Солнечные преобразователи на основе органических полупроводников
Общая характеристика группы органических полупроводников. Электропроводность органических полупроводников. Свойства, лежащие в основе функционирования OLED дисплеев. Основные направления оптоэлектроники, использующих органические полупроводники.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 01.10.2017 |
| Размер файла | 64,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Физика полупроводников»
на тему: «Солнечные преобразователи на основе органических полупроводников»
Студента 2-го курса МН-15-1 группы направления подготовки 6.050801.
специальность Микро- и наноэлектроника
Котляр Л.В.
Руководитель Бабиченко О. Ю.
Харьков 2016
Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра Микроэлектроника, электронные приборы и устройства
Дисциплина: Физика полупроводников
Направление: Электронная техника Курс 2-й Группа МН-15-1 Семестр 3-й
ЗАДАНИЕ
на курсовую работу
Котляр Лолита Витальевна
1.Тема работы: Солнечные преобразователи на основе органических полупроводников.
2. Строк сдачи законченной работы «5» декабря 2016 г.
3. Дата выдачи задания: «_5_»_октября_ 2016 р.
Студент ______________
(подпись)
Руководитель_____________ ____________________
(подпись) (фамилия, инициалы)
«___» ____________ 20____
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка: 28 с.; 5 источников.
Объект исследования - органические полупроводники.
Цель работы - исследовать возможности использования и создания приборов отображения информации и тонкопленочных солнечных элементов на гибких носителях органических полупроводников.
Метод исследований - теоретический анализ.
В первом разделе рассмотрено основное понятия органических полупроводников, их направления и история.
Далее рассмотрена практическое применение органических полупроводников на гибких носителях.
Третий раздел содержит информацию про основные направления и перспективы развития оптоэлектроники.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ
1.1 Общая характеристика группы органических полупроводников
1.2 Электропроводность органических полупроводников
2. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
3. НАПРАВЛЕНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ
ВЫВОДЫ
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводники органические , твёрдые органические вещества, которые имеют электронную или дырочную проводимости. Полупроводники органические характеризуются наличием в молекулах системы сопряжения. Носители тока в полупроводниках органических образуются в результате возбуждения p-электронов, делокализованных по системе сопряжённых связей. Энергия активации, необходимая для образования носителей тока в полупроводниках органических, снижается по мере увеличения числа сопряжений в молекуле и в полимерах может быть порядка тепловой энергии.
К полупроводникам органическим относятся органические красители, ароматические соединения, полимеры с сопряжёнными связями, некоторые природные пигменты, молекулярные комплексы с переносом заряда, а также ион-радикальные соли. Полупроводники органические существуют в виде монокристаллов, поликристаллических или аморфных порошков и плёнок. Наиболее проводящими полупроводниками органическими являются ион-радикальные соли, на основе анион-радикала тетрацианхинодиметана. Они обнаруживают электропроводность металлического характера. У полупроводников органических с низкой электропроводностью наблюдается явление фотопроводимости.
1. Органические полупроводники
1.1 Общая характеристика группы органических полупроводников
Органические полупроводники обладают особенностями, которые определяются молекулярным характером их структуры и слабым межмолекулярным взаимодействием:
1) поглощение света вызывает возбуждение молекул, которое может мигрировать по кристаллу в виде экситонов;
2) образование носителей тока под действием света связано с распадом экситонов на поверхности кристалла, дефектах его структуры, примесях, при взаимодействии экситонов друг с другом, а также с автоионизацией высоковозбуждённых молекул;
3) зоны проводимости узки, подвижность носителей тока, как правило, мала;
4) наряду с зонным механизмом электропроводности осуществляется прыжковый механизм.
В кристаллах ион-радикальных солей межмолекулярное взаимодействие сильно анизотропно, что приводит к высокой анизотропии оптических и электрических свойств и позволяет рассматривать этот класс полупроводники органические как квазиодномерные системы.
Полупроводники органические находят применение в качестве светочувствительных материалов, в микроэлектронике, для изготовления различного рода датчиков. Исследование полупроводников органических важно для понимания процессов преобразования и переноса энергии в сложных физико-химических системах и в особенности в биологических тканях. С полупроводниками органическими, в частности с ион-радикальными солями, связана перспектива создания сверхпроводников с высокой критической температурой.
1.2 Электропроводность органических полупроводников
Изучение неорганических и органических полупроводников показало, что в них возникают следующие виды зарядоносителей:
а) атомы, которые, потеряв свой электрон с внешней оболочки, становятся положительно заряженными частицами и участвуют в переносе положительных зарядов;
б) освобожденные при этом изменении электроны, которые становятся носителями зарядов;
в) ионизированные атомы-акцепторы, т.е. атомы, захватившие у соседнего атома электрон; они тоже являются отрицательно заряженными частицами и участвуют в переносе отрицательных частиц;
г) дырки, образовавшиеся при захвате у атома валентных электронов; они начинают притягивать электроны от соседнего атома и становятся своеобразными носителями положительного электричества.
Значительно больше видов движения зарядоносителей у органических полупроводников. Здесь их перемещение представляет собой совмещение сложных явлений, одно из которых обусловлено «блуждающими» по молекуле электронами. Так как молекулы различны, то и связи их с электроном различны. Электрическое поле, в которое помещен полупроводник, вызывает направленное движение носителей, обусловливающее протекание тока в полупроводнике. Основным для круга вопросов, связанных с прохождением электрического тока в полупроводнике, является понятие подвижности носителей m, определяемое, как отношение средней скорости направленного их движения, вызванного электрическим полем , к напряжённости этого поля. Подвижности разных типов носителей в одном и том же полупроводнике различны, а в анизотропных полупроводниках различны и подвижности каждого типа носителей для разных направлений поля. Дрейфовая скорость, возникающая в электрическом поле, добавляется к скорости теплового хаотического движения, не дающего вклада в ток. Тот факт, что при заданном поле носитель имеет постоянную дрейфовую скорость, а не ускоряется неограниченно, связан с наличием процессов торможения -- рассеяния. В идеальном кристалле даже в отсутствие поля каждый носитель имел бы определённую и неизменную как по величине, так и по направлению скорость. Однако реальный кристалл содержит примеси и различные дефекты структуры, сталкиваясь с которыми носитель каждый раз меняет направление скорости -- рассеивается, так что движение его становится хаотическим. Под действием поля носитель эффективно ускоряется только до момента очередного столкновения, а затем, рассеиваясь, теряет направленность своего движения и энергию, после чего ускорение в направлении поля начинается заново до следующего столкновения. Таким образом, средняя скорость его направленного движения набирается только за интервал времени между двумя последовательными столкновениями (время свободного пробега). Процессы рассеяния носителей тока разнообразны. Наиболее общим для всех веществ является рассеяние на колебаниях кристаллической решётки, которые вызывают смещения атомов кристалла из их положений равновесия в решётке и тем самым также нарушают её упорядоченность. Испуская или поглощая фононы, носитель изменяет свой квазиимпульс, а, следовательно, и скорость, т. е. рассеивается. Средняя частота столкновений зависит как от природы кристалла, интенсивности и характера его колебаний и содержания в нём примесей и дефектов, так и от энергии носителей. Поэтому m зависит от температуры. При температурах T ~ 300 К определяющим, как правило, является рассеяние на фононах. Однако с понижением температуры вероятность этого процесса падает, т.к. уменьшается интенсивность тепловых колебаний решётки, а, кроме того, малая тепловая энергия самих носителей позволяет им испускать не любые возможные в данном кристалле фононы, а лишь небольшую часть из них, имеющих достаточно малые энергии. В таких условиях для не очень чистых кристаллов преобладающим становится рассеяние на заряженных примесях или дефектах, вероятность которого, наоборот, растет с понижением энергии носителей. Представления о свободном движении носителей, лишь изредка прерываемом актами рассеяния, применимы, однако, лишь к полупроводникам с не слишком малым m. Для меньшей подвижности становится меньше размеров элементарной ячейки кристалла и теряет смысл, т.к. само понятие «свободного» движения носителей в кристалле связано с переходом их из одной ячейки в другую. Столь малые значения m характерны для многих химических соединений переходных и редкоземельных металлов с элементами VI группы периодической системы элементов и для большинства полупроводников органических. Причиной является, по-видимому, сильное взаимодействие носителей с локальными деформациями кристаллической решётки, проявляющееся в том, что носитель, локализованный в какой-либо элементарной ячейке, сильно взаимодействуя с образующими её и соседние ячейки атомами, смещает их из тех положений, которые они занимают, когда носителя нет. Энергия носителя в такой деформированной ячейке (поляроне) оказывается ниже, чем в соседних недеформированных, и переход его в соседнюю ячейку требует затраты энергии, которую он может получить от какой-либо тепловой флуктуации. После перехода покинутая носителем ячейка возвращается в недеформированное состояние, а деформируется та, в которую он перешёл. Поэтому следующий его переход в 3-ю ячейку снова потребует энергии активации и т. д. Такой механизм движения называется прыжковым, в отличие от рассмотренного выше зонного, связанного со свободным движением носителей в разрешенных зонах и не требующего затраты энергии на переход из ячейки в ячейку. При прыжковом механизме не имеют смысла такие представления зонной теории твёрдого тела, как квазиимпульс, эффективная масса, время и длина свободного пробега, но понятия средней скорости дрейфа под действием поля и подвижности остаются в силе.
Прыжковый механизм электропроводности характерен для многих аморфных и жидких полупроводников. Носители с энергиями в области псевдозапрещённой зоны переходят от состояния локализованного вблизи одной флуктуации к другой путём таких активированных перескоков. В полупроводниках с высокой подвижностью иногда при низких температурах также наблюдается прыжковая проводимость. Явления переноса в полупроводниках с малой подвижностью пока поняты в меньшей мере, чем для полупроводников с зонным механизмом проводимости.
Электропроводимость низкомолекулярных органических полупроводников
Важнейшие сведения о процессах, лежащих в основе электропроводности вещества, дают измерения ее температурной зависимости. Такие измерения, проведенные различными авторами на большом числе объектов, показали, что для чистых органических веществ температурная зависимость электропроводности в охваченных интервалах температур может быть описана соотношением. Так, при перескоковом механизме энергия активации будет определяться из выражения с экспонентой, при зонном механизме проводимости энергия активации входит в экспоненту. Такая зависимость установлена у большого числа органических соединений, принадлежащих самым различным классам. Были исследованы антрацен, нафталин, полициклические ароматические соединения, азо-ароматичеекие соединения, органические пигменты фталоцианины, гематин, гематопорфирин, хлорофилл, органические красители трифенилметанового, цианинового, ксантенового, акридинового и других классов, радикал б, б-дифенилпикрилгидразил, каротин, бензофенон, некоторые кислоты, фталимиды. Низкомолекулярные органические соединения являются, как правило, весьма высокоомными проводниками, и измерения электропроводности их могут быть проведены лишь при достаточно высоких температурах. В таких случаях величина проводимости при комнатной температуре определяется экстраполяцией прямых:
В то время как сам экспоненциальный характер зависимости проводимости от обратной температуры, по-видимому, не вызывает сомнений, значения энергии активации ,определяемые для одних и тех же веществ разными авторами, часто оказываются резко различными. Как показывает сопоставление таких данных, величина может зависеть от условий приготовления исследуемого образца, от его структуры, от условий предварительной его обработки, от того, исследовалась ли электропроводность в вакууме, в атмосфере газа или на воздухе.
Такой разброс значений , безусловно, связан с тем, что некоторые методы приготовления образцов и подготовки их к измерениям не обеспечивают должной их чистоты (наличие примесей, адсорбированных газов или влаги). Поэтому в целом ряде случаев удавалось наблюдать лишь примесную проводимость, несмотря на то, что для приготовления образца использовалось вещество, казалось бы, достаточно высокой степени чистоты, и условия опыта были также достаточно совершенны. Так, для натертого на кварц слоя фталоцианина меди Вартанян получил при измерениях в вакууме значение = 0,9 эв. Многочасовая тренировка слоя в вакууме при температуре 100° С сопровождалась падением электропроводности слоя и ростом энергии активации до значения 1,2 эв. Было установлено, что эти изменения обусловливались постепенной десорбцией кислорода, поскольку напускание кислорода на оттренированный слой вновь приводило к уменьшению энергии активации. То, что даже наивысшая энергия активации, полученная в этих опытах, оставалась много меньше энергии оптического перехода, соответствующей положению участка длинноволнового спада полосы поглощения, привело Вартаняна к выводу, что наблюдаемая в этих условиях проводимость была примесной. Зависимость величины проводимости и энергии активации от степени обезгаженности слоев указывала на то, что примесью служил адсорбированный на красителе кислород, который при откачке и примененной термообработке полностью не удалялся. Собственную проводимость фталоцианина меди с энергией активации 1,7 эв Вартанян и Карпович наблюдали на слоях, полученных возгонкой в условиях высокого вакуума. Этот метод не является единственным, который для фталоцианинов обеспечивает высокую чистоту образца. В работе Филдинага и Гутмена исследовались монокристаллы фталоцианина меди и также была установлена собственная проводимость (=1,64 эв). Собственную проводимость с энергией 1,79 эв удалось найти и для поликристаллических порошков фталоцианина меди, Освобождение вещества от адсорбированного кислорода достигалось в этом случае путем нагревания до 340° С. Измерения проводились в потоке азота. Все это свидетельствует о том, что если образцы органического полупроводника получаются таким методом или подвергаются такой обработке, которые обеспечивают наибольшую их чистоту, то независимо от метода получения образцов и от характера их структуры наблюдается собственная проводимость с характерной для данного вещества энергией активации.При перемещении носителей тока в процессе проводимости путь их складывается из участков движения внутри молекул и участков межмолекулярного переноса. Очевидно, что для аморфных, поликристаллических образцов и монокристаллов условия движения носителей между молекулами будут различны. Поэтому близость энергий активации для них указывает на определяющую для электропроводности роль внутримолекулярных процессов. В то же время было показано, что могут наблюдаться различия в величине проводимости у соединений, для которых р-электронные системы тождественны, но условия межмолекулярного переноса электронов различны. Фалмайер и Вольф сопоставили электропроводность обычного и хлорированного фталоцианинов меди. В последнем 15 из 16 атомов водорода замещены атомами хлора. Было найдено, что энергии активации для этих соединений весьма близки, но проводимость у хлорированного фталоцианина на порядок выше. Это свидетельствует о том, что наличие тяжелых концевых атомов обеспечивает лучшие условия для перехода носителей между молекулами, и это приводит к росту подвижности носителей. При неоднократных нагреваниях хлорированного соединения до температур 400--500°С, с которых велось измерение температурной зависимости проводимости, молекулы его постепенно теряли хлор, и прямые сохраняя наклон, приближались к прямой для исходного фталоцианина меди.
2. Практическое применение органических полупроводников
Рассмотрим один из аспектов применения органических полупроводников, а именно, технологию OLED (Organic Light Emitting Diode), уже в названии которой содержатся два кардинальных отличия от LCD технологии -- “органический” и “светоизлучающий”.
С начала 1960-х г. микроэлектроника основывается исключительно на неорганических материалах: кремнии, германии, арсенидегаллия, металлических проводниках из алюминия или меди, различных диэлектриках типа того же диоксида кремния. Тем не менее, все это время не прекращалась исследовательская работа по органическим материалам -- полимерам и олигомерам, а также гибридным органическим -- неорганическим соединениям по всему спектру параметров: проводимость, полупроводниковые качества, светоизлучение. Не говоря уже о том что органика обладает рядом интересных качеств вроде более мягких требований к температуре окружающей среды, зачастую выдающейся гибкостью и т. д., что открывает перед производителями электронных устройств ряд совершенно новых применений. В последние годы органические материалы используются даже в производстве центральных процессоров: проводящие органические соединения применяются в упаковке процессоров, для Intel -- начиная еще с OLGA (Organic Land Grid Array), и в литографии -- в качестве фоторезистивных материалов. Однако с ростом проблем, встающих сегодня перед традиционной неорганической микроэлектроникой, вероятность того, что производители начнут обращать больше внимания на органику, становится все выше и выше. Пионером в их исследовании стал Eastman Kodak -- ученые Чин Тэнг и Стив Ван Слайк еще в 1987 году издали статью “Organic electroluminescent diodes”, описывающую новый класс тонкопленочных устройств на базе органических материалов, обладающих электролюминесцентными качествами, заметно превосходящими все, что было создано в этой области ранее. Впервые предложенная Kodak схема с двумя слоями органики между электродами вместо одного и сегодня остается основным вариантом, используемым для создания OLED устройств. Все закрыто стеклом, покрытым со стороны OLED тончайшим слоем оксидa олова индия (indium tin oxid), выступающим в роли анода. Непосредственно к нему прилегает первый органический слой, порядка 750 ангстрем ароматического диамина, выступающего в роли полупроводника “р типа”, следом идет основной, светоизлучающий слой из пленки, состоящей из соединения, принадлежащего к классу fluorescent metal chelate комплексов. Например, hydroxyquinoline aluminium. В роли полупроводника n типа может выступать много органических соединений с труднопроизносимыми на основе все тех же ароматических углеводов. И, наконец, последним слоем является катод, состоящий из смеси магния с серебром с атомным соотношением 10:1. Эта система имеет толщину менее 500 нм, вместе с задней подсветкой, каковой она, помимо всего прочего, сама и является. При прохождении тока напряжением от 2, 5 В базовый слой начинает излучать фотоны, чей поток становится все более интенсивным по мере увеличения силы тока, усиливаясь практически линейно и позволяя при напряжении менее 10 В получить яркость более 1 000 Кд на квадратный метр, что минимум в два раза превышает соответствующий показатель LCD экранов.
Пик интенсивности спектра приходится на 550 нм длину волны, что соответствует зеленому цвету. Естественно, кроме явных плюсов были и минусы. Тут и долговечность, точнее, ее отсутствие -- в первоначальных опытах светимость при постоянном напряжении падала вдвое уже после 100 часов непрерывной работы, и проблемы с отдельными участками спектра -- в частности, с голубым. Тем не менее прорыв был очевиден, учитывая, что до этого для получения более менее нормальной светимости требовалось напряжение порядка 100 В. К решению оставшихся проблем присоединилось множество фирм (на сегодняшний день OLED занимаются порядка восьмидесяти компаний и университетов), и большинство из них в той или иной мере уже можно считать решенными. Новые OLED материалы представляют куда более сложные комбинации веществ, чем это было на заре их истории. Новые химические формулы базовых слоев, отдельные обогащающие добавки, отвечающие каждая за свою часть спектра -- красную, синюю, зеленую. Основные усилия разработчиков направлены в настоящий момент на улучшение характеристик органических полупроводников. Успехи более чем впечатляют: хотя в синем спектре последние перспективные OLED материалы и остаются наименее долговечными, тем не менее, даже в условиях синей светимости их срок жизни достигает 10 тысяч часов. Красный и зеленый цвета дают до 40 тысяч, универсальный белый -- 20 тысяч часов. Уже прилично, учитывая, что для тех же цифровых камер, к примеру, среднее время жизни экрана считается нормальным от 1 000 часов. К тому же в коммерческих продуктах речь, очевидно, будет идти о классической схеме, используемой в LCD, когда экран состоит из сплошных белых OLED излучателей с цветными фильтрами, отвечающими за придание цвета конкретным пикселям.
Ко всему прочему новые основные материалы значительно повышают и физические параметры OLED. В частности, повышая верхнюю планку диапазона рабочих температур более чем до 100 градусов по Цельсию, с прицелом на использование в автомобильной электронике и подобных устройствах. Как в традиционных CRT экранах, OLED экран представляет собой матрицу, состоящую из комбинаций ячеек трех основных цветов -- красного, синего, зеленого. В зависимости от того, какой цвет от него требуется, регулируется уровень напряжения на каждой из ячеек матрицы, в результате чего смешением трех получившихся оттенков и достигается требуемый результат. В своем развитии OLED экраны начали с пассивных матриц, которые прекрасно подходят, на пример, для экранов автомагнитол или дешевых сотовых телефонов. Такая матрица представляет собой простейший двухмерный массив пикселей в виде пересекающихся строк и колонок. Каждое пересечение является OLED диодом. Что бы подсветить его, управляющие сигналы подаются на соответствующие строку и колонку. Чем больше подано напряжение, тем ярче светимость пикселя. Напряжение требуется достаточно высокое, вдобавок подобная схема не позволяет создавать эффективные экраны, состоящие более чем из миллиона пикселей. Когда у первых ноутбуков курсор мыши, двигающийся по экрану, оставлял за собой длинный, угасающий след -- вот это и есть пример пассивной матрицы. Весьма схожи между собой у LCD и OLED принципы работы активной матрицы. Все тот же двухмерный массив из пересекающихся колонок и линий, но на сей раз каждое из их пересечений представляет собой не только светоизлучающий элемент, жидкокристаллическую ячейку или OLED диод, но и управляющий им транзистор. Управляющий сигнал посылается уже на него, он запоминает, какой уровень светимости от ячейки требуется, и, пока не будет дана другая команда, будет исправно поддерживать этот уровень тока. И напряжение в этом случае требуется куда ниже, и ячейка куда быстрее реагирует на изменение ситуации.
Транзисторы здесь требуются не совсем обычные -- они должны лечь еще одним ровным тонким слоем на предыдущие слои. Исходя из этой задачи появился новый класс устройств -- тонко пленочные транзисторы -- TFT. Делались они из сугубо неорганических материалов, а именно -- из того же привычного кремния. Немного другого, разумеется -- гидрогенизированного аморфного кремния, за счет своей физической структуры более медленного, чем привычный нам по чипам монокристаллический кремний.[3]
Рассмотрим более подробно свойства, лежащие в основе функционирования OLED дисплеев. Основой для создания органических материалов особой группы - так называемых проводящих электролюминесцентных полимеров служат высокомолекулярные соединения с чередующимися двойными связями в молекулах. В чистом виде они не являются проводниками заряда, поскольку электроны в них локализованы вследствие участия в образовании сильных химических связей. Для освобождения электронов применяются различные примеси, после добавления, которых и появляется возможность перемещения зарядов (электронов и дырок) вдоль молекулярной цепи.
Таким образом, в основе подобной технологии лежат свойства так называемых сопряженных полимеров. В их молекулах атомы углерода образуют между собой двойные или тройные связи. Каждый атом выбирает партнера-фаворита, чтобы отдавать ему два электрона вместо обычного одного. "Лишний" электрон делится еще с одним соседом-атомом. В результате перекрытия p-орбиталей появляются "свободные" электроны и, как следствие, становится возможным протекание электрического тока вдоль молекулярных цепей. Возникают энергетические зоны валентности и проводимости, разделенные запретной зоной. Так полимеры приобретают свойства полупроводников. Эти материалы обладают теми же свойствами, что и неорганические полупроводники, то есть, способны образовывать p-n-переход и, что особенно важно, при определенных условиях излучать свет. Это позволило создать комбинированные по принципу действия устройства - излучающие диоды. В исследованиях OLED выделилось два основных направления, одно из которых заложили ученые из Eastman-Kodak. Опубликовав еще в 1987 г. статью Organic Electroluminiscent Diodes, они описали новый класс тонкопленочных устройств на базе органических материалов с электролюминесцентными свойствами, заметно превосходящими все, что было создано в этой области ранее. Предложенная Kodak схема с двумя слоями органики между электродами вместо одного и сегодня остается одним из основных вариантов, используемых для создания OLED-устройств. При этом технологический процесс использует циклы вакуумного испарения (осаждения). В феврале 1999 г. корпорации Sanyo Electric и Eastman-Kodak образовали альянс для разработки и продвижения на рынке OLED-дисплеев. Уже через несколько месяцев они смогли показать работающий прототип полноцветного активно-матричного дисплея. Другое направление - Polymer LED (PLED) - было заложено в 1989 г., когда профессор Ричард Френд вместе с группой химиков научной лаборатории Кембриджского университета открыл светоизлучающие полимеры LEP. Вскоре выяснилось, что открытые вещества обладают рядом свойств, которые позволяют разработать на их основе семейство дисплеев нового поколения. Для изучения LEP и создания новых дисплеев была образована компания CDT. Вскоре она нашла инвесторов, и началась разработка первого дисплея, сделанного на основе LEP- или PLED-технологии.
Специалистам из CDT удалось решить ряд проблем, применив, например, специальные методики по производству упорядоченных полимеров, а также использовав новые материалы. Чтобы добиться излучения света, был спроектирован аналог неорганического диода. Он состоял из двух слоев - полифениленвинилена и циано-PPV, размещенных между полупрозрачным электродом (окислы индия и олова), который наносили на подложку стекла, с одной стороны, и металлическим контактом - с другой. Эти материалы - PPV и циано-PPV - являются не только полупроводниками, но и, кроме того, еще и самоизолирующими полимерами. Как показали ученые, CN-PPV хорошо подходит для транспортировки электронов благодаря более низкому положению дна зоны проводимости. Электрические характеристики материалов подобраны так, чтобы электроны из CN-PPV и дырки из PPV собирались вдоль границы контакта слоев, где и происходит их рекомбинация с генерацией фотонов. На сегодняшний день OLED/PLED-технологиями занимаются несколько десятков компаний и университетов. Новые материалы представляют собой куда более сложные комбинации веществ, чем было возможно на заре этих технологий: новые химические формулы базовых слоев, отдельные обогащающие добавки, отвечающие каждая за свою часть спектра - красную, синюю и зеленую. Ведь как и в традиционных ЭЛТ-дисплеях, OLED-экран представляет собой матрицу, состоящую из комбинаций ячеек трех основных цветов - красного, синего, зеленого. В зависимости от того, какой цвет требуется получить, регулируется уровень напряжения на каждой ячейке матрицы, в результате чего смешением трех образовавшихся оттенков и получается искомый результат. Итак, структура OLED-ячейки многослойна. Сверху OLED-панели располагается металлический катод, снизу - прозрачный анод. Между ними находится несколько органических слоев, собственно и составляющих светодиод. Один слой является источником дырок, второй - полупроводниковым каналом, третий слой транспортирует электроны и, наконец, в четвертом слое происходит замещение дырок электронами, которое в светоизлучающих полимерах сопровождается световым излучением. Как и ЖК, OLED-дисплеи бывают активными и пассивными. Последний тип дисплея представляет собой простейший двухмерный массив пикселов в виде пересекающихся строк и колонок. Каждое такое пересечение является OLED-диодом. Чтобы заставить его излучать свет, управляющие сигналы подаются на соответствующую строку и колонку. Чем большее подано напряжение, тем ярче будет светимость пиксела. Напряжение требуется довольно высокое, вдобавок подобная схема, как правило, не позволяет создавать большие экраны, состоящие более чем из миллиона пикселов.
Что касается активной матрицы, то это все тот же двухмерный массив из пересекающихся колонок и линий, но на сей раз каждое из их пересечений представляет собой не только светоизлучающий элемент, но и управляющий им тонкопленочный транзистор. Управляющий сигнал посылается уже на него, а он, в свою очередь, "запоминает", какой уровень светимости от ячейки требуется, и пока не получит другую команду, будет исправно поддерживать этот уровень тока. И напряжение в таком случае требуется куда ниже, и ячейка куда быстрее реагирует на изменение ситуации. Обычно здесь используются тонкопленочные полевые транзисторы - TFT (Thin Film Transistor) на базе поликристального кремния. Благодаря партнерству CDT с корпорацией Seiko-Epson произошло, пожалуй, важнейшее событие в истории развития пластиковых дисплеев. Японцы предложили с помощью модифицированной струйной технологии "печатать" пикселы экрана прямо на управляющих схемах из TFT-транзисторов. Дело в том, что использование пассивно-матричных управляющих схем в сочетании с относительно невысокой скоростью работы полимерных "диодов" приводит к неудовлетворительной инерционности экрана. А достоинства активно-матричной технологии были недостижимы из-за неприменимости фотолитографии к тончайшим полимерным пленкам. Есть все основания полагать, что под боком у ЖК-технологии развивается очень серьезный конкурент. Действительно, технология OLED часто рассматривается экспертами как потенциальная замена не только для ЖК-мониторов, но и плазменных панелей. Дело в том, что OLED-дисплеи имеют целый ряд существенных преимуществ. Они потребляют меньше энергии, не требуют дополнительной подсветки и при этом обеспечивают повышенную яркость, высокую контрастность и частоту регенерации изображения, видимого к тому же под большими углами обзора. Кроме того, OLED-устройства, согласно утверждениям сторонников этой технологии, имеют меньшее время отклика и поэтому лучше приспособлены для быстроменяющегося изображения. Немаловажным фактором роста популярности OLED-дисплеев может стать и себестоимость массового производства, которая базируется на тонкопленочных и стандартных литографических технологиях. Дело в том, что такая комбинация может обеспечить низкие затраты и высокую надежность всего производственного процесса. Некоторые эксперты полагают, что при условии массового производства стоимость OLED-экранов будет ощутимо ниже, чем у ЖК-панелей. Немаловажной деталью является также тот факт, что такие мониторы работают при напряжении питания в несколько вольт, имеют очень малую массу и толщину. Все это должно сделать технологию привлекательной для производителей электроники и плоскопанельных экранов. Однако до недавнего времени утверждалось, что уровень развития самой технологии еще не позволяет запустить массовое коммерческое производство. Исключения составляют уже устанавливаемые малые экраны в некоторых моделях сотовых телефонов, цифровых камер и ручных компьютеров. Из недостатков новой технологии стоит отметить относительно низкое "время жизни" излучающих полимеров. Самые большие проблемы возникли с материалами, излучающими синий свет. Сначала они могли работать вообще не дольше тысячи часов, что было явно неприемлемо для практического применения. Достигнутые успехи на сегодняшний день не могут не впечатлять. Хотя в синем спектре перспективные OLED-материалы по-прежнему остаются наименее долговечными, срок их жизни составляет уже около 10 тыс. часов. А осенью прошлого года компании CDT удалось получить OLED-материал с синим свечением, время жизни которого составило 40 тыс. часов.
3. Направления оптоэлектроники, использующих органических полупроводников
Другая важная особенность органических полупроводников, отличающая их от большинства органических веществ,-- это фотопроводимость, т.е. возрастание электропроводности при освещении объекта, фототок i растет с увеличением интенсивности L, освещения по закону:
где n может иметь значение от 1 до 0,5. В полях с напряжением менее нескольких киловольт на 1 см фототок i изменяется по закону Ома. Носителями фототока, как и в случае темновой проводимости, могут быть и электроны и дырки. Однако при проведении опыта в вакууме, тщательной очистке или уплотнении структуры слоя вещества знак носителей может изменяться с положительного на отрицательный. Это означает, что дырочный тип проводимости часто обусловлен присутствием адсорбированного кислорода -- сильного акцептора электронов, изменяющего соотношение электронов и дырок в пользу последних. В большинстве изученных веществ дырки, по-видимому, подвижнее электронов. Как правило, знак носителей фототока совпадает со знаком темновых носителей. Органические полупроводники обнаруживают фотоэлектрическую чувствительность в широком диапазоне частот спектра. Изучение спектральной зависимости фотопроводимости показало, что в очень тонких слоях или в монокристалле максимальные значения фототока совпадают с максимумами в спектрах поглощения. Однако для обычных поликристаллических объектов в области максимума поглощения наблюдается минимум фототока. Это объясняют тем, что интенсивное образование носителей фототока, происходящее под действием поглощаемого света в объеме вещества, может не вызвать возрастания фототока из-за еще более интенсивной рекомбинации (исчезновения) этих постелей, протекающей при освещении на поверхности. Температурная зависимость фотопроводимости, так же как темповой, соответствует экспоненциальному закону:
Однако величина термической энергии активации фотопроводимости составляет всего несколько десятых электрон-вольта и имеет тенденцию к росту по мере увеличения размеров молекулы. Другое объяснение малых значений термической энергии активации фотопроводимости заключается в том, что определяется той небольшой дополнительной энергией, которая необходима для переброса носителей в зону проводимости с уровней ловушек, расположенных в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. А заброс носителей на эти уровни происходит в результате освещения вещества. Многие полимеры с сопряженными связями обнаруживают фотоэлектрический эффект-- рост проводимости при освещении. По своему характеру наблюдаемые при этом закономерности в общем аналогичны тем явлениям, которые хорошо изучены для соединений других классов органических полупроводников. Для большинства полимеров выявлена электронная природа фотопроводимости. Наряду с этим обнаружены некоторые аномалии, например тушение фотопроводимости кислородом в дырочных фотопроводниках и поляризационные явления. К сожалению, значительные фотоэффекты наблюдаются лишь у немногих полимеров, содержащих в цепи сопряжения тройные связи. Большой интерес вызывает обнаруженное для некоторых полимеров явление фотосенсибилизации, т.е. усиление фотоэффектов (Фото-эдс и фотопроводимости) при введении в полимер красителей. Это явление аналогично хорошо известному фотосенсибилизирующему действию красителей на неорганические полупроводники. Другие характерные особенности электрического поведения полупроводниковых полимеров рассмотрены в связи с механизмами проводимости. Здесь же следует указать еще на так называемый компенсационный эффект, установленный для ряда полимеров, низкомолекулярных сопряженных систем, комплексов с переносом заряда и даже диэлектриков. Заключается он в том, что между параметрами уравнения Аррениуса для электропроводности существует определенная зависимость, благодаря которой в какой-то группе веществ значения электропроводности могут мало отличаться друг от друга, так как различия в энергии активации еТ будут компенсироваться соответствующей разницей в величине предэкспоненциального множителя А согласно линейному соотношению Такая зависимость присуща, только плохим полупроводникам и не должна соблюдаться в низкоомных полимерах. Изучение фотоэлектрических процессов в полимерах наряду с изучением темповой электропроводности дает дополнительную информацию об электронных явлениях в таких системах, гак как световой луч позволяет зондировать определенные свойства электронов. Многие исследования покачали, что спектры фотопроводимости и спектры фото-эдс обычно имеют большое сходство со спектрами поглощения. Например, на толстых слоях наблюдается уменьшение фотоэлектрической чувствительности в максимуме поглощения: для появления фотопроводимости необходимо наличие развитой поверхности. Носители заряда, по-видимому, образуются на поверхности фоточувствительного материала, куда диффундирует экситон. Фотопроводимость у фоточувствительных образцов изменяется экспоненциально с ростом температуры:
где фотопроводимость; -- константа для данного образца;
-- термическая энергия активации проводимости.
Знак световых носителей тока у большинства органических полупроводников дырочный. Некоторые адсорбированные пары и газы существенно изменяют фотоэлектрическую чувствительность органических полупроводников.
Зависимость фототока от освещенности выражается формулой:
где n-- коэффициент 9.5...1,0; L --освещенность.
Полиацетилениды меди имеют темповое сопротивление 109...1010 ом·см, которое при освещении монохроматическим светом уменьшается до 10...108 ом·см с нарастанием фототока до максимального значения за 10...15 сек. Сухой кислород обратимо уменьшает фотопроводимость на два-три порядка и фото-эдс, в 3 - 5 раза. Аналогично действуют пары воды. Механизм фотоэффекта сводится к возбуждению макромолекулы поглощенным фоnоном. Возбужденное состояние мигрирует до встречи со структурным или химическим дефектом, на котором происходит образование свободной пары носителей фототока. Электрон задерживается положительно заряженными центрами, а свободные дырки мигрируют по системе макромолекул. Существенным фактором, определяющим фотоэлектрическую чувствительность вещества, являются потенциальные барьеры на границе между макромолекулами. В связи с ним возрастает роль случайных связей, обусловливающих сшивание макромолекул. Па полиииах и полиацетиленидах обнаружено явление спектральной сенсибилизации фотоэффекта красителями, такими, как метиленовый голубой, хлорофилл, фталоцианины, родамин и др. Подобно красителям ведет себя иод, следы которого могут увеличивать фотопроводимость. Полученные результаты показали, что при сенсибилизации фотоэффекта органических полупроводников наблюдаются закономерности, свойственные неорганическим полупроводникам. Высокая фотоэлектрическая чувствительность полиинов и полиацетиленидов позволила создать на их основе электрофотографические слои, чувствительность которых сравнима с чувствительностью слоев из неорганических полупроводников.
Выводы
В данной курсовой работе рассмотрено создание солнечных преобразователей.
Рассмотрено создание приборов отображения информации и тонкопленочных солнечных элементов на гибких носителях.
Третий раздел содержит информацию про основные направления и перспективы развития оптоэлектроники, использующих органические полупроводники.
органический полупроводник дисплей электропроводимость
Перечень ссылок
1. Богуславский Л.И., Ванников А. В., Органические полупроводники и биополимеры, М., 1968;
2. Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А.Д., Полупроводниковые приборы[Текст], М., 1973
3. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников.- М.: Наука,1977.
4. Горелик С.С., Дашевский М. Я. Материаловедение полупроводников и металловедение.- М.Металлургия, 1973.
5. Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А.М. Прохоров. 1983.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
- Исследование нелинейно-оптических процессов в неоднородных средах на основе пористых полупроводников
Кремний как материал современной электроники. Способы получения пористых полупроводников на примере кремния. Анализ процесса формирования, методов исследования, линейных и нелинейных процессов в неоднородных средах на основе пористых полупроводников.
дипломная работа [6,3 M], добавлен 18.07.2014 Структура полупроводниковых материалов. Энергетические уровни и зоны. Электро- и примесная проводимость полупроводников. Виды движения носителей. Свойства электронно-дырочного перехода. Электропроводимость полупроводников в сильных электрических полях.
реферат [211,5 K], добавлен 29.06.2015Роль полупроводников в микро- и оптоэлектронике. Классификация полупроводниковых материалов. Диапазон электрических параметров различных полупроводников. Особые физико-химические свойства кремния. Применение германия в полупроводниковых приборах.
контрольная работа [1,0 M], добавлен 15.12.2015Полупроводники и их физические свойства. Генерация и рекомбинация свободных носителей заряда. Влияние донорных и акцепторных примесей. Понятие р-п -перехода и факторы, влияющие на его свойства. Полупроводниковые диоды и биполярные транзисторы, их виды.
контрольная работа [1,2 M], добавлен 19.03.2011Типы проводимостей полупроводников и их отличия. Преимущества гетероэпитаксиальных структур КРТ по сравнению с объемными кристаллами КРТ, выращивание. Разновидности полупроводниковых фотоприёмников. Приборы на основе КРТ: принцип действия и устройство.
курсовая работа [3,3 M], добавлен 18.10.2009Принципы работы полупроводниковых приборов. Физические основы электроники. Примесная электропроводность полупроводников. Подключение внешнего источника напряжения к переходу. Назначение выпрямительных диодов. Физические процессы в транзисторе, тиристоры.
лекция [4,4 M], добавлен 24.01.2014Электропроводимость полупроводников. Образование электронно-дырочной проводимости и ее свойства. Условное обозначение полупроводниковых приборов, классификация и основные параметры. Биполярные и МОП транзисторы. Светоизлучающие приборы и оптопары.
лекция [1,8 M], добавлен 17.02.2011Понятие и общая характеристика приборов - излучателей или приемников электромагнитных волн. Описание детекторных радиоприемников, принципы работы диода и триода. Устройство транзистора, свойства полупроводников, особенности возникновения p-n перехода.
реферат [85,4 K], добавлен 17.03.2011Классификация, температурные зависимости концентрации, подвижностей носителей заряда собственных и примесных полупроводников. Общая характеристика и основные сведения о кристаллическом строении полупроводниковых материалов Si и Ge, методика выращивания.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 08.05.2009Понятие, виды, структура светодиодов, их свойства и характеристики, особенности принципа работы. Возможности, недостатки и эффективность светодиодных ламп. Применение органических светодиодов при создании устройств отображения информации (дисплеев).
реферат [587,6 K], добавлен 23.07.2010Принцип действия OLED-дисплея (органический светодиод), его устройство и применение. Основные характеристики дисплеев (яркость, угол обзора, контрастность, срок службы прибора), их сравнение с другими похожими дисплеями. Технология изготовления OLED.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 14.11.2014Солнечная батарея как объект моделирования. Общие принципы построения и отладки математической модели солнечных батарей. Кристаллические полупроводниковые материалы. Рекомендации по построению фотоэлектрических систем космического и наземного назначения.
автореферат [451,5 K], добавлен 20.05.2012Строение твердых тел, их энергетические уровни. Оптические и электрические свойства полупроводников. Физические эффекты в твердых и газообразных диэлектриках, проводниках, магнитных и полупроводниковых материалах. Токи в электронно-дырочном переходе.
курс лекций [1,7 M], добавлен 11.01.2013Работа полупроводниковых электронных приборов и интегральных микросхем. Некоторые положения и определения электронной теории твердого тела. Кристаллическое строение полупроводников. Электронно-дырочный переход. Вольтамперная характеристика п-р перехода.
лекция [196,9 K], добавлен 15.03.2009Электрофизические свойства полупроводниковых материалов, их применение для изготовления полупроводниковых приборов и устройств микроэлектроники. Основы зонной теории твердого тела. Энергетические зоны полупроводников. Физические основы наноэлектроники.
курсовая работа [3,1 M], добавлен 28.03.2016Простейшие преобразователи напряжения в ток. Преобразователи напряжение-ток (ПНТ) на основе дифференциальных каскадов. Повышение линейности ПНТ. Дифференциальное выходное сопротивление транзисторов. Операционные усилители в цепи обратной связи.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 21.03.2011Рассмотрение принципов работы полупроводников, биполярных и полевых транзисторов, полупроводниковых и туннельных диодов, стабилитронов, варикапов, варисторов, оптронов, тиристоров, фототиристоров, терморезисторов, полупроводниковых светодиодов.
реферат [72,5 K], добавлен 14.03.2010Характеристика выпрямительного диода, стабилитрона, биполярного транзистора. Электрические параметры полупроводникового прибора, предельные эксплуатационные данные. Определение параметров полупроводников по их статическим вольтамперным характеристикам.
контрольная работа [883,8 K], добавлен 09.11.2010Начало использования полупроводников 1940-50-е годы. Появление и использование первых интегральных схем. Появление БИС микропроцессоров в 1970-е годы. Распространение архитектуры intel. Развитие технологий литорафии. Усложнение техпроцесса в 2000-е годы.
реферат [84,0 K], добавлен 22.03.2015Отличия энергетических диаграмм проводников, полупроводников и диэлектриков. Принцип работы биполярного транзистора. Фотодиод: принцип работы, параметры и назначение. Определение параметров биполярных транзисторов, включенных но схеме с обидим эмиттером.
контрольная работа [1,4 M], добавлен 05.07.2014
