ݺߣ

ݺߣShare a Scribd company logo

led (the photonic device)

•Download as PPT, PDF•
•
Amit Tagore
Amit Tagore

LED Basics

1 of 29
Download to read offline
LED: The photonic device Presented by: Amit Kumar Tagore M.Tech. 1st year(1411NT02) Nanoscience & Technology IIT Patna
FFllooww ooff PPrreesseennttaattiioonn IInnttrroodduuccttiioonn WWhhaatt iiss LLEEDD?? BBrriieeff HHiissttoorryy MMeecchhaanniissmm bbeehhiinndd pphhoottoonn eemmiissssiioonn iinn LLEEDDss?? MMaatteerriiaallss ffoorr LLEEDDss AApppplliiccaattiioonnss RReeffeerreenncceess
IInnttrroodduuccttiioonn  PPhhoottoonniicc ddeevviicceess aarree tthhoossee iinn wwhhiicchh tthhee bbaassiicc ppaarrttiiccllee ooff lliigghhtt--tthhee PPhhoottoonn,, ppllaayyss aa mmaajjoorr rroollee..  PPhhoottoonniicc ddeevviicceess ccaann bbee ddiivviiddeedd iinnttoo tthhrreeee ggrroouuppss:: 11.. DDeevviicceess tthhaatt ccoonnvveerrtt eelleeccttrriiccaall eenneerrggyy iinnttoo ooppttiiccaall rraaddiiaattiioonn-- tthhee LLEEDD ((LLiigghhtt EEmmiittttiinngg DDiiooddee)) 22.. DDeevviicceess tthhaatt ddeetteecctt ooppttiiccaall ssiiggnnaallss tthhrroouugghh eelleeccttrroonniicc pprroocceesssseess-- PPhhoottoo ddeetteeccttoorrss,, aanndd 33.. DDeevviicceess tthhaatt ccoonnvveerrtt ooppttiiccaall rraaddiiaattiioonn iinnttoo eelleeccttrriiccaall eenneerrggyy-- tthhee pphhoottoovvoollttaaiicc ddeevviiccee oorr ssoollaarr cceellll..
WWhhaatt iiss LLEEDD??  LL-- LLiigghhtt EE-- EEmmiittttiinngg DD-- DDiiooddee  SSeemmiiccoonndduuccttoorr lliigghhtt ssoouurrccee..  UUsseedd aass iinnddiiccaattoorr llaammppss ,, aaddvveerrttiissiinngg,, ttrraaffffiicc ssiiggnnaallss,, tteelleevviissiioonn,, eettcc..  EEaarrllyy LLEEDDss eemmiitttteedd llooww--iinntteennssiittyy rreedd lliigghhtt,, bbuutt mmooddeerrnn vveerrssiioonnss aarree aavvaaiillaabbllee aaccrroossss tthhee vviissiibbllee,, uullttrraavviioolleett,, aanndd iinnffrraarreedd wwaavveelleennggtthhss,, wwiitthh vveerryy hhiigghh bbrriigghhttnneessss..
led (the photonic device)
BBrriieeff HHiissttoorryy  EElleeccttrroolluummiinneesscceennccee aass aa pphheennoommeennoonn wwaass ddiissccoovveerreedd iinn 11990077.. -- BByy HH.. JJ.. RRoouunndd --uussiinngg aa ccrryyssttaall ooff ssiilliiccoonn ccaarrbbiiddee  CCrreeaattiioonn ooff ffiirrsstt LLEEDD iinn 11992277.. --BByy OOlleegg LLoosseevv TThhee ffiirrsstt pprraaccttiiccaall vviissiibbllee--ssppeeccttrruumm ((rreedd)) LLEEDD wwaass ddeevveellooppeedd iinn 11996622.. --BByy NNiicckk HHoolloonnyyaakk ((""ffaatthheerr ooff tthhee lliigghhtt-- eemmiittttiinngg ddiiooddee""))
CB VB WWhheenn tthhee eelleeccttrroonn ffaallllss ddoowwnn ffrroomm ccoonndduuccttiioonn bbaanndd aanndd ffiillllss iinn aa hhoollee iinn vvaalleennccee bbaanndd,, tthheerree iiss aann oobbvviioouuss lloossss ooff eenneerrggyy.. TThhee qquueessttiioonn iiss;; wwhheerree ddooeess tthhaatt eenneerrggyy ggoo??
IInn oorrddeerr ttoo aacchhiieevvee aa rreeaassoonnaabbllee eeffffiicciieennccyy ffoorr pphhoottoonn eemmiissssiioonn,, tthhee sseemmiiccoonndduuccttoorr mmuusstt hhaavvee aa ddiirreecctt bbaanndd ggaapp.. CB VB TThhee qquueessttiioonn iiss;; wwhhaatt iiss tthhee mmeecchhaanniissmm bbeehhiinndd pphhoottoonn eemmiissssiioonn iinn LLEEDDss??
FFoorr eexxaammppllee;; SSiilliiccoonn iiss kknnoowwnn aass aann iinnddiirreecctt bbaanndd--ggaapp mmaatteerriiaall.. aass aann eelleeccttrroonn ggooeess ffrroomm tthhee bboottttoomm ooff tthhee ccoonndduuccttiioonn bbaanndd ttoo tthhee ttoopp ooff tthhee vvaalleennccee bbaanndd;; iitt mmuusstt aallssoo uunnddeerrggoo aa ssiiggnniiffiiccaanntt cchhaannggee iinn mmoommeennttuumm.. CB VB WWhhaatt tthhiiss mmeeaannss iiss tthhaatt E k
 w As wee aallll kknnooww,, wwhheenneevveerr ssoommeetthhiinngg cchhaannggeess ssttaattee,, oonnee mmuusstt ccoonnsseerrvvee nnoott oonnllyy eenneerrggyy,, bbuutt aallssoo mmoommeennttuumm..  IInn tthhee ccaassee ooff aann eelleeccttrroonn ggooiinngg ffrroomm ccoonndduuccttiioonn bbaanndd ttoo tthhee vvaalleennccee bbaanndd iinn ssiilliiccoonn,, bbootthh ooff tthheessee tthhiinnggss ccaann oonnllyy bbee ccoonnsseerrvveedd:: The transition also creates a quantized set of lattice vibrations, called phonons, or "heat“ .
 PPhhoonnoonnss ppoosssseessss bbootthh eenneerrggyy aanndd mmoommeennttuumm..  TThheeiirr ccrreeaattiioonn uuppoonn tthhee rreeccoommbbiinnaattiioonn ooff aann eelleeccttrroonn aanndd hhoollee aalllloowwss ffoorr ccoommpplleettee ccoonnsseerrvvaattiioonn ooff bbootthh eenneerrggyy aanndd mmoommeennttuumm..  AAllll ooff tthhee eenneerrggyy wwhhiicchh tthhee eelleeccttrroonn ggiivveess uupp iinn ggooiinngg ffrroomm tthhee ccoonndduuccttiioonn bbaanndd ttoo tthhee vvaalleennccee bbaanndd ((11..11 eeVV)) eennddss uupp iinn pphhoonnoonnss,, wwhhiicchh iiss aannootthheerr wwaayy ooff ssaayyiinngg tthhaatt tthhee eelleeccttrroonn hheeaattss uupp tthhee ccrryyssttaall..
In aa ccllaassss ooff mmaatteerriiaallss ccaalllleedd ddiirreecctt bbaanndd--ggaapp sseemmiiccoonndduuccttoorrss;; tthhee ttrraannssiittiioonn ffrroomm ccoonndduuccttiioonn bbaanndd ttoo vvaalleennccee bbaanndd iinnvvoollvveess eesssseennttiiaallllyy nnoo cchhaannggee iinn mmoommeennttuumm.. PPhhoottoonnss,, iitt ttuurrnnss oouutt,, ppoosssseessss aa ffaaiirr aammoouunntt ooff eenneerrggyy (( sseevveerraall eeVV//pphhoottoonn iinn ssoommee ccaasseess )) bbuutt tthheeyy hhaavvee vveerryy lliittttllee mmoommeennttuumm aassssoocciiaatteedd wwiitthh tthheemm..
 Thus, for a direct bbaanndd ggaapp mmaatteerriiaall,, tthhee eexxcceessss eenneerrggyy ooff tthhee eelleeccttrroonn--hhoollee rreeccoommbbiinnaattiioonn ccaann eeiitthheerr bbee ttaakkeenn aawwaayy aass hheeaatt,, oorr mmoorree lliikkeellyy,, aass aa pphhoottoonn ooff lliigghhtt..  TThhiiss rraaddiiaattiivvee ttrraannssiittiioonn tthheenn ccoonnsseerrvveess eenneerrggyy aanndd mmoommeennttuumm bbyy ggiivviinngg ooffff lliigghhtt wwhheenneevveerr aann eelleeccttrroonn aanndd hhoollee rreeccoommbbiinnee.. CB VB TThhiiss ggiivveess rriissee ttoo ((ffoorr uuss)) aa nneeww ttyyppee ooff ddeevviiccee;; tthhee lliigghhtt eemmiittttiinngg ddiiooddee ((LLEEDD))..
MMeecchhaanniissmm bbeehhiinndd pphhoottoonn eemmiissssiioonn iinn LLEEDDss?? MMeecchhaanniissmm iiss ““iinnjjeeccttiioonn EElleeccttrroolluummiinneesscceennccee””.. LLuummiinneesscceennccee ppaarrtt tteellllss uuss tthhaatt wwee aarree pprroodduucciinngg pphhoottoonnss.. EElleeccttrroo ppaarrtt tteellllss uuss tthhaatt tthhee pphhoottoonnss aarree bbeeiinngg pprroodduucceedd bbyy aann eelleeccttrriicc ccuurrrreenntt.. e- IInnjjeeccttiioonn tteellllss uuss tthhaatt pphhoottoonn pprroodduuccttiioonn iiss bbyy tthhee iinnjjeeccttiioonn ooff ccuurrrreenntt ccaarrrriieerrss.. e-
PPrroodduucciinngg pphhoottoonn EElleeccttrroonnss rreeccoommbbiinnee wwiitthh hhoolleess.. EEnneerrggyy ooff pphhoottoonn iiss tthhee eenneerrggyy ooff bbaanndd ggaapp.. CB VB e-h
MMeetthhoodd ooff iinnjjeeccttiioonn WWee nneeeedd ppuuttttiinngg aa lloott ooff ee--’’ss wwhheerree tthheerree aarree lloottss ooff hhoolleess..  SSoo eelleeccttrroonn--hhoollee rreeccoommbbiinnaattiioonn ccaann ooccccuurr.. WWhheenn ffoorrwwaarrdd bbiiaass iiss aapppplliieedd ttoo aa pp--nn jjuunnccttiioonn,, tthhee iinnjjeeccttiioonn ooff mmiinnoorriittyy ccaarrrriieerrss aaccrroossss tthhee jjuunnccttiioonn ccaann ggiivvee rriissee ttoo eeffffiicciieenntt rraaddiiaattiivvee rreeccoommbbiinnaattiioonn,, ssiinnccee eelleeccttrriicc eenneerrggyy ccaann bbee ccoonnvveerrtteedd pphhoottoonnss.. n-side p-side - + I
MMaatteerriiaallss ffoorr LLEEDDss  SSiinnccee,, tthhee eeyyee iiss oonnllyy sseennssiittiivvee ttoo lliigghhtt ooff eenneerrggyy hhvv≥≥11..88eeVV ((~~00..77μμmm))..  TThhee sseemmiiccoonndduuccttoorr bbaannddggaapp eenneerrggyy ddeeffiinneess tthhee eenneerrggyy ooff tthhee eemmiitttteedd pphhoottoonnss iinn aa LLEEDD..  TToo ffaabbrriiccaattee LLEEDDss tthhaatt ccaann eemmiitt pphhoottoonnss ffrroomm tthhee iinnffrraarreedd ttoo tthhee uullttrraavviioolleett ppaarrttss ooff tthhee ee..mm.. ssppeeccttrruumm,, tthheenn wwee mmuusstt ccoonnssiiddeerr sseevveerraall ddiiffffeerreenntt mmaatteerriiaall ssyysstteemmss..  NNoo ssiinnggllee ssyysstteemm ccaann ssppaann tthhiiss eenneerrggyy bbaanndd aatt pprreesseenntt,, aalltthhoouugghh tthhee 33--55 nniittrriiddeess ccoommee cclloossee.. CB VB
Unfortunately, many ooff ppootteennttiiaallllyy uusseeffuull 22--66 ggrroouupp ooff ddiirreecctt bbaanndd--ggaapp sseemmiiccoonndduuccttoorrss ccoommee nnaattuurraallllyy ddooppeedd eeiitthheerr pp--ttyyppee,, oorr nn--ttyyppee,, bbuutt tthheeyy ddoonn’’tt lliikkee ttoo bbee ttyyppee--ccoonnvveerrtteedd bbyy oovveerrddooppiinngg.. TThhee mmaatteerriiaall rreeaassoonnss bbeehhiinndd tthhiiss aarree ccoommpplliiccaatteedd aanndd nnoott eennttiirreellyy wweellll--kknnoowwnn.. TThhee ssaammee pprroobblleemm iiss eennccoouunntteerreedd iinn tthhee 33--55 nniittrriiddeess aanndd tthheeiirr aallllooyyss IInnNN,, GGaaNN,, AAllNN,, IInnGGaaNN,, AAllGGaaNN,, aanndd IInnAAllGGaaNN.. TThhee aammaazziinngg tthhiinngg aabboouutt 33--55 nniittrriiddee aallllooyy ssyysstteemmss iiss tthhaatt aappppeeaarr ttoo bbee ddiirreecctt ggaapp tthhrroouugghhoouutt..
 When we talk about light ,,iitt iiss ccoonnvveennttiioonnaall ttoo ssppeecciiffyy iittss wwaavveelleennggtthh,, λλ,, iinnsstteeaadd ooff iittss ffrreeqquueennccyy..  VViissiibbllee lliigghhtt hhaass aa wwaavveelleennggtthh oonn tthhee oorrddeerr ooff nnaannoommeetteerrss.. nm hc l = ( ) E eV ( )  TThhuuss,, aa sseemmiiccoonndduuccttoorr wwiitthh aa 22 eeVV bbaanndd--ggaapp sshhoouulldd ggiivvee aa lliigghhtt aatt aabboouutt 662200 nnmm ((iinn tthhee rreedd)).. AA 33 eeVV bbaanndd-- ggaapp mmaatteerriiaall wwoouulldd eemmiitt aatt 441144 nnmm,, iinn tthhee vviioolleett..  TThhee hhuummaann eeyyee,, ooff ccoouurrssee,, iiss nnoott eeqquuaallllyy rreessppoonnssiivvee ttoo aallll ccoolloorrss..
Relative rreessppoonnssee ooff tthhee hhuummaann eeyyee ttoo vvaarriioouuss ccoolloorrss GGaaNN ZZnnSSee violet blue GGaaPP::NN PP 8866 GGaaAAss..1144 pp 6655 GGaaAAss..3355 green yellow pp 44 GGaaAAss.6 orange red 350 400 450 500 550 600 650 700 750 100 10-1 10-2 10-3 10-4 RReellaattiivvee eeyyee rreessppoonnssee Wavelength in nanometers The materials which are used for important light emitting diodes (LEDs) for each of the different spectral regions.
A number of the important LEDs are based on the GaAsP system. GGaaAAss is a direct band-gap S/C with a band gap of 11..4422 eeVV (in the infrared). GGaaPP is an indirect band-gap material with a band gap of 22..2266 eeVV (550nm, or green). GaAs GaP 1.42 eV
MMaatteerriiaallss ffoorr vviissiibbllee wwaavveelleennggtthh LLEEDDss  WWee sseeee tthheemm aallmmoosstt eevveerryyddaayy,, eeiitthheerr oonn ccaallccuullaattoorr ddiissppllaayyss oorr iinnddiiccaattoorr ppaanneellss..  RReedd LLEEDD uussee aass ““ ppoowweerr oonn”” iinnddiiccaattoorr  YYeellllooww,, ggrreeeenn aanndd oorraannggee LLEEDDss aarree aallssoo wwiiddeellyy aavvaaiillaabbllee bbuutt vveerryy ffeeww ooff wwee wwiillll hhaavvee sseeeenn aa bblluuee LLEEDD..
RReedd LLEEDDss  ccaann bbee mmaaddee iinn tthhee GGaaAAssPP ((ggaalllliiuumm aarrsseenniiddee pphhoosspphhiiddee))..  GGaaAAss11--xxPPxx  ffoorr 00<<xx<<00..4455 hhaass ddiirreecctt--ggaapp  ffoorr xx>>00..4455 tthhee ggaapp ggooeess iinnddiirreecctt aanndd  ffoorr xx==00..4455 tthhee bbaanndd ggaapp eenneerrggyy iiss 11..9988 eeVV..  HHeennccee iitt iiss uusseeffuull ffoorr rreedd LLEEDDss.. p-GaAsP region N-GaAsP P = 40 % N-GaAs substrate Ohmic Contacts Dielectric (oxide or nitride) Fig. GaAsP RED LED on a GaAs sub.
CCoolloorr NNaammee WWaavveelleennggtthh ((NNaannoommeetteerrss)) SSeemmiiccoonndduuccttoorr CCoommppoossiittiioonn IInnffrraarreedd 888800 GGaaAAllAAss//GGaaAAss UUllttrraa RReedd 666600 GGaaAAllAAss//GGaaAAllAAss SSuuppeerr RReedd 663333 AAllGGaaIInnPP SSuuppeerr OOrraannggee 661122 AAllGGaaIInnPP OOrraannggee 660055 GGaaAAssPP//GGaaPP YYeellllooww 558855 GGaaAAssPP//GGaaPP PPuurree GGrreeeenn 555555 GGaaPP//GGaaPP SSuuppeerr BBlluuee 447700 GGaaNN//SSiiCC BBlluuee VViioolleett 443300 GGaaNN//SSiiCC UUllttrraavviioolleett 339955 IInnGGaaNN//SSiiCC
AApppplliiccaattiioonnss  LLaarrggee--aarreeaa LLEEDD ddiissppllaayyss aarree uusseedd aass ssttaaddiiuumm ddiissppllaayyss aanndd aass ddyynnaammiicc ddeeccoorraattiivvee ddiissppllaayyss..  OOnnee--ccoolloorr lliigghhtt iiss wweellll ssuuiitteedd ffoorr ttrraaffffiicc lliigghhttss aanndd ssiiggnnaallss,, eexxiitt ssiiggnnss,, eemmeerrggeennccyy vveehhiiccllee lliigghhttiinngg,, sshhiippss'' nnaavviiggaattiioonn lliigghhttss  LLEEDDss aarree uusseedd aass ssttrreeeett lliigghhttss aanndd iinn ootthheerr aarrcchhiitteeccttuurraall lliigghhttiinngg wwhheerree ccoolloorr cchhaannggiinngg iiss uusseedd.. TThhee mmeecchhaanniiccaall rroobbuussttnneessss aanndd lloonngg lliiffeettiimmee iiss uusseedd iinn aauuttoommoottiivvee lliigghhttiinngg oonn ccaarrss,, mmoottoorrccyycclleess,, aanndd bbiiccyyccllee lliigghhttss..  SSccrreeeennss ffoorr TTVV aanndd ccoommppuutteerr ddiissppllaayyss ccaann bbee mmaaddee tthhiinnnneerr uussiinngg LLEEDDss ffoorr bbaacckklliigghhttiinngg..
CCoonntt…… LLEEDDss aarree uusseedd ffoorr iinnffrraarreedd iilllluummiinnaattiioonn iinn nniigghhtt vviissiioonn uusseess iinncclluuddiinngg sseeccuurriittyy ccaammeerraass.. lliigghhtt ffrroomm LLEEDDss ccaann bbee mmoodduullaatteedd vveerryy qquuiicckkllyy ssoo tthheeyy aarree uusseedd eexxtteennssiivveellyy iinn ooppttiiccaall ffiibbeerr aanndd ffrreeee ssppaaccee ooppttiiccss ccoommmmuunniiccaattiioonnss.. TThhiiss iinncclluuddeess rreemmoottee ccoonnttrroollss,, ssuucchh aass ffoorr TTVVss,, VVCCRRss,, aanndd LLEEDD CCoommppuutteerrss..
led (the photonic device)
RReeffeerreenncceess  PPhhyyssiiccss ooff SSeemmiiccoonndduuccttoorr DDeevviicceess --BByy SS..MM..SSzzee  ggooooggllee..ccoomm  ggoooogglleeiimmaaggeess..ccoomm  wwiikkiippeeddiiaa..ccoomm
TThhaannkk YYoouu

More Related Content

led (the photonic device)

  • 1. LED: The photonic device Presented by: Amit Kumar Tagore M.Tech. 1st year(1411NT02) Nanoscience & Technology IIT Patna
  • 2. FFllooww ooff PPrreesseennttaattiioonn IInnttrroodduuccttiioonn WWhhaatt iiss LLEEDD?? BBrriieeff HHiissttoorryy MMeecchhaanniissmm bbeehhiinndd pphhoottoonn eemmiissssiioonn iinn LLEEDDss?? MMaatteerriiaallss ffoorr LLEEDDss AApppplliiccaattiioonnss RReeffeerreenncceess
  • 3. IInnttrroodduuccttiioonn  PPhhoottoonniicc ddeevviicceess aarree tthhoossee iinn wwhhiicchh tthhee bbaassiicc ppaarrttiiccllee ooff lliigghhtt--tthhee PPhhoottoonn,, ppllaayyss aa mmaajjoorr rroollee..  PPhhoottoonniicc ddeevviicceess ccaann bbee ddiivviiddeedd iinnttoo tthhrreeee ggrroouuppss:: 11.. DDeevviicceess tthhaatt ccoonnvveerrtt eelleeccttrriiccaall eenneerrggyy iinnttoo ooppttiiccaall rraaddiiaattiioonn-- tthhee LLEEDD ((LLiigghhtt EEmmiittttiinngg DDiiooddee)) 22.. DDeevviicceess tthhaatt ddeetteecctt ooppttiiccaall ssiiggnnaallss tthhrroouugghh eelleeccttrroonniicc pprroocceesssseess-- PPhhoottoo ddeetteeccttoorrss,, aanndd 33.. DDeevviicceess tthhaatt ccoonnvveerrtt ooppttiiccaall rraaddiiaattiioonn iinnttoo eelleeccttrriiccaall eenneerrggyy-- tthhee pphhoottoovvoollttaaiicc ddeevviiccee oorr ssoollaarr cceellll..
  • 4. WWhhaatt iiss LLEEDD??  LL-- LLiigghhtt EE-- EEmmiittttiinngg DD-- DDiiooddee  SSeemmiiccoonndduuccttoorr lliigghhtt ssoouurrccee..  UUsseedd aass iinnddiiccaattoorr llaammppss ,, aaddvveerrttiissiinngg,, ttrraaffffiicc ssiiggnnaallss,, tteelleevviissiioonn,, eettcc..  EEaarrllyy LLEEDDss eemmiitttteedd llooww--iinntteennssiittyy rreedd lliigghhtt,, bbuutt mmooddeerrnn vveerrssiioonnss aarree aavvaaiillaabbllee aaccrroossss tthhee vviissiibbllee,, uullttrraavviioolleett,, aanndd iinnffrraarreedd wwaavveelleennggtthhss,, wwiitthh vveerryy hhiigghh bbrriigghhttnneessss..
  • 6. BBrriieeff HHiissttoorryy  EElleeccttrroolluummiinneesscceennccee aass aa pphheennoommeennoonn wwaass ddiissccoovveerreedd iinn 11990077.. -- BByy HH.. JJ.. RRoouunndd --uussiinngg aa ccrryyssttaall ooff ssiilliiccoonn ccaarrbbiiddee  CCrreeaattiioonn ooff ffiirrsstt LLEEDD iinn 11992277.. --BByy OOlleegg LLoosseevv TThhee ffiirrsstt pprraaccttiiccaall vviissiibbllee--ssppeeccttrruumm ((rreedd)) LLEEDD wwaass ddeevveellooppeedd iinn 11996622.. --BByy NNiicckk HHoolloonnyyaakk ((""ffaatthheerr ooff tthhee lliigghhtt-- eemmiittttiinngg ddiiooddee""))
  • 7. CB VB WWhheenn tthhee eelleeccttrroonn ffaallllss ddoowwnn ffrroomm ccoonndduuccttiioonn bbaanndd aanndd ffiillllss iinn aa hhoollee iinn vvaalleennccee bbaanndd,, tthheerree iiss aann oobbvviioouuss lloossss ooff eenneerrggyy.. TThhee qquueessttiioonn iiss;; wwhheerree ddooeess tthhaatt eenneerrggyy ggoo??
  • 8. IInn oorrddeerr ttoo aacchhiieevvee aa rreeaassoonnaabbllee eeffffiicciieennccyy ffoorr pphhoottoonn eemmiissssiioonn,, tthhee sseemmiiccoonndduuccttoorr mmuusstt hhaavvee aa ddiirreecctt bbaanndd ggaapp.. CB VB TThhee qquueessttiioonn iiss;; wwhhaatt iiss tthhee mmeecchhaanniissmm bbeehhiinndd pphhoottoonn eemmiissssiioonn iinn LLEEDDss??
  • 9. FFoorr eexxaammppllee;; SSiilliiccoonn iiss kknnoowwnn aass aann iinnddiirreecctt bbaanndd--ggaapp mmaatteerriiaall.. aass aann eelleeccttrroonn ggooeess ffrroomm tthhee bboottttoomm ooff tthhee ccoonndduuccttiioonn bbaanndd ttoo tthhee ttoopp ooff tthhee vvaalleennccee bbaanndd;; iitt mmuusstt aallssoo uunnddeerrggoo aa ssiiggnniiffiiccaanntt cchhaannggee iinn mmoommeennttuumm.. CB VB WWhhaatt tthhiiss mmeeaannss iiss tthhaatt E k
  • 10.  w As wee aallll kknnooww,, wwhheenneevveerr ssoommeetthhiinngg cchhaannggeess ssttaattee,, oonnee mmuusstt ccoonnsseerrvvee nnoott oonnllyy eenneerrggyy,, bbuutt aallssoo mmoommeennttuumm..  IInn tthhee ccaassee ooff aann eelleeccttrroonn ggooiinngg ffrroomm ccoonndduuccttiioonn bbaanndd ttoo tthhee vvaalleennccee bbaanndd iinn ssiilliiccoonn,, bbootthh ooff tthheessee tthhiinnggss ccaann oonnllyy bbee ccoonnsseerrvveedd:: The transition also creates a quantized set of lattice vibrations, called phonons, or "heat“ .
  • 11.  PPhhoonnoonnss ppoosssseessss bbootthh eenneerrggyy aanndd mmoommeennttuumm..  TThheeiirr ccrreeaattiioonn uuppoonn tthhee rreeccoommbbiinnaattiioonn ooff aann eelleeccttrroonn aanndd hhoollee aalllloowwss ffoorr ccoommpplleettee ccoonnsseerrvvaattiioonn ooff bbootthh eenneerrggyy aanndd mmoommeennttuumm..  AAllll ooff tthhee eenneerrggyy wwhhiicchh tthhee eelleeccttrroonn ggiivveess uupp iinn ggooiinngg ffrroomm tthhee ccoonndduuccttiioonn bbaanndd ttoo tthhee vvaalleennccee bbaanndd ((11..11 eeVV)) eennddss uupp iinn pphhoonnoonnss,, wwhhiicchh iiss aannootthheerr wwaayy ooff ssaayyiinngg tthhaatt tthhee eelleeccttrroonn hheeaattss uupp tthhee ccrryyssttaall..
  • 12. In aa ccllaassss ooff mmaatteerriiaallss ccaalllleedd ddiirreecctt bbaanndd--ggaapp sseemmiiccoonndduuccttoorrss;; tthhee ttrraannssiittiioonn ffrroomm ccoonndduuccttiioonn bbaanndd ttoo vvaalleennccee bbaanndd iinnvvoollvveess eesssseennttiiaallllyy nnoo cchhaannggee iinn mmoommeennttuumm.. PPhhoottoonnss,, iitt ttuurrnnss oouutt,, ppoosssseessss aa ffaaiirr aammoouunntt ooff eenneerrggyy (( sseevveerraall eeVV//pphhoottoonn iinn ssoommee ccaasseess )) bbuutt tthheeyy hhaavvee vveerryy lliittttllee mmoommeennttuumm aassssoocciiaatteedd wwiitthh tthheemm..
  • 13.  Thus, for a direct bbaanndd ggaapp mmaatteerriiaall,, tthhee eexxcceessss eenneerrggyy ooff tthhee eelleeccttrroonn--hhoollee rreeccoommbbiinnaattiioonn ccaann eeiitthheerr bbee ttaakkeenn aawwaayy aass hheeaatt,, oorr mmoorree lliikkeellyy,, aass aa pphhoottoonn ooff lliigghhtt..  TThhiiss rraaddiiaattiivvee ttrraannssiittiioonn tthheenn ccoonnsseerrvveess eenneerrggyy aanndd mmoommeennttuumm bbyy ggiivviinngg ooffff lliigghhtt wwhheenneevveerr aann eelleeccttrroonn aanndd hhoollee rreeccoommbbiinnee.. CB VB TThhiiss ggiivveess rriissee ttoo ((ffoorr uuss)) aa nneeww ttyyppee ooff ddeevviiccee;; tthhee lliigghhtt eemmiittttiinngg ddiiooddee ((LLEEDD))..
  • 14. MMeecchhaanniissmm bbeehhiinndd pphhoottoonn eemmiissssiioonn iinn LLEEDDss?? MMeecchhaanniissmm iiss ““iinnjjeeccttiioonn EElleeccttrroolluummiinneesscceennccee””.. LLuummiinneesscceennccee ppaarrtt tteellllss uuss tthhaatt wwee aarree pprroodduucciinngg pphhoottoonnss.. EElleeccttrroo ppaarrtt tteellllss uuss tthhaatt tthhee pphhoottoonnss aarree bbeeiinngg pprroodduucceedd bbyy aann eelleeccttrriicc ccuurrrreenntt.. e- IInnjjeeccttiioonn tteellllss uuss tthhaatt pphhoottoonn pprroodduuccttiioonn iiss bbyy tthhee iinnjjeeccttiioonn ooff ccuurrrreenntt ccaarrrriieerrss.. e-
  • 15. PPrroodduucciinngg pphhoottoonn EElleeccttrroonnss rreeccoommbbiinnee wwiitthh hhoolleess.. EEnneerrggyy ooff pphhoottoonn iiss tthhee eenneerrggyy ooff bbaanndd ggaapp.. CB VB e-h
  • 16. MMeetthhoodd ooff iinnjjeeccttiioonn WWee nneeeedd ppuuttttiinngg aa lloott ooff ee--’’ss wwhheerree tthheerree aarree lloottss ooff hhoolleess..  SSoo eelleeccttrroonn--hhoollee rreeccoommbbiinnaattiioonn ccaann ooccccuurr.. WWhheenn ffoorrwwaarrdd bbiiaass iiss aapppplliieedd ttoo aa pp--nn jjuunnccttiioonn,, tthhee iinnjjeeccttiioonn ooff mmiinnoorriittyy ccaarrrriieerrss aaccrroossss tthhee jjuunnccttiioonn ccaann ggiivvee rriissee ttoo eeffffiicciieenntt rraaddiiaattiivvee rreeccoommbbiinnaattiioonn,, ssiinnccee eelleeccttrriicc eenneerrggyy ccaann bbee ccoonnvveerrtteedd pphhoottoonnss.. n-side p-side - + I
  • 17. MMaatteerriiaallss ffoorr LLEEDDss  SSiinnccee,, tthhee eeyyee iiss oonnllyy sseennssiittiivvee ttoo lliigghhtt ooff eenneerrggyy hhvv≥≥11..88eeVV ((~~00..77μμmm))..  TThhee sseemmiiccoonndduuccttoorr bbaannddggaapp eenneerrggyy ddeeffiinneess tthhee eenneerrggyy ooff tthhee eemmiitttteedd pphhoottoonnss iinn aa LLEEDD..  TToo ffaabbrriiccaattee LLEEDDss tthhaatt ccaann eemmiitt pphhoottoonnss ffrroomm tthhee iinnffrraarreedd ttoo tthhee uullttrraavviioolleett ppaarrttss ooff tthhee ee..mm.. ssppeeccttrruumm,, tthheenn wwee mmuusstt ccoonnssiiddeerr sseevveerraall ddiiffffeerreenntt mmaatteerriiaall ssyysstteemmss..  NNoo ssiinnggllee ssyysstteemm ccaann ssppaann tthhiiss eenneerrggyy bbaanndd aatt pprreesseenntt,, aalltthhoouugghh tthhee 33--55 nniittrriiddeess ccoommee cclloossee.. CB VB
  • 18. Unfortunately, many ooff ppootteennttiiaallllyy uusseeffuull 22--66 ggrroouupp ooff ddiirreecctt bbaanndd--ggaapp sseemmiiccoonndduuccttoorrss ccoommee nnaattuurraallllyy ddooppeedd eeiitthheerr pp--ttyyppee,, oorr nn--ttyyppee,, bbuutt tthheeyy ddoonn’’tt lliikkee ttoo bbee ttyyppee--ccoonnvveerrtteedd bbyy oovveerrddooppiinngg.. TThhee mmaatteerriiaall rreeaassoonnss bbeehhiinndd tthhiiss aarree ccoommpplliiccaatteedd aanndd nnoott eennttiirreellyy wweellll--kknnoowwnn.. TThhee ssaammee pprroobblleemm iiss eennccoouunntteerreedd iinn tthhee 33--55 nniittrriiddeess aanndd tthheeiirr aallllooyyss IInnNN,, GGaaNN,, AAllNN,, IInnGGaaNN,, AAllGGaaNN,, aanndd IInnAAllGGaaNN.. TThhee aammaazziinngg tthhiinngg aabboouutt 33--55 nniittrriiddee aallllooyy ssyysstteemmss iiss tthhaatt aappppeeaarr ttoo bbee ddiirreecctt ggaapp tthhrroouugghhoouutt..
  • 19.  When we talk about light ,,iitt iiss ccoonnvveennttiioonnaall ttoo ssppeecciiffyy iittss wwaavveelleennggtthh,, λλ,, iinnsstteeaadd ooff iittss ffrreeqquueennccyy..  VViissiibbllee lliigghhtt hhaass aa wwaavveelleennggtthh oonn tthhee oorrddeerr ooff nnaannoommeetteerrss.. nm hc l = ( ) E eV ( )  TThhuuss,, aa sseemmiiccoonndduuccttoorr wwiitthh aa 22 eeVV bbaanndd--ggaapp sshhoouulldd ggiivvee aa lliigghhtt aatt aabboouutt 662200 nnmm ((iinn tthhee rreedd)).. AA 33 eeVV bbaanndd-- ggaapp mmaatteerriiaall wwoouulldd eemmiitt aatt 441144 nnmm,, iinn tthhee vviioolleett..  TThhee hhuummaann eeyyee,, ooff ccoouurrssee,, iiss nnoott eeqquuaallllyy rreessppoonnssiivvee ttoo aallll ccoolloorrss..
  • 20. Relative rreessppoonnssee ooff tthhee hhuummaann eeyyee ttoo vvaarriioouuss ccoolloorrss GGaaNN ZZnnSSee violet blue GGaaPP::NN PP 8866 GGaaAAss..1144 pp 6655 GGaaAAss..3355 green yellow pp 44 GGaaAAss.6 orange red 350 400 450 500 550 600 650 700 750 100 10-1 10-2 10-3 10-4 RReellaattiivvee eeyyee rreessppoonnssee Wavelength in nanometers The materials which are used for important light emitting diodes (LEDs) for each of the different spectral regions.
  • 21. A number of the important LEDs are based on the GaAsP system. GGaaAAss is a direct band-gap S/C with a band gap of 11..4422 eeVV (in the infrared). GGaaPP is an indirect band-gap material with a band gap of 22..2266 eeVV (550nm, or green). GaAs GaP 1.42 eV
  • 22. MMaatteerriiaallss ffoorr vviissiibbllee wwaavveelleennggtthh LLEEDDss  WWee sseeee tthheemm aallmmoosstt eevveerryyddaayy,, eeiitthheerr oonn ccaallccuullaattoorr ddiissppllaayyss oorr iinnddiiccaattoorr ppaanneellss..  RReedd LLEEDD uussee aass ““ ppoowweerr oonn”” iinnddiiccaattoorr  YYeellllooww,, ggrreeeenn aanndd oorraannggee LLEEDDss aarree aallssoo wwiiddeellyy aavvaaiillaabbllee bbuutt vveerryy ffeeww ooff wwee wwiillll hhaavvee sseeeenn aa bblluuee LLEEDD..
  • 23. RReedd LLEEDDss  ccaann bbee mmaaddee iinn tthhee GGaaAAssPP ((ggaalllliiuumm aarrsseenniiddee pphhoosspphhiiddee))..  GGaaAAss11--xxPPxx  ffoorr 00<<xx<<00..4455 hhaass ddiirreecctt--ggaapp  ffoorr xx>>00..4455 tthhee ggaapp ggooeess iinnddiirreecctt aanndd  ffoorr xx==00..4455 tthhee bbaanndd ggaapp eenneerrggyy iiss 11..9988 eeVV..  HHeennccee iitt iiss uusseeffuull ffoorr rreedd LLEEDDss.. p-GaAsP region N-GaAsP P = 40 % N-GaAs substrate Ohmic Contacts Dielectric (oxide or nitride) Fig. GaAsP RED LED on a GaAs sub.
  • 24. CCoolloorr NNaammee WWaavveelleennggtthh ((NNaannoommeetteerrss)) SSeemmiiccoonndduuccttoorr CCoommppoossiittiioonn IInnffrraarreedd 888800 GGaaAAllAAss//GGaaAAss UUllttrraa RReedd 666600 GGaaAAllAAss//GGaaAAllAAss SSuuppeerr RReedd 663333 AAllGGaaIInnPP SSuuppeerr OOrraannggee 661122 AAllGGaaIInnPP OOrraannggee 660055 GGaaAAssPP//GGaaPP YYeellllooww 558855 GGaaAAssPP//GGaaPP PPuurree GGrreeeenn 555555 GGaaPP//GGaaPP SSuuppeerr BBlluuee 447700 GGaaNN//SSiiCC BBlluuee VViioolleett 443300 GGaaNN//SSiiCC UUllttrraavviioolleett 339955 IInnGGaaNN//SSiiCC
  • 25. AApppplliiccaattiioonnss  LLaarrggee--aarreeaa LLEEDD ddiissppllaayyss aarree uusseedd aass ssttaaddiiuumm ddiissppllaayyss aanndd aass ddyynnaammiicc ddeeccoorraattiivvee ddiissppllaayyss..  OOnnee--ccoolloorr lliigghhtt iiss wweellll ssuuiitteedd ffoorr ttrraaffffiicc lliigghhttss aanndd ssiiggnnaallss,, eexxiitt ssiiggnnss,, eemmeerrggeennccyy vveehhiiccllee lliigghhttiinngg,, sshhiippss'' nnaavviiggaattiioonn lliigghhttss  LLEEDDss aarree uusseedd aass ssttrreeeett lliigghhttss aanndd iinn ootthheerr aarrcchhiitteeccttuurraall lliigghhttiinngg wwhheerree ccoolloorr cchhaannggiinngg iiss uusseedd.. TThhee mmeecchhaanniiccaall rroobbuussttnneessss aanndd lloonngg lliiffeettiimmee iiss uusseedd iinn aauuttoommoottiivvee lliigghhttiinngg oonn ccaarrss,, mmoottoorrccyycclleess,, aanndd bbiiccyyccllee lliigghhttss..  SSccrreeeennss ffoorr TTVV aanndd ccoommppuutteerr ddiissppllaayyss ccaann bbee mmaaddee tthhiinnnneerr uussiinngg LLEEDDss ffoorr bbaacckklliigghhttiinngg..
  • 26. CCoonntt…… LLEEDDss aarree uusseedd ffoorr iinnffrraarreedd iilllluummiinnaattiioonn iinn nniigghhtt vviissiioonn uusseess iinncclluuddiinngg sseeccuurriittyy ccaammeerraass.. lliigghhtt ffrroomm LLEEDDss ccaann bbee mmoodduullaatteedd vveerryy qquuiicckkllyy ssoo tthheeyy aarree uusseedd eexxtteennssiivveellyy iinn ooppttiiccaall ffiibbeerr aanndd ffrreeee ssppaaccee ooppttiiccss ccoommmmuunniiccaattiioonnss.. TThhiiss iinncclluuddeess rreemmoottee ccoonnttrroollss,, ssuucchh aass ffoorr TTVVss,, VVCCRRss,, aanndd LLEEDD CCoommppuutteerrss..
  • 28. RReeffeerreenncceess  PPhhyyssiiccss ooff SSeemmiiccoonndduuccttoorr DDeevviicceess --BByy SS..MM..SSzzee  ggooooggllee..ccoomm  ggoooogglleeiimmaaggeess..ccoomm  wwiikkiippeeddiiaa..ccoomm