"Aufbau und Funktion von LEDs" Franziska Brückner und Dennis Winterstein

Transkript

1

2 2

3 3

4 4

5 5

6 6

7 Dotierung einer LED Dotierung = Einbringen von Fremdstoffen (III oder V Elemente) in den Halbleiterkristall i ll 1. Technik: Dotierung durch Diffusion Dotiermaterial diffundiert aufgrund des Konzentrationsgefälles in das Halbleitermaterial. DerHalbleiter befindet sichdazu ineiner Gasatmosphäre (Phosphin (PH 3 ) oder Diboran (B 2 H 6 )), welche die Dotieratome enthält. Der Diffusionsprozess läuft bei ca C ab, da die Atome des Halbleiters dann ausreichend in Bewegung sind um an einigen Stellen durch Fremdatome (Dotierungsatome) ersetzt werden zu können. Nach dem Abkühlen kommt der Diffusionsprozess zum Erliegen. Die Konzentration der Dotierung ist an der Halbleiteroberfläche am höchsten. Beeinflussende Faktoren: Temperatur, Dotiermaterial, Ausbreitungsmedium, Grad der Verunreinigung gdes Halbleiters "Aufbau und Funktion von LEDs" 7

8 2. Technik: Ionenimplantation Das Dotiermaterial wird in der Gasphase ionisiert, zu einem Ionenstrahl gebündelt und beschleunigt. Da die Ionen mit einer hohen kinetischen Energie auf das Halbleitermaterial treffen, werden die Halbleiteratome aus ihren Gitterplätzen verdrängt und durch Dotieratome ersetzt. Die Konzentration der Dotieratome ist kurz unterhalb der Oberfläche maximal. Der Ionenstrahl muss unter einem Winkel 90 auf den Halbleiter treffen => hierdurch wird zu tiefes Eindringen der Ionen verhindert. Die Konzentration der Dotierung lässt sich sehr genau einstellen. Das Verfahren wird bei RT angewandt, allerdings ist eine Hochtemperaturbehandlung notwendig, dadurch werden Kristallschäden behoben und Dotierstoffe regulär in die Kristallstruktur eingebaut => Aktivierung der Dotieratome. "Aufbau und Funktion von LEDs" 8

9 Farben Infrarot Rot Orange Gelb Grün Blau Violett Ultraviolett Galliumarsenid (GaAs) Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) Werkstoffe Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs), Galliumarsenidphosphid (GaAsP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP), Galliumphosphid (Gaps) Galliumarsenidphosphid h d (GaAsP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Galliumphosphid (GaP) Galliumarsenidphosphid p (GaAsP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Galliumphosphid (GaP) Indiumgalliumnitrid (InGaN) / Galliumnitrid (GaN) Galliumphosphid (GaP), Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Zinkoxid (ZnO) (als günstige Alternative in der Entwicklung) Zinkselenid (ZnSe), Indiumgalliumnitrid (InGaN) Siliziumkarbid (SiC), Silizium (Si) (als Träger in der Entwicklung) Zinkoxid (ZnO) (als günstige Alternative in der Entwicklung) Indiumgalliumnitrid (InGaN) Diamant (C), Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN), Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN) "Aufbau und Funktion von LEDs" 9

10 10

11 11

12 12

13 Eigenschaften der für LEDs geeigneten Leuchtstoffe Der Leuchtstoff muss genau die Wellenlänge absorbieren, die die LED emittiert Quantenausbeute > 90% (N absorbierten Photonen / N Fluoreszensereignisse ) Reaktionsträge mit O 2, CO 2 und H 2 O Beständigkeitbei hohen Anregungsdichten ( W/cm²) Nitridische Leuchtstoffe (z.b. Ca 2 Si 5 N 8 ) erfüllen die geforderten Eigenschaften weitestgehend. "Aufbau und Funktion von LEDs" 13

14 14

15 Vorteile: Nachteile: Geringer Stromverbrauch Unempfindlich gegenüber Erschütterungen Effizient in der Signaltechnik, da monochromatisches Licht Lange Lebensdauer (bis zu h) Verlustleistung gering, da kaum Energie in Form von Wärme abgegeben wird Höhere Lichtausbeute bei gleicher Leistung im Vgl. mit der Glühlampe Ausreichende Kühlung notwendig, um bei hoher Umgebungstemperatur keinen Lichtstärkenverlust zu haben Unausgewogenes g Farbspektrum (Raumbeleuchtung) Nur einige 1000h bei 5W LEDs Hohe Anschaffungskosten für Wohnraumbeleuchtung Negative Energiebilanz: Produktion > Lebensdauer ca. 1 Mio. Schaltzyklen Ohne Farbänderung und Wirkungsgradverlust dimmbar "Aufbau und Funktion von LEDs" 15

16 16

17 muenster.de/fb1/downloads/personal/juestel/juestel/ 7_InkohaerenteLichtquellen Leuchtstoffe.pdf muenster.de/fb1/downloads/personal/juestel/juestel/ htt // fh t d /fb1/d l d/ l/j t l/j t l/ 9 InkohaerenteLichtquellen Anorganische_LEDs.pdf "Aufbau und Funktion von LEDs" 17