluxus) Fényáram (luminous flux, Lichtstrom) a kisugárzott teljesítményfluxus súlyozva az emberi szem érzékenységével, az ún. V(λ) függvénnyel Spektrum Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

15 Sugárzási karakterisztika Reflektorban ülő LED chip: Ehhez jön még az átlátszó műanyag tok, mint optika Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

16 LED-ek hatásfokai Quantum efficiency (kvantumhatásfok) hogy áránylik a fényemisszióval együttjáró rekombinációs áram a teljes áramhoz Extraction efficiency (kicsatolási hatásfok) hogy aránylik a külvilágba kijutó fotonok száma a LED aktív régiójában generált fotonok számához Power efficiency / wall-plug efficiency WPE (teljesítményhatásfok) hogy aránylik a kisugárzott fényteljesítmény a betáplált elektromos teljesítményhez, (P opt / P el ) Efficacy / luminous efficiency (fényhasznosítás) hogy aránylik az emittált fényáram a betáplált elektromos teljesítményhez Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

17 Extraction efficiency A fénykicsatolás hatásfoka a konstrukciótól függ: Lumileds Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

18 Fehér fény előállítása LED-del Vörös + zöld + kék LED RGB modul Kék-LED + fénypor Fénypor felhordás új módozatai Sárga vagy zöld + vörös fénypor UV-LED + fénypor A hatásfok függ a foszfor (fénypor) konverziós hatásfokától is Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

19 Fehér fény problematikája LED-eknél Általánosan: színvisszaadás (color rendering) Fényporos fehér LED-eknél: Hideg/meleg fehér (kékes vagy sárgás) Korrelált színhőmérséklet (ekvivalens fekete test sugárzó hőmérséklete) Stabilitás (beégetés szükséges) RGB moduloknál: hőmérsékletérzékenység színvándorlás DE: nem csak fehér, hanem tetszőleges szín kikeverhető (a háromszögön belül) Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

20 Hőmérsékletfüggés Az elektromos karakterisztika hőmérsékletfüggése olyan, mint Si diódáknál (pl. nyitófesz.: -2mV/ o C) Hatásfokok növekvő hőmérséklettel csökkennek Spektrális eloszlás színes LED-eknél: csúcs hullámhossz eltolódik, hatásfok romlása miatt csúcsok laposodnak fehér LED-nél: a kék csúcs eltolódik, a fényporból származó rész hatásfok romlása miatt laposodik Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

21 Gyártósori osztályozás Minden félvezetőtechnológiának van szórása tipikusan normális eloszlás Válogatás a szóráson belül: binning (bin: kosár) Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

22 OLEDs: what are they? OLED = organic light emitting device they are often referred to as organic light emitting diodes by and large the device behavior reminds (inorganic) semiconductor diodes The general structure looks as follows: Reflector LIGHT Must be transparent Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

23 OLEDs: how do they look like? LIGHT Anode layer must be transparent of high conductance commonly PEDOT + ITO (low power, small area) PEDOT + metal grid (high power, large area) Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

24 OLED structures: very thin layers Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

25 OLED structures Suitable for R2R process with flexible substrate (foil) Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

26 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Már létező OLED alkalmazások Display, general lighting, design effects / concepts: Philips LumiBlade Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

27 A fotodióda Áttekintés, a működés lényege Alkalmazás: optocsatoló CMOS képfelvevő Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

28 Fotodióda Záró irány: generációs áram a kiürített rétegben Ellentétes mechanizmus, mint a rekombináció Foton elnyeléssel többlet generáció lesz, megnő az áram fotoáram A lezárt PN átmenet jó fényérzékelőnek fotodióda Nagy megvilágítási tartományban működik Alkalmazási példák: optocsatoló CMOS képfelvevő Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

29 Fotodióda alkalmazása: optocsatoló Galvanikusan szeparált adatátviteli út kialakításához Nagy sebesség (pl. 15Mbps) Bemenet: pl. GaAs LED Kimenet: Si fotodióda + kimeneti interfész (pl. CMOS) Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

30 Fotodióda alkalmazása: képfelvevő Ideális esetben: sötét referencia dióda (pl. poli réteggel fedett) CMOS technológiával kompatibilis on-chip feldolgozó áramkör Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

31 CMOS képfelvevő A pixelben a fotoáram a dióda parazita kapacitását tölti, ennek többletfeszültségét M1- en keresztül (erősítve) kiolvashatjuk. M2 törli a pixelt Érzékelő mx + interfész Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

32 CMOS képfelvevő Színes képhez: RGB szűrők Integrált mikrolencsék Ezek már extra technológiai lépéseket igényelnek Pl. egy vörös szűrő Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

33 Képmegjelenítők LED-es kültéri kijelzők LCD Mikrotükrös kivetítő chip Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

34 LED-es kijelzők Alapelem: RGB modul (sokszor 2 zöld LED) Ezekből mátrix Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

35 Ma ismert LCD képernyő Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

36 A működés alapja: folyadékkristály Mi a folyadékkristály? Olyan állapotú anyag, amely a folyékony és szilárd állapot között van, a molekulái között bizonyos fokú rendezettség figyelhető meg Anizotróp tulajdonságú, vagyis a különböző irányultságú behatásokra (fény, elektromos és mágneses mező, mechanikai behatás stb.) másképpen viselkedik Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

37 A folyadékkristály A folyadékkristályok szerves anyagok, amelyeknek egy (vagy több) átmeneti fázisuk van a folyékony és a szilárd halmazállapot között. Pálcika alakú molekulákból állnak, amelyek rendezett, ún. szmektikus állapotban vannak és optikai hatást hoznak létre (megváltoztatják az áthaladó fény polarizációját) a folyadékkristály az áthaladó fény polarizációját elforgatja Ha fény halad át egy folyadékkristály által kitöltött szendvicsszerkezeten, akkor annak a polarizációs iránya is elfordul a molekulák irányultságának megfelelően (esetünkben 90 -ot) Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

38 LCD kijelzők polárszűrő polárszűrő Kijelzés céljára egy üveglapokkal határolt, μm vastagságú folyadékkristály-réteget alkalmaznak. Mindkét üveglap polarizáló bevonattal van ellátva úgy, hogy a két polarizáló réteg egymásra merőleges irányú. Az üveglapokon helyezik el az átlátszó (pl. SnO2) fémből készült elektródákat. ~ Ha nincs az elektródák között térerősség, a folyadékkristály az áthaladó fény polarizációját 90 -kal elforgatja. Így a fény keresztüljut a második polárszűrőn is. Térerősség hatására a folyadékkristály molekulái az elektromos erőtér irányába rendeződnek. Az áthaladó fény polarizációját nem változtatják meg, így az adott szegmens fekete marad Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

39 LCD típusú kijelzők LCD == liquid crystal display LCD típusú megjelenítő rendszerek Szegmenses rendszer Pontmátrix rendszer(karakteres kijelző) Pontmátrix rendszer(grafikus kijelző) Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

40 LCD konfigurációk Transzmisszív típus Reflexív típus Kivetítő típus Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

41 Az LCD szerkezete Az LCD felépítése Szendvicsszerkezet (passzív mátrix LCD) Polárszűrő a belépő és kilépő fény polarizációját állítja be Üveg hordozóréteg Átlátszó elektródák ezek vezérlik az LCD-t Iránybeállító réteg Folyadékkristály-molekulák Távtartó Színszűrők Háttérvilágítás léteznek olyan típusok is, ahol nincs háttérvilágítás, ekkor egy tükröt használnak, és a kép csak külső megvilágítás mellett látható Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

42 DMD deformable mirror device Elektrosztatikusan mozgatott mikrotükrök mátrixa M(O)EMS micro opto-electro-mechanical system Digitális képmegjelenítő eszköz Tükör tartó oszlopok A digitális képinformációt egy elektronika a tükrük mozgatását vezérlő jellé alakítja Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

43 DMD deformable mirror device Torziós függesztés, a tükör nélkül (mikroszkópi kép) Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

44 DMD deformable mirror device Pl. 640x480 vagy 1280x1024 tükör Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

45 DMD kivetítők 16μm 2 felületű alumínium tükörrel borított SRAM cella tartozik minden egyes pixelhez A memóriacella állapotától függően a fényt egyik vagy másik irányba tudja visszaverni (±10 ) Impulzuskód-modulációval állítják elő a szürkeárnyalatokat Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET

46 DMD deformable mirror device Szines képhez 3 chip-es rendszer vagy szűrőtárcsa piros, zöld, kék vetítéshez Optoelektronikai eszközök Poppe András, BME-EET