Светоизлучающие диоды (LED) оказали далеко идущее влияние на индустрию дисплеев и освещения. Для светодиода, излучающего свет, считается, что минимальное напряжение равно напряжению запрещенной зоны материала с учетом принципа сохранения энергии. Снижение рабочего напряжения светодиодов может сэкономить энергию и повысить скорость.
В последние годы для некоторых новых классов светодиодов, включая органические светодиоды (OLED), перовскитные светодиоды и светодиоды с квантовыми точками, наблюдалось излучение света при субширинных напряжениях (обычно 80-100% ширины запрещенной зоны). Эти наблюдения были объяснены с использованием механизмов, специфичных для материала, таких как термическое преобразование с повышением частоты, экситон-экситонная аннигиляция и т. Д. Они были предложены для обеспечения небольшого выигрыша в энергии для преодоления «энергетического барьера» между приложенным напряжением и шириной запрещенной зоны. Однако фундаментальные вопросы о том, каковы на самом деле самые низкие возможные напряжения для светодиодов и имеют ли они одно и то же физическое происхождение, остаются без ответа.
Недавно исследовательская группа под руководством профессора Ди Давэя из Колледжа оптических наук и инженерии Чжэцзянского университета обнаружила, что световое излучение светодиодов можно наблюдать при рекордно низких напряжениях 36–60% ширины запрещенной зоны. Результаты были собраны с помощью высокочувствительной системы детектирования фотонов от 17 типов светодиодов на основе перовскита, органических, квантовых точек и коммерческих полупроводников III-V. Эти напряжения были слишком низкими, чтобы их можно было объяснить описанными ранее механизмами, и они выявили универсальное происхождение низковольтного напряжения .Работа светодиода. Исследование проводилось в сотрудничестве с профессором сэром Ричардом Френдом в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Статья под названием «Работа светодиодов при сверхнизком напряжении» была недавно опубликована исследователями в журнале Nature Communications.
«Каково минимальное напряжение для светодиода, чтобы генерировать свет, было загадкой с момента его изобретения и предметом постоянных дебатов, — сказал Ди, соответствующий автор статьи, — мы изучаем эту проблему, сравнивая низковольтные электролюминесценции от многих классов светодиодов в одном исследовании и собрал некоторые интересные результаты, которые могут помочь достичь единого понимания».
Лиан Ясяо, доктор философии. студент из группы Ди и первый автор статьи, говорит, что «чтобы выяснить, насколько низкими могут быть рабочие напряжения, мы построили очень чувствительную измерительную систему, способную обнаруживать гораздо меньшее количество фотонов по сравнению с обычными тестерами светодиодов. Оказывается, что минимальное напряжение может составлять всего 36% ширины запрещенной зоны. Это ниже пределов, установленных механизмами, о которых сообщалось в прошлом. Работа при низком напряжении не ограничивается некоторыми специальными светодиодами, это универсальное явление для всех 17 типов светодиодов. мы тестировали».
Несмотря на совершенно разные способы переноса заряда и рекомбинации в этих устройствах, авторы обнаружили, что работа этих светодиодов при низком напряжении выглядит удивительно похожей. Профессор Лань Донгчен из Колледжа электротехники Чжэцзянского университета, соавтор статьи, говорит, что они «смогли построить модель диода, чтобы понять поведение излучения светодиода. Интересно отметить, что низковольтные характеристики всех светодиодов можно описать с помощью этой модели».
Авторы сообщили, что измеренные минимальные напряжения на самом деле были кажущимися порогами — реальные пороговые напряжения могут приближаться к нулю. Основываясь на модели диода и экспериментальных результатах, исследователи обнаружили, что кажущиеся пороговые напряжения светодиодов могут быть уменьшены различными способами, например, путем повышения эффективности излучения, уменьшения последовательного сопротивления, а также путем регулировки ширины запрещенной зоны и темновых токов насыщения. светодиодов.
Син Шию, доктор философии. студент из группы Ди и соавтор статьи, говорит, что «чтобы лучше понять проблему, мы провели моделирование устройств с помощью программного обеспечения для моделирования светодиодов. Мы обнаружили, что низковольтные характеристики перовскитных и органических светодиодов не очень отличаются от это обычные светодиоды на основе полупроводников III-V. Зависящие от температуры распределение носителей и свойства излучения могут быть описаны с использованием статистики Ферми-Дирака».
Эксперименты и анализ исследования дают единый ответ на давнюю загадку работы низковольтных светодиодов. «Излучение возникает в результате излучательной рекомбинации нетермически равновесных носителей на краю зоны, заселенности которых определяются функцией Ферми-Дирака, возмущенной небольшим напряжением, — сказал Ди, — такой процесс позволяет рабочим напряжениям приближаться к нулю, не нарушая принцип энергосбережения».
Помимо раскрытия универсального механизма работы сверхнизковольтного светодиода, исследовательская группа продемонстрировала прототип типичной установки связи, способной отправлять оптические данные на кремниевый детектор с использованием перовскитового светодиода, работающего при напряжениях ниже ширины запрещенной зоны кремния. Эти эксперименты демонстрируют потенциал низковольтных светодиодов для коммуникационных, логических и энергетических приложений.
Теги: энергия
