Display devices. Dispositivi attivi: Emettono radiazione propria e questa radiazione è quella che è usata dal dispositivo stesso

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Silvestro Foti
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1 Display devices Dispositivi attivi: Emettono radiazione propria e questa radiazione è quella che è usata dal dispositivo stesso Dispositivi passivi: Modulano l intensità di luce incidente Luminescenza è l emissione di radiazione e.m. da un materiale quando viene eccitato con una certa energia. - Photoluminescence (eccitazione è dovuta ad assorbimento fotoni) - Cathodoluminescence (eccitazione è dovuta a bombardamento elettronico) - Electroluminescence (eccitazione è dovuta a C.E. applicato al materiale)

2 Indipendentemente dal tipo di eccitazione il risultato finale sarà una transizione elettronica tra due livelli energetici E 1 ee 2 (E 2 >E 1 ) con emissione di radiazione a lunghezza d onda 0 In realtà quasi sempre si hanno transizioni tra gruppi di livelli energetici e quindi si avrà una banda di lunghezze d onda. Fluorescenza: tempo di vita della luminescenza brevi (nanosecondi) comparabili con i tempi di transizione tra i livelli energetici. Fosforescenza: tempo di vita lungo (secondi o più) in questo caso sono coinvolti livelli metastabili (con energia inferiore al livello più energetico). Materiali che presentano fosforescenza sono noti anche come fosfori.

3 Per i fosfori generalmente gli attivatori sono degli ioni impurezza nel cristallo. Nella luminescenza caratteristica l eccitazione è trasferita rapidamente agli ioni attivatori e la persistenza della luminescenza è interamente dovuta al tempo di vita del livello eccitato dell attivatore (materiali caratteristici). Nei materiali luminescenti non caratteristici invece si hanno sia attivatori che co-attivatori (impurezze con carica ionica diversa), che creano livelli donori e accettori nel materiale ospite. Tempo che un elettrone spende in una trappola dipende dalla profondità della trappola e dalla T. Q costante che vale circa 10 8 s -1 Probabilità di fuga per unità di tempo:

4 Photoluminescence In un materiale luminescente caratteristico l attivatore assorbe i fotoni direttamente. I livelli energetici coinvolti nell assorbimento e nell emissione sono gli stessi, ma c è l interazione con il reticolo. La lunghezza d onda di emissione è sempre spostata verso lunghezze d onda maggiori (Stokes shift) a causa dell energia persa vibrazionalmente con il reticolo.

5 Diagramma coordinate configurazionali I due minimi sono a diversa posizione R. La distribuzione di equilibrio delle cariche attorno allo ione è diversa nei due stati. Le transizioni si assumono verticali (principio di Franck- Condon). Dopo transizioni radiative riassestamento reticolo per mezzo di vibrazioni.

Si parla di transizione più probabile, gli

6 Si parla di transizione più probabile, gli ioni attorno all attivatore oscilleranno in continuazione e quindi all istante dell assorbimento R potrà variare un po attorno al valore minimo R 0. Per cui si avranno bande di assorbimento e di emissione e non linee. Le larghezze delle bande dipendono anche da T. Esempio lampade fluorescenti vapori mercurio argon

7 Cathodoluminescence Il meccanismo di eccitazione in questo caso è dovuto ad un fascio di elettroni energetici (kev) che colpisce un solido. Il processo si conclude con l eccitazione di elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione. Il processo di catodoluminescenza è piuttosto inefficiente. Sia per le alte energie coinvolte sia per la profondità di penetrazione degli elettroni che è piuttosto bassa (per ZnS elettroni di 10 kev penetrano circa 700 nm). L efficienza aumenta se si aumenta la tensione che accelera gli elettroni perché cosi gli elettroni penetrano di più e generano un numero di coppie elettrone-lacuna lontano dalla superficie del solido dove sono maggiormente presenti centri di ricombinazione non radiativa.

8 Tubo a raggi catodici E uno dei più semplici display devices che rende possibile l analisi di segnali elettrici variabili nel tempo (oscilloscopio) e la visione di immagini. Elettroni sono generati per effetto termoionico e accelerati con delle griglie. Campi elettrostatici o elettromagnetici variano la direzione del fascio elettronico.

9 Schermo Strato sottile (circa 5 µm) di fosfori con uno strato metallico (alluminio circa 100 nm) evaporato dalla parte del cannone elettronico con doppia funzionalità (evitare il build-up di carica sui fosfori e riflettere la luce prodotta dai fosfori verso l esterno). Gli spessori sono critici.

10 Il fascio elettronico sullo schermo è scansionato riga per riga. Normalmente nelle vecchie televisioni lo schermo consisteva di 625 linee e l immagine veniva «rinnovata» ad una frequenza di 45 Hz. Nei display a colori si usa una maschera metallica e tre cannoni elettronici inclinati uno rispetto all altro.

11 Si può ottenere il colore desiderato variando l intensità di eccitazione relativa dei tre tipi di fosfori colorati. Fosfori tipici: ZnS:Ag (blue), Zn x Cd 1-x S:Cu (verde), Y 2 O 2 S:Eu,Tb (rosso). La risoluzione è peggiore rispetto ad un display monocromatico, poiché i fosfori sono dislocati sullo schermo. L allineamento della maschera metallica è inoltre critico. Per migliorare il contrasto spesso lo schermo esterno è colorato in grigio per ridurre la riflessione della luce ambiente esterna sullo schermo, questo però riduce anche la trasmissione della luce proveniente dallo schermo di circa il 50%. Si possono usare anche dei filtri tra l area dei fosfori e la parte esterna, questi assorbono la luce esterna e lasciano passare la luce interna. In questo modo si ha un aumento della brightness di circa il 50%.

12 Sinistra: griglia di pixel in un monitor CRT, i fosfori sono disposti a triangolo. Destra: griglia di pixel in un monitor LCD, le celle sono affiancate Red Green Blue

13 Spettro di tipici fosfori blu, verde e rosso in un CRT.

14 Elettroluminescenza Si possono distinguere 4 tipi di dispositivi in base al tipo di alimentazione (continua o alternata) e al tipo di strato attivo (polvere o film sottile). Di solito non c è conduzione completa tra gli elettrodi e quindi eccitazione in continua è più difficile.

15 Il meccanismo di funzionamento è dovuto al forte C.E. all interno del fosforo. Questo campo può essere sufficiente per consentire a elettroni che occupano livelli accettori di transire per effetto tunnel a stati della stessa energia in banda di conduzione. Da qua gli elettroni possono successivamente transire (radiativamente) nei livelli accettori liberi.

16 Un altra possibilità è quella che a causa del C.E. un elettrone acquisti energia sufficiente a far transire un elettrone in banda di conduzione. La buca lasciata può essere saturata da un elettrone appartenente ad un atomo accettore che quindi rimane disponibile per poter ricevere un elettrone dalla banda di conduzione (processo radiativo). (Processo a valanga)

17 I dispositivi in corrente alternata richiedono tensioni di centinaia di Volts. Forniscono luminanze di decine di nits (candela/m 2 ), efficienze (potenza ottica in uscita/potenza elettrica in ingresso) di circa 1% e tempi di vita del migliaio di ore. Esistono anche dispositivi in continua, dove i fosfori (ZnS:Cu,Mn) sono ricoperti con uno strato conduttivo di Cu x S. In questo caso si ha un percorso conduttivo tra i due elettrodi. Dai fosfori più vicini all anodo trasparente è rimosso il coating conduttivo per consentire al potenziale applicato di essere efficiente (alto resitenza) e provocare una buona emissione di luce. Con questi dispositivi si possono ottenere luminanze di centinaia di nits, con tensioni di circa 100 Volts in continua. L efficienza è comunque bassa dell ordine di 0.1%.

18 Luminescenza per iniezione Struttura base è quella di una giunzione p-n polarizzata direttamente. I portatori di maggioranza attraversano la zona di svuotamento ed entrando nell altra zona diventano di minoranza (iniezione di portatori di minoranza) e qui si possono ricombinare radiativamente con i portatori di maggioranza. Idealmente in un LED (light emitting diode) ogni elettrone iniettato da origine ad un fotone, ma in pratica non è cosi. Si definisce l efficienza quantica come il rate di fotoni emessi diviso per il rate di elettroni forniti.

19 Se la giunzione è polarizzata inversamente, non c e iniezione di carica e quindi non c è emissione di luce. Il numero di transizioni radiative è proporzionale al rate di iniezione di portatori e quindi alla corrente che fluisce nel dispositivo. relazione I-V per un diodo Se le transizioni avvengono tra il minimo della banda di conduzione e il massimo di quella di valenza (banda-banda), l emissione ha lunghezza d onda: Per GaAs E g =1.43 ev e l emissione avviene a 860 nm. Di solito a causa dell eccitazione termica gli elettroni occupano livelli più alti del minimo della banda di conduzione e quindi la lunghezza d onda di emissione è più corta. Spesso inoltre molte transizioni non sono banda-banda, ma coinvolgono livelli energetici tra le bande e in questo caso le emissioni saranno a più grandi lunghezze d onda.

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