第2章一维半导体体系(3)

1、高等半导体物理 第二章 一维半导体体系 (3)(二) 基态非简并准一维导电体系 2 一, 基态非简并的导电聚合物 ( 聚合物半导体 ) EA EB , EA 0 其中, 为每个重复单元的能量 (2) 不能形成分离的孤子 ( 对 ) 思考题: 为什么? ( 以聚对苯橕为例 ) 1, = 0.35 eV, 即 醌环 - 苯环 = 0.35 eV B相 A相 2, 形成分离的孤子对所需要的能量 ( 相对于基态 A 相而言 ) E = NB , NB 为 B 相 ( 醌环 ) 的数目 3, 形成分离的孤子对, NB 很大, 所需的 E 很高 (3) 可形成极化子 为什么? 1, 形成极化子, NB 很

2、小, 所需的 E 很小 * 2, 孤子对的吸引力 思考题: 其物理根源是什么? 4 A 相 ( 基态 ) 中的 NB 个 B 相单元引起的能量差 E = NB = ( LB / do ) = U ( LB ) NB LB E ( do为 B 相单元的长度 ) 孤子对有相互吸引力 F = U / LB = / do 孤子对的吸引力 F 为常数, 不随距离 LB 而变 孤子对之间总存在吸引力, 孤子对总是束缚在一起, 这称为孤子对的禁闭效应, 此吸引力称为禁闭吸引力。 3, 在基态非简并的一维体系中, 双极化子是稳定的元激发态 在基态简并的体系中, 双极化子不稳定. 提问: 为什么? 这是因为库仑

3、排斥力而分解为一对带相同电荷的孤子 在基态非简并的体系中, 双极化子中孤子对的库仑排斥力 (长程力) 与禁闭吸引力平衡 (见图) , 故是稳定的. 三, 基态非简并准一维导电体系的元激发 5 1, 基态简并和非简并情况下元激发的对照 ( 括号中为激发能 ) 基态简并与否 简并 非简并 孤子对 有(4 o /) 无 ( 禁闭效应 ) 单极化子 有(2 3/2 o /) 有(0.98 o ) 双极化子 无 有(1.43 o ) 2, 不同掺杂浓度下的元激发 ( 以链长为 100 个基团为例 ) 掺杂浓度 1% 基态简并 单极化子 孤子(对) 基态非简并 单极化子 双极化子 ( 基态非简并时, 2

4、E单极化子 E双极化子 ) * 第四节 有机半导体光电材料和器件 6 前 言 中国半导体光电材料和器件一，光电器件 LED 台湾 作为全球 LED 研发技术的领跑者，台湾晶元光电主要生产超 高亮度 LED 外延片和芯片。公司外延片产能居全球第一，四 元超高亮度磷化铝镓铟红光，橙光及黄光发光二极管世界市 场占有率高于40 %，是全球最大的四元 LED 生产厂；兰光 LED 产量占全球 20 %，居世界前三位。 台湾晶元光电股份有限公司投资六亿美元建设 LED 外延片和 芯片制造项目。 二，有机光电器件 OLED 江苏 （1）江苏 OLED 产业联盟在昆山新成立: 二十家单位 * 江苏碳基功能材料

5、与器件高技术研究重点实验室、苏州大学 功能纳米与软物质(材料)实验室，南京邮电大学有机电子与 信息显示重点实验室，昆山龙腾光电有限公司，昆山维信诺 显示技术有限公司，以及南京有机光电有限公司等。(2) OLED 照明板 （南京有机光电有限公司 ） OLED为继白炽灯、荧光灯和 LED 之后的第四代照明设备。 优点：1, 节电: OLED为面光源，无需外加灯套，光利用率 可达 90 %，比白炽灯，可节电 70 % 以上。 2, 可卷曲: 特别适合于装饰灯，将在青奥会上使用。 OLED 显示器 （昆山维信诺显示技术有限公司） 中国大陆第一条OLED显示大规模生产线，产品用于医疗器 械、工业仪表、手

6、机及MP3等。(3) 可在-40 到-80 oC下工作，用于“神州七号”舱外航天服上。 * 8(一) 有机半导体光电材料和器件简介 一, 优点: 聚合物光电材料便于分子设计； 发光波长可调, 现已制成从红到蓝不同波长的OLED 制备工艺简单，价格低廉； 器件工作电压低、功耗小； 易成大面积，并已制成显示屏，可用于手机、小型电脑等。 具柔性, 可望实现柔性大面结显示屏，倍受人们的关注。 是极具竞争力的新型半导体光电材料和器件. 二, 缺点: 稳定性相对较差 * 三, 有机光电材料的种类 9 (1) 目前研究得较多的用於OLED的有机光电材料主要有两类. 一类是以聚对苯撑乙烯 ( PPV ) 为代

7、表的有机高分子 ( 聚合 物 ) 光电材料, 此为一维半导体体系. 另一类是以 8 - 羟基喹啉铝 ( Alq3 ) 为代表的有机小分子光电 材料。 (2) 这两类有机光电材料及器件各有千秋, 其研究都取得了可喜 的进展，都十分引人注目。 有机聚合物材料 - 优点: 易成大面积 ( 可喷墨打印 ), 具柔性; 缺点: 稳定性差 ( 聚合物, 掺有MEH ). 有机小分子材料 - 优点: 稳定性较好; 缺点: 不易成大面积 ( 蒸发 ). *(二) 有机聚合物 LED ( polymer LED PLED, OLED ) 10 一, PPVLED 是具有代表性的有机聚合物 LED PPV 的禁带

8、宽度约为 2.2 eV, 本征电导率在 10-12 (-cm)-1 以下。 通过掺杂可呈 p 型或 n 型, 掺杂 PPV 的电导率可达 10 -1 ( - cm)-1 以上。 可制成高纯度、高质量的 PPV 膜, 以减少非辐射复合中心, 从而提高发光效率。 PPV 聚合物发光二极管中 PPV 层的典型厚度为 100 nm。 可溶性的 MEH - PPV 可直接由其溶液旋转涂膜，用此已发 展了一套喷墨工艺以制造平面显示器, 这非常有利于柔性大 屏幕显示的实现. *二, PPV LED 的特性研究 11 (1) MEH-PPV LED 是研究得最多聚合物 LED MEH 的掺入可增强 PPV 膜

9、的可溶性; MEH-PPV LED 的结构为M1/MEH-PPV/M2, 其中M1 为阳极材 料，M2 为阴极材料。 (2) 电学特性测量分析 图6为 ITO/MEH-PPV/Ca的 J - E曲线 ( J 为发光强度 ) 由图可知，J - E曲线基本上 不随发光层厚度d而变, ( 相 似的结果在 ITO/MEH-PPV/ Cu 中也观察到 ). 可见, 电流 强度取决于膜中的电场强度, 而不是电极间的电压差。图6(3) 电致发光特性研究 12 1, 电致发光特性曲线 ( 见图7 ) 开启电压( 开始发光时的电压)不随发光层厚度而变, 约为2伏. 工作电压(发光强度为某值时的电压)随发光层厚度

10、增加而增加 图7 不同发光层厚度的ITO/MEH-PPV/Ca器件的发 光强度随外加偏压的变化。 * 2, 能带模型和发光机理 13 图 8 零偏压时，器件的能带图如图 8 的左图所示，ITO 的费米能级 与 Ca 的费米能级相平，系统处于平衡状态； 当外加正偏压 ( ITO为正 ) 使聚合物发光层的能带变平时，器件 的能带图如图 8 的中图所示；聚合物 MEH-PPV 的禁带宽度 Eg 为 2.1 eV, ITO的费米能级离其价带顶为E1 = 0.2 eV, Ca 的费 米能级离其导带底为E2 = 0.1eV, 要使 MEH PPV 层满足平带 条件, 偏压 Vp 应为 +1.8 V ( E

11、g = E1 + E2 + eVp ,见中图 ) * 随着偏压的增加，发光层的能带开始倾斜 (见图 8 右图), 阴极和 阳极因隧道效应开并始有电子和空穴注入，并复合发光。因此, 开启电压应略大于平带电压 ( 约为 2.0 eV, 见图7 ) 由于平带电压与发光层厚度无关 思考题: 为什么? 因此器件的开启电压 Von 与发光层的厚度基本无关 ( 见图7 )。 随着外加偏压进一步增加，能带进一步倾斜 (如图8 的右图所示), 注入增强, 电流增大. 电流大小取决于由发光层能带斜率决定的 电子和空穴的隧穿注入强度. 电流强度取决定于发光层的电场强 度而不是电压降. 故 J - E 曲线基本与发光

12、层厚度无关. ( 见图6 ) 当发光强度达到某一定值时，其外加偏压为该器件的工作电压 Vop, 它随发光层厚度的增加而升高 (使能带斜率达到一定值). 按照上述能带模型和发光机理，很好地解释了器件的电流-电场 曲线以及开启电压 Von 基本上不随发光层的厚度而变，器件的 工作电压Vop随发光层厚度的增加而升高。 * 3, 器件发光特性的进一步分析 15 1) 在 M1/MEH-PPV/M2 结构中，若两电极的势垒高度不同，势垒 较低的电极注入的载流子数较多，称之为多数载流子；相反， 势垒较高的电极注入的载流子数较少，称之为少数载流子。 提问: 半导体材料中的电流强度主要由少子还是多子决定? 2

13、) 图9 ITO / MEH-PPV / M2 结构的电流 - 电场曲 线, 电流主要取决于阳极 的势垒, 由阳极材料 ITO 的功函数决定，受阴极 材料功函数的影响较小。3) 器件的电流主要由多数 载流子决定，即由较低 势垒的隧道电流决定。图 93) 开启电压 ( 前面已讨论过, 这里再提一下 ) 16 发光二极管的开启电压为开始产生发光信号时的电压, 开启电压取决于平带电压, 其值应略大于平带电压 平带电压取决于两电极的功函数 如图7 所示, 开启电压约为 2 V, 与发光层厚度无关 提问: 开启电压为什么与发光层厚度无关, 它取决于什么? 4) 工作电压 ( operating volt

14、age ) 发光二极管的工作电压Vop为发光器件正常工作时的外加电压. 此时应发光强度较大, 发光较稳定; 思考题: 半导体器件的发光强度取决于其中的多子还是少子? 器件的发光是靠注入的电子和空穴的复合来实现的, 尽管多数 载流子的数目很多, 但发光强度却取决于少数载流子浓度, 故工作电压取决于阴极材料的功函数. ( 下面将进一步讨论 ) *三， ITO / MEH-PPV / M2 器件的发光效率 17 为节约能源，需千方百计提高器件的发光效率 发光效率 = 发光强度 W / 电功率 P (1) 影响发光效率的器件参数 工作电压，工作电流 （开启电压）； 发光强度。 (2) 影响发光效率的材料参数 阴极功函数 （影响少子注入、发光强度和工作电压）； 发光层厚度 （影响工作电压）； 发光层材料电阻率 （影响工作电压）； 发光层材料的（非平少子）寿命 （影响非辐射复合的强度） 纯度和完整