Résoudre le mystère des LED ultrabasse tension

Résoudre le mystère des LED ultrabasse tension

Caractéristiques EL intensité-tension de différentes classes de LED. un FAPbI émettant dans le proche infrarouge3 (FPI) LED pérovskite. b LED pérovskite NFPI émettant dans le proche infrarouge. c LED verte en perovskite PCPB. OLED phosphorescent basé sur Ir(ppy)3. e TADF OLED basé sur 4CzIPN. F Polymère OLED basé sur F8BT. g OLED à petite molécule fluorescente à base de rubrène. h II–VI QLED basé sur les QD CdSe/ZnS. je LED inorganique III – V commerciale basée sur GaAsP. Les bandes interdites pour chaque matériau émissif sont marquées par des lignes pointillées. Les encarts sont des schémas des structures respectives des dispositifs LED. Le crédit: Communication Nature (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31478-y

Les diodes électroluminescentes (DEL) ont créé des impacts considérables sur les industries de l’affichage et de l’éclairage. Pour qu’une LED émette de la lumière, la tension minimale est largement considérée comme étant égale à la tension de bande interdite du matériau, compte tenu du principe de conservation de l’énergie. La réduction des tensions de fonctionnement des LED peut économiser de l’énergie et améliorer la vitesse.

Ces dernières années, une émission de lumière à des tensions inférieures à la bande interdite (généralement 80 à 100 % des bandes interdites) a été observée pour certaines classes émergentes de LED, notamment les LED organiques (OLED), les LED à pérovskite et les LED à points quantiques. Ces observations ont été expliquées à l’aide de mécanismes spécifiques au matériau tels que la conversion ascendante assistée thermiquement et l’annihilation exciton-exciton, etc. Celles-ci ont été proposées pour offrir de petits gains d’énergie pour surmonter la “barrière d’énergie” entre la tension appliquée et la bande interdite. Cependant, les questions fondamentales de savoir quelles sont réellement les tensions les plus basses possibles pour les LED et si elles proviennent de la même origine physique, restent sans réponse.

Récemment, une équipe de recherche dirigée par le professeur Di Dawei du Collège des sciences et de l’ingénierie optiques de l’Université du Zhejiang a découvert que l’émission de lumière des LED peut être observée à des tensions record de 36 à 60 % des bandes interdites. Les résultats ont été collectés, à l’aide d’un système de détection de photons à haute sensibilité, à partir de 17 types de LED à base de pérovskite, de semi-conducteurs organiques, à points quantiques et de semi-conducteurs III-V commerciaux. Ces tensions étaient trop faibles pour être expliquées par les mécanismes précédemment rapportés, et elles ont révélé une origine universelle du fonctionnement des LED à basse tension. La recherche a été menée en collaboration avec le professeur Sir Richard Friend du Cavendish Laboratory de l’Université de Cambridge. Un article intitulé “Ultralow-voltage operation of light-emitting diodes” a été publié par les chercheurs récemment dans Communication Nature.

“Quelle est la tension minimale pour qu’une LED génère de la lumière est un casse-tête depuis son invention, et fait l’objet d’un débat continu”, a déclaré Di, l’auteur correspondant de l’article, “nous examinons ce problème en comparant la basse tension l’électroluminescence de nombreuses classes de LED dans une seule étude, et a recueilli des résultats passionnants qui pourraient aider à parvenir à une compréhension unifiée.”

Lian Yaxiao, titulaire d’un doctorat. étudiant du groupe de Di et premier auteur de l’article, déclare que “pour savoir jusqu’où les tensions de fonctionnement peuvent atteindre, nous avons construit un système de mesure très sensible capable de détecter des nombres de photons beaucoup plus faibles par rapport aux testeurs de LED conventionnels. Il s’avère que la tension minimale peut être aussi faible que 36 % de la bande interdite. Celles-ci sont inférieures aux limites fixées par les mécanismes signalés dans le passé. Le fonctionnement à basse tension n’est pas limité à certaines LED spéciales, c’est un phénomène universel dans les 17 types de LED nous avons testé.”

Malgré les modes radicalement différents de transport de charge et de recombinaison dans ces dispositifs, les auteurs ont constaté que le fonctionnement à basse tension de ces LED semble étonnamment similaire. Le professeur Lan Dongchen du Collège de génie électrique de l’Université du Zhejiang, co-premier auteur de l’article, déclare qu’ils “ont pu construire un modèle de diode pour comprendre le comportement d’émission des LED. Il est intéressant de noter que la basse tension les caractéristiques de toutes les LED peuvent être décrites à l’aide de ce modèle.”

Les auteurs ont rapporté que les tensions minimales mesurées étaient en fait les seuils apparents – les tensions de seuil réelles peuvent approcher de zéro. Sur la base du modèle de diode et des résultats expérimentaux, les chercheurs ont découvert que les tensions de seuil apparentes des LED peuvent être réduites de différentes manières, par exemple en améliorant l’efficacité d’émission, en réduisant la résistance série et en ajustant la bande interdite et les courants de saturation sombre. des LED.

Xing Shiyu, un Ph.D. étudiant du groupe de Di et co-premier auteur de l’article, déclare que “pour mieux comprendre le problème, nous avons effectué des simulations d’appareils à l’aide d’un logiciel de simulation de LED. Nous avons constaté que les caractéristiques basse tension de la pérovskite et des LED organiques ne sont pas très différentes de celle des LED conventionnelles à base de semi-conducteurs III-V. Les propriétés de distribution et d’émission des porteurs en fonction de la température peuvent être décrites à l’aide des statistiques de Fermi-Dirac.

Les expériences et les analyses de l’étude fournissent une réponse unifiée au casse-tête de longue date du fonctionnement des LED à basse tension. “L’émission provient de la recombinaison radiative de porteurs de bord de bande sans équilibre thermique dont les populations sont déterminées par la fonction de Fermi-Dirac perturbée par une petite tension”, a déclaré Di, “un tel processus permet aux tensions de fonctionnement de s’approcher de zéro sans violer le principe de conservation de l’énergie.”

En plus de révéler le mécanisme universel de fonctionnement des LED ultrabasse tension, l’équipe de recherche a démontré une configuration de communication prototype capable d’envoyer des données optiques à un détecteur au silicium à l’aide d’une LED pérovskite pilotée à des tensions inférieures à la bande interdite du silicium. Ces expériences démontrent le potentiel des LED basse tension pour les communications, la logique et les applications énergétiques.


Effet de taille des micro-LED rouges AlGaInP sur substrat de silicium


Plus d’information:
Yaxiao Lian et al, Fonctionnement à très basse tension des diodes électroluminescentes, Communication Nature (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31478-y

Fourni par l’Université du Zhejiang

Citation: Résoudre le mystère des LED ultrabasse tension (2022, 5 juillet) récupéré le 5 juillet 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-07-mystery-ultralow-voltage.html

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