Led và Oled
Ở góc ngoài của màn hình có in chữ AMOLED, nói màn hình này được chế tạo theo một số công nghệ mới nào đó. Vậy AMOLED là gì? AM là ghép hai chữ đầu của Active Matrix Organic Light Emitting Diode nghĩa là đi ốt phát sáng hữu cơ.
Về cách điều khiển theo kiểu tiếp xúc bằng đầu ngón tay chúng ta đã tìm hiểu ở bài Touch Screen (Vật lý & Tuổi trẻ, số 4/2011). AMOLED là công nghệ chế tạo chính màn hình, liên quan đến những thành tựu vật lý mới cần lần lượt tìm hiểu kỹ để hiểu được cách vận dụng tổng hợp ở AMOLED.
Trước hết chúng ta tìm hiểu LED để hiểu được OLED. Sau đấy tìm hiểu TFT tức là transito màng mỏng (thin film tran-sistor) linh kiện chính để điều khiển từng phần tử ảnh (pixel) trên màn hình. Cuối cùng ta xét đến cấu tạo và cách tạo ra hình ảnh của màn hình AMOLED.
1. Led
Bán dẫn loại p và loại n
Led được chế tạo từ bán dẫn hợp chất AlGaAs (nhôm, gali, asen). Ở tinh thể bán dẫn ALGaAs tinh khiết, điện tử vành ngoài của các nguyên tử đều được dùng để tạo ra liên kết nếu trên bán dẫn không còn điện tử nào được tự do. Người ta gọi đó là bán dẫn thuần. Không có hạt mang điện nào (hạt tải) có thể chuyển động cả, bán dẫn thuần không dẫn điện.
Khi pha tạp tức là dùng các nguyên tử khác loại pha thêm vào bán dẫn thuần tùy theo cấu tạo điện tử của nguyên tử pha tạp, bán dẫn bị pha tạp có thể có những kiểu dẫn điện khác nhau. Nếu do pha tạp, những liên kết cân bằng trong bán dẫn bị phá vỡ, một số điện tử do không dùng để liên kết, nên chuyển động tự do trong bán dẫn. Bán dẫn pha tạp trở thành dẫn điện bằng điện tử. Người ta gọi là bán dẫn loại n(n: negatif-âm).
Nếu do pha tạp, một số nguyên tử trong bán dẫn thiếu điện tử để trung hòa, người ta gọi là lỗ trống không có điện tử, gọi tắt là lỗ trống. Lỗ trống là hạt tải điện mang điện dương, có thể chuyển động được trong bán dẫn. Bán dẫn pha tạp kiểu này có tính dẫn điện bằng lỗ trống. Vì lỗ trống mang điện dương nên bán dẫn pha tạp này được gọi là bán dẫn loại p(p: positif-dương).
Chú ý rằng cách chuyển động của lỗ trống khác hẳn cách chuyển động của điện tử tự do. Trong trường hợp không có điện tử tự do, chỉ có bán dẫn p, nếu tác dụng một điện thế đủ mức, nguyên tử thiếu điện tử (lỗ trống) có thể nhận điện tử của nguyên tử bên cạnh để trở thành nguyên tử trung hòa, nguyên tử bên cạnh trở thành thiếu điện tử tức là trở thành lỗ trống. Như vậy là lỗ trống đã dịch lên một bước. Dòng điện chạy trong bán dẫn loại p chính là dòng các lỗ trống mang điện dương nhảy từng bước như vậy. Rõ ràng là độ linh động của lỗ trống kém hẳn độ linh động của điện tử tự do.
Tiếp xúc p-n
Khi bán dẫn loại p và loại n tiếp xúc với nhau, ở gần mặt tiếp xúc có một vùng đặc biệt gọi là vùng nghèo hạt tải, gọi tắt là vùng nghèo. (depletion zone)
Đó là vì do khuếch tán, điện tử tự do phía bán dẫn n nhảy sang bán dẫn p. Các điện tử này bị các nguyên tử thiếu điện tử bắt giữ để trở thành nguyên tử trung hòa. Nói cách khác điện tử nhảy vào lỗ trống và cả hai bị triệt tiêu. Kết quả là ở gần mặt tiếp xúc phía bán dẫn n không còn điện tử tự do, phía bán dẫn p không còn lỗ trống tạo nên một vùng không có hạt tải, đó là vùng nghèo.
Khi nối hai đầu tiếp xúc p-n với một hiệu thế, có hai khả năng xảy ra. Nếu nối cực âm bán dẫn n, cực dương với bán dẫn p thì điện trường bên trong bán dẫn đẩy điện tử tự do từ bán dẫn n qua tiếp xúc đến bán dẫn p, đồng thời kéo lỗ trống ở bán dẫn p chuyển động theo chiều ngược lại. Điện tử và lỗ trống gặp nhau ở vùng gần mặt tiếp xúc. Quá trình này xảy ra liên tục, không còn vùng nghèo nữa và có một dòng điện chạy qua tiếp xúc p-n. Ngược lại nếu nối cực dương với bán dẫn n, cực âm với bán dẫn p, điện trường trong bán dẫn kéo điện tử cũng như lỗ trống ra xa mặt tiếp xúc, vùng nghèo rộng ra, không còn dòng điện chạy qua tiếp xúc p-n. Vậy tiếp xúc p-n có tính chất chỉnh lưu, chỉ cho dòng điện chạy theo một chiều. Người ta lợi dụng đặc điểm này dùng tiếp xúc p-n để chế tạo điốt chỉnh lưu.
Điốt phát sáng Led
Như đã thấy trên, khi nối tiếp xúc p-n với các điện cực theo chiều thuận (cực dương nối với bán dẫn p, cực âm nối với bán dẫn n), có một dòng điện qua tiếp xúc p-n và quá trình điện tử nhảy vào lỗ trống liên tục xảy ra ở gần mặt tiếp xúc. Chú ý là lỗ trống thực chất là nơi thiếu điện tử để trung hòa ở nguyên tử. Nhưng đay là nguyên tử được sắp xếp theo trật tự tuần hoàn của tinh thể bán dẫn. Bản thân điện tử phải ở các mức năng lượng nhất định trong nguyên tử, nhưng khi các nguyên tử này nằm sát bên nhau để tạo thành tinh thể thì các mức năng lượng của nguyên tử cũng bị tách ra thành những dải năng lượng (xem lý thuyết về dải ở vật rắn tinh thể). Điện tử dẫn điện ở vào dải dẫn, mức năng lượng còn thiếu điện tử của nguyên tử ở dải vào dải hóa trị. Điện tử từ ngoài nhảy vào lỗ trống ứng với điện tử ở dải dẫn nhảy vào dải hóa trị, khoảng cách về năng lượng giữa hai dải này gọi là khe năng lượng(band gáp) có giá trị nhất định đối với từng loại bán dẫn. Vì vậy khi điện tử nhảy vào lỗ trống, nó sẽ phát ra photon có năng lượng bằng giá trị của khe năng lượng. Ở tinh thể Si, giá trị này nhỏ nên nếu tiếp xúc p-n làm từ bán dẫn Si, khi điện tử nhảy vào lỗ trống ở khu vực mặt tiếp xúc p-n, năng lượng phát ra dưới dạng photon rất nhỏ, vào cỡ photon của hồng ngoại xa. Vì vậy khi có dòng điện chạy qua tiếp xúc p-n, ở tiếp xúc chỉ có tỏa nhiệt.
Nhưng khi làm tiếp xúc p-n từ vật liệu AlGaAs, bề rộng khe năng lượng ở đây lớn, các photon phát ra có năng lượng lớn hơn nhiều so với trường hợp tiếp xúc p-n làm từ vật liệu Si, ánh sáng phát ra ở đây ứng với miền nhìn thấy.
Ban đầu với bán dẫn AlGaAs người ta làm được đi ốt phát quang màu đỏ, sau đó cải tiến cách pha tạp có được màu lục và cuối cùng có được màu lam là màu có bước sóng ngắn nhất trong ba màu cơ bản đỏ lục lam (RGB - red - green - blue). Như vậy với đi ốt phát quang trên cơ sở AlGaAs, có được ba màu anh sáng cơ bản từ đấy pha trộn lại có được ánh sáng trắng và bất cứ màu sắc gì mà mắt ta nhìn thấy.
Tuy nhiên đi ốt phát quang như trình bày trên là được chế tạo từ tinh thể bán dẫn theo một quá trình phức tạp không dễ gì làm thành những chấm nhỏ rồi ghép sát nhau để mỗi đi ốt phát quang là một phần tử ảnh (pixel).
2. OLED
OLED là điốt phát sáng không phải chế tạo từ chất bán dẫn mà là từ chất hữu cơ. Nói chung chất hữu cơ không có cấu trúc tinh thể, về mặt cơ tính thường là mềm dẻo và không dẫn điện. Chất hữu cơ hay được dùng trong kỹ thuật là poly-me gồm những phân tử rất lớn dạng các chuỗi hạt, trong đó chứa nhiều nguyên tử cacbon. Mỗi chuỗi như vậy gồm nhiều đơn vị cấu trúc như nhau gọi là phần tử lặp lại. Liên kết giữa các nguyên tử trong một phần tử cũng như liên kết giữa các phân tử thường là liên kết, không được tự do nên không dẫn điện. Tuy các chuỗi phân tử trong chất polyme sắp xếp với nhau không trật tự polyme không có cấu trúc tinh thể nhưng trong phạm vi từng chuỗi các nguyên tử sắp xếp theo một trật tự lặp lại và kéo dài, do đó có thể xem mỗi chuỗi là một tinh thể một chiều.
Người ta đã dùng các quá trình xử lý như oxy hóa để can thiệp, đưa vào chuỗi phân tử một số nguyên tử làm cho liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ ở một số chỗ, tạo ra những điện tử liên kết lỏng lẻo dễ chuyển động để có được polyme loại n. Tương tự có thể tạo ra những chố thiếu điện tử trong chuỗi polyme để có được polyme loại p. Có thể tạo ra cơ cấu để điện tử lấp lỗ trống phát ra lượng tử ánh sáng, polyme trở thành điện phát quang.
Sau đây ta xét đến cấu tạo và nguyên lý phát quang của OLED thông dụng
Trên một giá đỡ làm bằng thủy tinh hay chất dẻo trong suốt là điện cực anốt làm bằng chất dẫn điện trong suốt. Trên anốt là lớp kép chất hữu cơ gồm lớp dẫn có nhiệm vụ chuyển tải "lỗ trống" từ anốt sang và lớp phát xạ làm nhiệm vụ chuyển tải điện tử từ canốt đến. Các photon ánh sáng phát ra từ lớp phát xạ này. Trên cùng là ca tốt có thể là trong suốt hay không trong suốt tùy theo yêu cầu sử dụng OLED.
OLED phát ra ánh sáng như thế nào?
Khi nối điện, dòng điện chạy từ ca tốt đến a nốt xuyên qua lớp kép chất hữu cơ. Dòng điện đưa điện tử vào lớp phóng xạ và kéo điện tử ra khỏi lớp dẫn điện, sẽ để lại "lỗ trống" ở lớp dẫn điện. Các "lỗ trống" này cần điện tử ở lớp phản xạ nhảy vào lấp đầy. Vậy là lỗ trống nảy vào lớp phát xạ và tái hợp với điện tử ở đó khi điện nhảy vào lỗ trống để tái hợp có pho-ton phát ra. Bước sóng của pho-ton tức là màu sắc của ánh sáng phát ra phụ thuộc vào năng lượng của điện tử nhả ra khi nhảy vào chỗ trống thực tế là bằng giá trị của khe năng lượng ở tinh thể một chiều là chuỗi phân tử trong polyme đã được xử lý, pha tạp của lớp phát xạ.
Người ta đã chế tạo được OLED với các màu phát ra trong phổ ánh sáng nhìn thấy và sử dụng để tạo ra các phần tử màu trên màn hình phẳng, kể cả màu hình cuộn tròn lại được.
Khác với việc chế tạo LED, cần nuôi đơn tinh thể bán dẫn, ở OLED các lớp chất hữu cơ có thể chế tạo theo kiểu bốc cháy trong chân không, ngưng tụ từ thể hơi thậm chí in theo kiểu phun mực. Do đó có thể làm màn hình to và rất to OLED khá sáng, còn sáng hơn LED và nhìn nghiêng 170 0vẫn còn thấy vì ánh sáng tự nó phát ra. Điều này có ưu điểm hơn hẳn so với LCD (hiển thị bằng tinh thể lỏng) vì ở LCD, tinh thể lỏng chỉ làm nhiệm vụ tắt bật ánh sáng còn bản thân ánh sáng là phải do một nguồn sáng khác tạo ra (back-light). Ở LCD phải nhìn tương đối thẳng thỉ mới thấy được ánh sáng ở màn hình. Ở các kỳ tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu cách dùng OLED để làm màn hình và những ưu điểm của màn hình OLED.
Nguyễn Xuân Chánh, Tc Vật lý & Tuổi trẻ, 93, 5/11, tr.25
