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Chapter 9 光顯示材料

Chapter 9 光顯示材料. 本章大綱 9.1 光顯示技術發展概況 9.2 陰極射線管 (CRT) 發光材料 9.3 場發射顯示材料 9.4 等離子體顯示材料 9.5 電致發光材料 9.6 發光二極管材料 9.7 液晶顯示材料. 9.1 光顯示技術發展概況 9.1.1 顯示技術的發展. 一百多年前德國布朗發明了陰極射線管 (Cathode Ray Tube ，簡稱 CRT) ，實現了光電顯示。 由於 CRT 是電真空器件，有體積大、笨重、工作電壓高、輻射 X 線等不可克服的缺點，難以向輕便化、高亮度化、節能化方向發展。

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Chapter 9 光顯示材料

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  1. Chapter 9 光顯示材料 本章大綱 9.1 光顯示技術發展概況 9.2 陰極射線管(CRT)發光材料 9.3 場發射顯示材料 9.4 等離子體顯示材料 9.5 電致發光材料 9.6 發光二極管材料 9.7 液晶顯示材料

  2. 9.1 光顯示技術發展概況9.1.1 顯示技術的發展 • 一百多年前德國布朗發明了陰極射線管 (Cathode Ray Tube，簡稱CRT)，實現了光電顯示。 • 由於CRT是電真空器件，有體積大、笨重、工作電壓高、輻射X線等不可克服的缺點，難以向輕便化、高亮度化、節能化方向發展。 • 這就促進了平板顯示 (Flat Panel Display，簡稱FPD) 技術的發展，特別是液晶顯示 (Liquid Crystal Display，簡稱LCD) 技術的發展。 • 液晶顯示具有低電壓、微功耗、易與集成電路相匹配、容易彩色化以及可被動式顯示等特點，所以在較短時間內發展成為一種新興產業。 • 20世紀60年代出現液晶顯示技術， • 70年代形成扭曲向列液晶顯示(Twisted Nematic-LCD，TN-LCD)， • 80年代發展到超扭曲向列液晶顯示(Super Twisted Nematic-LCD，STN-LCD)， • 90年代發展到更高層次的薄膜晶體管有源矩陣液晶顯示(Thin Film Transistor Active Matrix-LCD，TFT AMLCD)。 • 圖9-1為光電顯示的分類示意圖，由圖可知，光電顯示分為投影式、直視式、虛擬式。投影顯示中CRT和AM˙LCD投影是主流。

  3. 9.1 光顯示技術發展概況9.1.1 顯示技術的發展 圖9-1　光電顯示的分類

  4. 9.1 光顯示技術發展概況9.1.2 顯示器件的性能 • 評價顯示器件的參數有很多，但關鍵參數有亮度、發光效率、對比 、電壓、功耗、分辨率、灰度、壽命(穩定性)、視角、色彩、響應時間等。 • 亮度 • 亮度指顯示器件的發光強度。它是指垂直於光束傳播方向單位面積上的發光強度，單位為cd/m2。發光式顯示器件和受光式液晶顯示器件(採用背照明透射式顯示)均採用亮度參數。 • 發光效率 • 發光效率(luminescene efficiency)是指顯示器件輻射出的單位能量(W)所發出的光通量，單位為l m/W。一般發光式顯示器件的發光效率為0.1 lm/W~1.5 lm/W，其中真空螢光顯示發光效率高達1 lm/W~10 lm/W。發光效率是衡量發光材料性能的非常重要的參數。 • 對比度 • 對比度表示顯示部分的亮度和非顯示部分的亮度之比。在室內照明條件下對比度達5:1，能基本上滿足顯示要求。液晶有源矩陣顯示對比度達到100:1以上。

  5. 9.1 光顯示技術發展概況9.1.2 顯示器件的性能 • 評價顯示器件的參數有很多，但關鍵參數有亮度、發光效率、對比 、電壓、功耗、分辨率、灰度、壽命(穩定性)、視角、色彩、響應時間等。 • 灰度 • 灰度表示顯示器亮度的等級。以亮度的21/2倍發光強度的變化劃分等級。灰度越高，圖像層次越分明，彩色顯示中顏色更豐富，圖像更柔和。 • 響應時間與餘輝時間 • 響應時間表示從施加電壓到顯示圖像所需要的時間，又稱為上升時間。而當切斷電壓後到圖像消失所需要的時間稱為餘輝時間，又稱下降時間。一般為微秒量級。視頻圖像顯示要求響應時間和餘輝時間加起來小於50 ms才能滿足視頻的要求。 • 壽命和穩定性 • 發光顯示器件初始亮度衰減一半所需時間稱為半壽命，一般即指壽命。受光顯示器件的主要顯示指標保持正常的時間為使用壽命。同時濕度、溫度、紫外光等環境狀態和穩定性也是很重要參數。

  6. 9.1 光顯示技術發展概況9.1.2 顯示器件的性能 • 色彩 • 顯示顏色分為黑白、單色、多色、全色。顯示顏色是衡量顯示器件性能優劣的重要參數。 • 發光顯示以紅光、綠光、藍光三基色加法混色得到任意顏色。CRT、LCD及PDP已可顯示幾百種顏色。 • 視角 • 在受光式被動顯示中，觀察角度不同，對比度不同。在液晶顯示中視角問題特別突出。由於液晶分子具有光學各向異性，液晶分子長軸和短軸方向吸收不同，因而引起對比度不同，但LCD採用MVA(多疇垂直排列)、IPS(共面轉換)、ASM(軸對稱多疇模式)、光學補償膜等各種手段，視角特性能達到應用要求。 • 工作電壓和功耗 • 驅動顯示器件所施加的電壓為工作電壓。工作電壓與器件消耗電流的乘積為功耗。因此，要求工作電壓低、功耗少，並容易與集成電路相匹配。

  7. 9.1 光顯示技術發展概況9.1.3 光顯示材料特性 • 光顯示材料是指把電信號轉換成可見光信號的材料。從廣義角度看，光顯示材料中也包括顯示屏支撐材料-玻璃基板。 • 光顯示材料分為發光材料和受光材料。物質發光過程有激發、能量傳輸、發光三個過程。 • 受光材料是利用電場作用下材料光學性能的變化實現顯示的。例如，改變入射光的偏振狀態、選擇性光吸收、改變光散射態、產生光干涉等。材料電光特性變化的陡度、響應速度、電壓、功耗等參數直接影響顯示器性能。

  8. 器件 大屏幕 全色 視角 分辯率 對比度 功耗 工作電壓 CRT LCD PDP FED FLD LED △ △◎ ◎ △ ○ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ △ ○ ◎ ○ ◎ ◎ ◎ ◎ ○ ◎ ○ ◎ ○ △ ○ ◎ ○ ○ △ △ △ ◎ △ ○ △ △ △ ◎ ○ ○ ○ ◎ 9.1 光顯示技術發展概況9.1.3 光顯示材料特性 參數 表9-1　各種光電顯示器件性能

  9. 9.2 陰極射線管(CRT)發光材料

  10. 9.2 陰極射線管(CRT)發光材料

  11. 9.2 陰極射線管(CRT)發光材料 • 陰極射線發光材料具有高發光效率和寬發射光譜。 • 這些光譜包括可見光區、紫外區和紅外區。 • CRT發光材料特性： • 發光材料:陰極射線發光的能量效率表示為整個發光過程各階段過程效率的乘積，即 (9-1) • 式中: 是散射因子；hv是發射光子的平均能量；E是形成電子-電洞對的平均能量；S是由熱電子-電洞對到發光中心的能量轉換的量子效率；Q式發光中心內部輻射躍遷的量子效率。 • 設定 S•Q=1。若和E已知，就可得的值。E 值與材料禁度帶寬度有關，一般取禁帶寬度Eg的2~3倍。只要取決於組成發光粉元素的原子量和材料結晶狀態。因此，值與顆粒幾何因子有關。尤其對高分辨率顯示，發光粉顆粒尺寸要小於5m。

  12. 9.2 陰極射線管(CRT)發光材料 • 發光粉表面電荷負載：當激發電壓降至”死電壓”以下，發光消失。”死電壓”一般為1~2 kV。在低電壓下發光效率降低，主要原因是表面形成非發光層(也稱”死層”)和產生空間電荷。 • 在高電流密度激發下，發光層表面容易變粗糙，形成無輻射中心，降低發光效率。 • 敏化劑:對發光材料來說，某種雜質有助於激活劑引起的發光，使發光亮度增加，這類雜質叫敏化劑。敏化劑與共激活劑的作用效果一樣，但兩者的作用原理不一樣。如上轉換材料YF3:Yb、Er中Yb是敏化劑，Er是激活劑，通過YF3吸收激發能，把能量傳給Er3+發光。

  13. 9.2.1 CRT發光材料原料性質 • 惰性雜質:惰性雜質是指對發光性能影響較小、對發光亮度和顏色不起直接作用的雜質，如鹼金屬、鹼土金屬。 • 色彩是紅、綠、藍三基色混合得到的。這三種基色在CIE(國際照明委員會)色坐標圖中構成一個三角形，如圖9-2所示。紅、綠、藍三點越接近曲線邊緣，顏色越純，即顏色越正，色飽和度越好。 • 三基色材料的色坐標必須適合PAL制的要求；每一單色螢光粉的發光效率要高。當激發紅、綠、藍三基色發光粉的三束電流比在顯示白場時，要接近1:1:1。典型CRT發光粉特性如表9-2所示。

  14. 9.2.1 CRT發光材料原料性質 圖9-2CIE-xy色度圖

  15. 組　　　分 發光色 主波長 (nm) 流明效率 (lm/W) 餘輝時間* 用　　　途 藍 黃綠 紅 白 綠 黃綠 紅 綠 紅 450 530 626 450 560 525 544 626 525 636 21 17，23 13 – 8 – 8．7 – 6．7 S S M S M M M L L 彩色CRT 彩色CRT 彩色CRT 黑白CRT 示波管，雷達，投影管 投影管 投影管 微機CRT 微機CRT ZnS:Ag ZnS:Cu,Al Y2O2S:Eu3+ ZnS:Ag (Zn,Cd)S:Cu,Al Zn2SiO4:Mn2+ Y3(Al, Ga)5O12:Tb3+ Y2O3:Eu3+ Zn2SiO4:Mn2+As γ-Zn3(PO4)2:Mn2+ 9.2.1 CRT發光材料原料性質 表9-2CRT典型發光粉特性

  16. 9.2.2 CRT發光材料的製備 • CRT發光材料的製備製程可分為原料的製備、提純、配料、灼燒、包膜處理等幾個步驟。 • 現以Y2O3 : Eu 作為代表介紹製備製程。按分子(Y0.96Eu0.04)2O3配好料，與適當的助熔劑(如NH4Cl、Li2SiO3等)混磨均勻，裝入石英坩鍋或氧化鋁鍋中，在1,340 oC下灼燒1 h~2 h，高溫出爐，冷至室溫，在253.7 nm紫外光激發下選粉，用去離子水洗至中性，然後進行包膜處裡。 • 包膜處禮方法是: 將粉放入矽酸鉀和硫酸鋁溶液中，混合攪拌幾分鐘後，靜置澄清，倒去沉澱，水洗2~3次，再加GeO2的飽和溶液充分攪拌(不水洗)。K2O˙xSiO2中x=1.5左右。反應式如下: • 沉澱在Y2O3 : Eu顆粒表面上，GeO2的作用是防止Y2O3 : Eu在感光膠中水解。

  17. 9.3 場發射顯示材料

  18. 9.3 場發射顯示材料9.3.1 發光材料 • 在CRT、FED、VFD(真空螢光顯示，Vacuum Fluorescence Display)三種顯示中均使用電子束激發的發光材料，但加速電子束的電壓不同。 • CRT加速電壓為15 KV~30 KV，FED為300 V~8 KV，VED為20 V~100 V。 • CRT採用逐點掃描方式，尋址時間短，約為奈秒量級，而FED採用矩陣式逐行掃描方式，尋址時間為幾十微秒。FED的電流大並長時間尋址，使發光粉庫倫負載很大，FED粉容易發光飽和並老化。 • 氧化物FED發光材料優於硫化物材料。在高電流密度激發下，ZnS基質材料表面粗糙，易老化。另一方面，為防止表面電荷的積累，必須考慮發光粉表面導電性。氧化物材料表面導電性好，因為氧化物材料具有高濃度的氧空位和晶格間陽離子。 • 圖9-3為ZnGa2O4和ZnO:Zn的熱釋放光強度曲線。圖9-3表明，ZnGa2O4具有高濃度和寬深度範圍的陷阱，是氧空位引起的。

  19. 9.3 場發射顯示材料9.3.1 發光材料 圖9-3ZnO:Zn和ZnGa2O4熱釋發光

  20. 9.3.2 冷陰極材料 • CRT和FED的主要區別在於陰極結構和材料。前者採用熱陰極；後者採用平面陣列的微尖冷陰極，微尖密度為106微尖/cm2~109微尖/cm2(每像元對應1,000多個微尖)，平均電流密度可達103 A/cm2。在室溫下，可利用微尖形成強電場並發射電子。 • 因此，要求微尖材料 • 功函數低、 • 穩定性好、 • 熱導率高、 • 擊穿電壓高等。

  21. 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.1 氣體材料 • PDP氣體材料有He、Ne、Ar、Kr、Xe以及Hg蒸氣等。AC-PDP用Ne氣，DC-PDP用Ne、Ar、Hg混合氣體。彩色PDP用He : Xe (2%)或Ar : Hg混合混合氣體。 • 前者Xe輻射147nm紫外光，後者Hg輻射253.7nm紫外光。 • 這些紫外光激發紅、綠、藍三基色螢光粉。Ne氣體放電輻射橙色光，因此其顯示是單色的。在單色PDP中摻入Ar氣或Hg，可降低工作電壓。 • Ne : Ar是混合氣放電電壓降低，其氣體放電工作原理用圖9-4氣體能級表示。Ne原子亞穩激發能級略高於Ar離化能。所以，氣體放電時，Ar原子容易電離。電離反應式為 • 式中: Ne*表示亞穩激發態；e- 表示電子。這種混合氣體稱為 Penning氣體。

  22. 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.1 氣體材料

  23. 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.1 氣體材料 圖9-4　惰性氣體能級圖

  24. 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.2 三基色螢光粉

  25. 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.2 三基色螢光粉

  26. 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.2 三基色螢光粉

  27. 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.2 三基色螢光粉 • PDP使用的螢光粉應滿足有關條件如： • (1)在真空紫外區高效發光； • (2)在同一放電電流時，通過三基色螢光粉發光混合獲得白色光； • (3)三基色螢光粉具有鮮明的色彩度； • (4)在真空紫外光和離子轟擊下穩定性好； • (5)塗粉和熱處理製程具有穩定性； • (6)餘輝時間短。 • PDP三基色螢光粉應具有遠紫外光且發光效率高，同時要求在紫外光輻射和氣體放出離子條件下穩定性好。表9-3中列出三基色氧化物螢光粉的組成、色彩和相對亮度。 • 電視顯示要求餘輝短的螢光粉，例如:紅色用Y2O3:Eu3+，綠色用BaAl12O19:Mn2+，藍色用BaMgAl14O23:Eu2+。 • 如表9-4所示。PDP螢光粉燒結製作製程與CRT螢光粉和EL發光粉相似。

  28. 發光顏色 相對亮度(%) BaMgAl14O23:Eu2+ (Ca、Sr、Ba)10(PO4)6Cl2:Eu2+ Y2SiO5:Ce3+ Zn2SiO4:Mn2+ BaO  6Al2O3:Mn2+ Y2SiO5:Tb3+ LaPO4:Ce3+、Tb3+ (Y、Gd)BO3:Eu3+ Y2O3:Eu3+ YVO4:Eu3+ 藍色 藍色 藍色 綠色 綠色 綠色 綠色 紅色 紅色 紅色 23 18 19 100 83 81 78 35 32 22 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.2 三基色螢光粉 表9-3PDP三基色螢光粉 發光材料

  29. 相對量子效率 (147nm) 相對量子效率 (170nm) 餘輝時間 (ms) (La0.87Tb0.13)PO4 (La0.6Ce0.27Tb0.13)PO4 (Gd0.87Ce0.1Tb0.03)PO4 (Y0.6Ce0.27Tb0.13)PO4 (Gd0.6Ce0.27Tb0.13)PO4 1.1 1.1 1.0 1.35 1.35 1.4 1.5 1.1 1.35 1.45 13 12 10 – – 螢　光　粉 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.2 三基色螢光粉 表9-4PDP綠色螢光粉

  30. 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.3 基板材料 • PDP是由兩塊玻璃基板夾著惰性氣體和三色基螢光粉構成的。PDP屏幕尺寸大，製程過程中玻璃基板要經過一系列的厚膜印刷和高溫燒結，因此對玻璃基板要求高。通常燒結溫度在450oC~600oC之間，封接溫度為380oC~400oC，排氣最高溫度為350oC。 • 表9-5數據表明，PD200玻璃在熱膨脹係數、應變點、退火點、軟化點方面均優於鈉鈣玻璃。 • 由表9-6可見，CS25應變點高，改善了熱性能，並具有足夠大的楊氏弱性模量，使3 mm厚玻璃板滿足製程過程的機械強度要求。

  31. PD200 鈉鈣玻璃 熱膨脹係數(1/K) 應變點(℃) 退火點(℃) 軟化點(℃) 密度(g/m3) 8310–7 570 620 830 2.77 8510–7 511 554 735 2.49 表9-5PD200和鈉鈣玻璃性能比較 性能參數 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.3 基板材料

  32. CD25 標準鹼性玻璃 應變點(℃) 退火點(℃) 軟化點(℃) 熱膨脹係數 (50℃～30℃,10–7/K) 楊氏彈性模量(9.8103Pa) 密度(g/cm3) 體電阻對數值( cm) 610 654 848 84 8.28 2.88 10.5 506 545 726 85 7.04 2.49 6.65 特　性　參　數 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.3 基板材料 表9-6CS25和標準鹼性玻璃特性

  33. 9.5 電致發光材料 • 發光材料在電場作用下的發光材料稱為電致發光(Electroluminescence，EL)。 • 電致發光有高電場發光(又稱本徵發光)和低電場結型發光(也稱注入型發光)。 • 前者發光材料是粉末或薄膜材料，後者是晶體材料。 • 電致發光是指高電場發光。低電場結型發光器件是發光二極體(Light Emitting Diode，簡稱LED)。

  34. 9.5 電致發光材料

  35. 9.5 電致發光材料9.5.1 無機電致發光材料 • 一、粉末發光材料 • ZnS是粉末電致發光材料最佳基質材料。這種材料對ZnS純度要求高，特別是Fe、Co、Ni等重金屬雜質含量要求低於0.1×10-6~ 0.3×10-6，同時要求結晶狀態好，有較好的分散性和流動性。 • 製備ZnS有硫化氫法、均相沉澱法、氣相合成法等。氣相合成法製備的ZnS純度高、結晶狀態好，缺點是成本高。 • 在粉末ZnS材料中，發光特性是由一些特殊雜質(激活劑和共激活劑)所決定。交流電場下，Cu是激活劑，Al3+、Ca3+、In3+、稀土元素和Cl、Br、I是共激活劑。 • 發光特性與這些激活劑和共激活劑的元素、濃度、燒結條件等有關。

  36. 9.5 電致發光材料9.5.1 無機電致發光材料 發光材料 發光顏色 mas (nm) 尺寸小於10m顆粒所占比例(%) 亮度 (cd/m2) 擊穿電壓 (V) ZnS:Cu ZnS:Cu、Al ZnS:Cu、Mn (Zn、Cd)(S、Se):Cu ZnS:Cu 淺藍色 綠色 黃色 橙紅色 藍色 455 510 580 650 455 >60 >55 >50 >75 >65 19.9 59.7 19.9 19.9 19.9 350 350 350 350 350 • 表9-7列出粉末發光材料的基本特性和亮度特性。表9-7表明，ZnS材料是主要基質材料，覆蓋可見光區，發光效率較高，為14 lm/V，但亮度、效率、壽命、顏色方面還不足。 表9-7　粉末電致發光材料特性

  37. 9.5 電致發光材料9.5.1 無機電致發光材料 • 圖9-5表示粉末EL材料發光光譜。可見ZnS基質發光粉光譜能覆蓋可見光波段。 圖9-5　粉末交流電致發光光譜

  38. 9.5 電致發光材料9.5.1 無機電致發光材料 • 圖9-6所示。Cu雜質主要起兩種作用:一是Cu取代Zn成受主，組成發光中心；二是Cu析出在線缺陷上，形成導電性發光線。 圖9-6ZnS:Cu,Cl粉末交流電致發光的形貌

  39. 9.5 電致發光材料9.5.1 無機電致發光材料 • 二、薄膜發光材料： • 將發光體制成薄膜後，在電場作用下發光，稱為薄膜電致發光(Film Electroluminescence，稱為FEL)。 • 薄膜電致發光器件由襯底玻璃板、ITO電極、絕緣層、發光層、絕緣層和背金屬電極組成。 • 發光材料要求覆蓋整個可見光範圍，禁帶寬度大於3.5 eV。寬禁帶II – VI族化合物半導體，例如ZnS、CaS、SrS、Zn2SiO4和ZnGa2O4等。 • 表9-8列出FEL基質材料的物理性質。表9-8所列出的禁帶寬度在3.83eV以上，在可見光區透明。在這些基質材料中參入過渡金屬(Mn)或稀土元素(Eu、Tb、Ce)而得到發光中心。

  40. 晶體結構 ZnS 閃鋅礦 CaS 石鹽 SrS 石鹽 CaGa2S4 正交晶系 SrGa2S4 正交晶系 ZnGa2O4 尖晶石 Zn2SiO4 鈹石矽 晶格常數 (nm) 離子性 Eg(eV) 介電常數 0.540 9 0.623 3.83 8.32 0.569 7 ≥0.785 4.41 7.30 0.601 9 4.30 9.40 a=2.009 b=2.009 c=1.211 – 4.20 15.0 a=2.084 b=2.049 c=1.221 – 4.40 1.40 8.37 – 4.40 – – 5.40 – 9.5 電致發光材料9.5.1 無機電致發光材料 • 表9-8列出EL基質材料的物理性質。表9-8所列出的禁帶寬度在3.83eV以上，在可見光區透明。在這些基質材料中參入過渡金屬(Mn)或稀土元素(Eu、Tb、Ce)而得到發光中心。 表9-8EL基質材料性能

  41. 發光材料 發光顏色 CIE x CIE Y 亮度(cd/m2) 60 Hz 光流明效率 (lm/W) ZnS:Mn2+ CaS:Eu2+ ZnS:Mn （加濾光片） ZnS:Tb SrS:Ce SrGa2S4:Ce ZnS:Mn SrS:Ce 黃色 紅色 紅色 綠色 藍色 藍色 藍色 白色 0.5 0.68 0.65 0.30 0.30 0.15 0.15 0.44 0.50 0.31 0.35 0.60 0.50 0.10 0.19 0.48 300 12 65 100 100 5 10 470 3～6 0.2 0.8 0.6～1.3 0.8～1.6 0.2 0.3 1.5 9.5 電致發光材料9.5.1 無機電致發光材料 • ZnS : Mn2+是典型的薄膜電致發光材料。ZnS 晶格是由 Zn 和 S 原子組成的閃鋅礦晶系。ZnS : Mn光流明效率可達到4 lm/W~5 lm/W，激發頻率為60Hz，最高亮度為300mcd/m2~500 mcd/m2 表9-9FEL材料

  42. 9.5.2 有機電致發光材料 • 近來，有機電致發光(Organic Electroluminescence，簡稱OEL)取得令人興奮的進展。在無機電致發光中發出藍色光是一個難題，但在有機材料中卻容易得到高亮度的藍色光。 • 圖9-7列出一些有機電致發光材料。 • 芳香族胺類材料是主要電洞(hole)傳輸材料，具有較高的電洞遷移率(hole mobility)，禁帶寬等特點。 • 多層結構有機電致發光器件中電洞傳輸層起電子阻擋層作用。 • 圖中TPD和NPB是典型的電洞傳輸材料。 • Alq3、BAlq3、BeQ2、DPVBi等材料是基質材料。 • 其中Alq3是最常用的材料，電子遷移率為10-5 cm2/(V.s)，電致發光響應速度小於1s，一般發光層厚度為100 nm，驅動電壓為10 V左右。

  43. 9.5.2 有機電致發光材料 Toshiba 3.5 inches Full color OLED

  44. 9.5.2 有機電致發光材料 圖9-7　有機電致發光材料

  45. 9.5.2 有機電致發光材料 藍 綠 紅 基質材料 摻雜材料 亮度(cd/m2) CIE x CIE y 驅動電壓(V) 流明效率(lm/W) Balq 芘 355 0.163 0.194 10 0.56 Alq 香豆素 1 980 0.263 0.619 8 3.9 Alq DCJT 770 0.616 0.381 9 1.3 發光顏色 • 表9-10列出Alqs(8羥基喹啉的Al配合物)三基色發光特性。表9-10說明，OEL光流明效率高，綠光色度接近CRT，但藍光和紅光色度純度低。這是由於光譜譜帶寬，需要調整摻雜濃度，改進半寬度。改進基質和摻雜劑，可提高流明效率。 表9-10Alqs發光特性

  46. 9.6 發光二極管材料 • 發光二極管(Light Emitting Diode，簡稱LED)是輻射光的半導體二極管。施加正向電壓時，通過pn結分別把n區電子注入到p區、p區電洞注入到n區，電子和電洞複合發光，把電能直接轉化成光能。 • LED是能量轉換效率較高的固體發光器件，具有小型化、高效率、長壽命、堅固可靠、低電壓(約2V)、低電流(20 mA~50 mA)等特性。

  47. 9.6.1 材料特性和發光機理 • LED是pn結本徵發光器件。要獲得各種顏色的LED、並有高效率發光，LED材料應具備三個條件: • (1)材料的導電性易控制； • (2)對發射光的透明性好； • (3)發光躍遷機率高。

  48. 9.6.1 材料特性和發光機理 • 一、材料導電性能易控制 • LED器件結構核心是pn結。要製作pn結，需要在高純度單晶材料中摻入極少量施主或受主雜質，得到n型材料或p型材料，且這些材料要有良好的導電性。GaAs、GaP等III – V族材料具有這種性能。在GaAs中雜質濃度和化學計量比偏差引起本徵缺陷濃度低於時，可得到低電阻n-GaAs或p-GaAs。容易製作pn結GaAs LED。 • 二、對發射光的透明性好 • 半導體和絕緣體材料具有吸收端。當光能量低於吸收端時，光可以透過；當光能量高於吸收端時，光被吸收，不能透過。材料的光吸收端就是該材料的禁帶寬度。一般來說本徵發光能量略微低於禁帶寬度約0.1 eV。圖9-8為III – V族化合物半導體材料的禁帶寬度和發光波長。此圖表明，可利用三元系或四元系混晶方法得到任意禁帶寬度，因而，可得到任意波長的發光。

  49. 9.6.1 材料特性和發光機理 • 圖9-8為III – V族化合物半導體材料的禁帶寬度和發光波長。此圖表明，可利用三元系或四元系混晶方法得到任意禁帶寬度，因而，可得到任意波長的發光。 圖9-8Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體禁帶寬度與晶格常數的關係

  50. 9.6.1 材料特性和發光機理 • 三、發光躍遷機率高 • LED注入發光是由p區少數載子(carrier)一電子和n區少數載子一電洞分別與p區多數載子一電洞和n區多數載子一電子相結合而發光，亦即一對電子和電洞結合輻射1個光子。 • 從能量守恆角度，電子和電洞結合前後動量要守恆，光子本身動量很少，所以要求電子和電洞動量之和接近零。滿足這種條件時，光吸收或光輻射過程的躍遷機率高。這過程稱為直接躍遷(direct transition)。 • 不滿足上述動量守恆條件時，發光前後能量差傳送到晶格，增加晶格振動能。這種發光躍遷過程稱為間接躍遷(indirect transition)。 • 兩種躍遷機率完全決定於能帶結構。

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