DE2361531A1

DE2361531A1 - Polychrome elektrolumineszierende anordnung

Info

Publication number: DE2361531A1
Application number: DE2361531A
Authority: DE
Inventors: Jacques Lebailly
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-12-13
Filing date: 1973-12-11
Publication date: 1974-06-20
Also published as: IT1001409B; DE2361531C3; JPS49100988A; DE2361531B2; GB1459455A; FR2248663B1; JPS5472484U; JPS529994B2; US3875473A; FR2248663A1; CA1011440A

Description

FPnN,6813. • Ya/Sv*H .

: , 4.12.73. GÜNTHB? M. DAVID " -

n~..c;cu.~g vom:

Polycliroine elektrolumineszxerende

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrolümines—■'-zierende Anordnung, die durch mehrere miteinander verbundeiie elementare Lichtquellen gebildet wird, die gleichzeitig erregt werden und Lichtstrahlen verschiedener tiellenlängen emittieren»

Elelctroluraineszierende Anordnungen, wie Halbleiterdioden emittieren Licht einer bestimmten Wellenlänge, wenn ein elektrischer Strom darin injiziert wird. Um eine Wiedergabe in einer Reihenfolge verschiedener Farben zu erhalten, wurde versucht, elektrolumineszierende Anordnungen für: verschiedene Farben als Funktion eines Parameters herzustelleil, dessen Aenderungen gesteuert werden können.

mehrere elektrolumineszierende Quellen verschiedener

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FPHM.6813. - 2 - . h.12.73.

Farbe nebeneinander angeordnet und selektiv gespeist werden, ist es erforderlich, für jede Quelle eine Schaltung oder Speisung vorzusehen, wodurch die Anordnung verwickelter wird und mehr Raum in Anspruch nimmt j im Falle von Mosaiken von Lichtpunkten vom XY-Matrixtyp ist z.B. die Vergrösserung der Anzahl Speiseleiter ein wesentlicher Nachteil,

Es wurden polychrome Einheiten mit mehreren einzelnen Quellen vorgeschlagen, deren Farbe von-einer gemeinsamen Speisung aus gesteuert wird. Ein Beispiel ist in der USA-Patentschrift 3 ^99 158 beschrieben^ nach der mehrere Dioden in demselben Raum gleichzeitig und parallel gespeist werden., wobei jede dieser Dioden mit einem Widerstand spezifischen Wertes in Reihe liegt, der die Spannung über der betreffenden Diode als Punktion der gemeinsamen Speisespannung bestimmt. Diese Widerstände führen jedoch einen nicht zu vernachlässigenden Energieverlust herbei, der vor allem bei bewegbaren Geräten unerwünscht ist. Diese Widerstände erfordern auch zusätzlichen Raum, was im Falle von Mosaiken gemäss XY-Richtungen angeordneter polychromer Lichtpunkte besonders störend ist. lieiter ist in der beschriebenen Anordnung eine Speisequelle erforderlich, deren Spannung genau definiert werden muss, während die Verteilung des Stromes über die verschiedenen Dioden ungenau bleibt, wodurch die gegenseitigen Lichtleistungen schlecht definiert werden.

Die vorliegende Erfindung bezweckt u.a., diesen Nachteilen entgegenzukommen und eine elektrolumineszierende"

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Anordnung zu schaffen, die nacheinander verschiedene Farben wiedergeben kann, deren verschiedene Lichtquellen über den Kanal eines gemeinsamen Leiters gespeist werden, wobei d±e Speisequelle dieser Lichtquellen es ermöglicht, auf zwecle— massige lieise die Lichtleistung jeder Quelle zu regeln.

Nach der Erfindung werden die Unterschiede der Kennlinien der bekannten monochromen elektrolumineszierend©» Quellen berücksichtigt, bei denen die Kurven des emittierten Lichtstroms als Funktion des Erregungspegels nicht alle miteinander identisch sind, ·

Es ist bekannt, dass die Empfindlichkeit des Auges nicht für all die verschiedenen Wellenlängen des sichtbaren Spektrums dieselbe ist. Die Empfindlichkeitskurve des Auges soll beim Vergleich von Lichtquellen verschied euer Farbe berücksichtigt werden. Der Lichtstrom F einer elektrolumireszierenden Quelle ist also gleich dein Produkt der auge strahlten Leistung P und eines Faktors V, der die relative Empfindlichkeit des Auges bei der ausgesandten Wellenlänge ausdrückt, und eines Faktors K_f* der das Aequivalent in Licht strom pro Leistungseinheit darstellt' und annähernd gleich 680 Lumen/W ist. Nachstehend wird der Lichtstrom F betrachtet. Veiter sei bemerkt, dass die Kurven für die nachstehend zu erwähnenden in Gruppen angeordneten Lichtquellen als in demselben Mässtab und mit denselben Einheiten aufgetragen zu betrachten sind, um auf akzeptable lieise miteinander verglichen werden zu können, wenn- die Diagramme mit diesen Kurven übereinander angeordnet "werden,

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Nach der Erfindung ist eine elektrolumineszierende Anordnung, die durch mehrere miteinander verbundene elementare elektrolumineszierende Quellen gebildet wird, die gleichzeitig erregt werden und von denen mindestens zwei Lichtstrahlen verschiedener Yiellenlängen emittieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen der Anordnung in Reihe angeordnet sind, und dass der Lichtstrom, der von einer ersten Quelle der Anordnung emittiert wird, die eine Strahlung einer ersten Farbe emittiert, grosser als der einer zweiten Quelle ist, wenn ein Strom gleicher Stärke I₁ in jede dieser Quellen injiziert wird, wahrend der Lichtstrom, der von der zweiten Quelle der genannten Anordnung emittiert wird, die eine Strahlung einer anderen Farbe emittiert, grosser als der der ersten Quelle ist, wenn ein Strom gleicher Stärke I₂, die von L· verschieden ist, in jede dex· Quellen injiziert wird.

Die verschiedenen in Gruppen angeordneten Lichtquellen die in Reihe gespeist werden, werden gleichzeitig von einem Strom mit einer Stärke I durchlaufen. Wenn für diese Stärke ein Wert I₁ gewählt wird, für den der Lichtstrom, der von den Quellen emittiert wird, deren Strahlung eine erste Wellenlänge ^₁ aufweist, grosser als der aller anderer Lichtquellen ist, ist die dieser ersten Wellenlänge entsprechende Farbe vorherrschend, ¥enn für diese Stärke ein ¥ert I_? gewählt wird, für den der Lichtstrom, der von den Quellen emittiert wird, deren Strahlung eine zweite Wellenlänge h ₂ aufweist, grosser als der aller anderer Quellen ist, ist die dieser zweiten Wellenlänge entsprechende Farbe vorherrschend. Indem für diese

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Stromstärke I andere Werte gewählt werden, kann auch die Farbe anderer Quellen vorherrschend gemacht werden. Die Anordnung erfordert nur eine einzige Speisung und ermöglicht es, nacheinander Wiedergaben in verschiedenen Farben, dadurch zu erhalten, dass nur die Werte der Starke/des injizierten Stromes geändert werden.

Die Kurven 1., 2 und 3 der Fig. 1 der beiliegenden Zeichnungen stellen in logarithmischen Koordinaten die Aenderungen der Licht ströme F dar, die von den elementaren Lichtquellen S1 , S2 bzw. S3 einer Anordnung nach der Erfindung als Funktion der Stärke I des sie durchlaufenden Stromes emittiert werden. Da die Quellen St, S2 und S3 in Reihe geschaltet sind, v/erden die Lichtströme der drei Quellen zu einem gegebenen Zeitpunkt durch die verschiedenen Ordinaten dargestellt, die einer gleichen Stromstärke I entsprechen; es ist ersichtlich, dass bei einer Stromstärke I. der Lichtstrom F.. der Quelle SI ·

vorherrschend ist.: bei einer Stromstärke X^, ist der Lieht— strom- F₁,- der Quelle S2 vorherrschend, während bei einer Stromstärke !_, der Lichtstrom F__o der Quelle S3 vorherrschend ist. Statt elementarer Lichtquellen kann auch ein Gebilde identischer in Reihe geschalteter Quellen verwendet werden, deren Lichtströme zusammengefügt werden.

Die Anordnung benötigt keine zusätzlichen Widerstände, die einen Energieverlust herbeiführen und mehr Raum beanspruchen. Die Anordnung gibt verschiedene Farben über den Kanal einer einzigen Speisung wieder und vermeidet den Zusatz eines Leiters pro zusätzliche Farbe. Der Strom in jeder

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dieser elementarer Quellen, der für alle Quellen derselbe ist, wird an der Speisequelle genau definiert und eingestellt.

Die Anzahl in Gruppen angeordneter Quellen in einer Anordnung nach der Erfindung ist nicht beschränkt. Vorzugsweise enthält die Anordnung eine einzige Quelle für jede der gewünschten Farben oder mindestens eine Quelle jeder der gewünschten Farben, die als Primärfarben zu betrachten sind, die es ermöglichen, andere gexviinschte Farben durch additive Mischung der emittierten Lichtströine zu erhalten.

Es ist in allgemeinen wünschenswert, dass der Lichteindruck, den eine polychrome Anordnung auf das Auge eines Beobachters macht, für die verschiedenen Farben, die diese Anordnung wiedergeben kann, nahezu auf demselben Pegel liegt. Zu diesem Zweck wird die Anordnung νοΓζι^ΒΛ/εχεβ von Impulsen gespeist.und die Dauer eines Impulses nimmt ab, wenn die Stromstärke während des Inipulses grosser ist. Es ist nämlich bekannt, dass "Nacheilen" von. Lichteindrücken die Möglichkeit bietet, äquivalente Effekte mit verschiedenen LichtstrcSnien. durch Einwirkung auf die Dauer des Reizes zu erhalten. Es ist günstig, wenn für jeden Wert der Erregungsstärke die Dauer des Impulses dein emittierten Lichtstrom umgekehrt proportional ±st. Selbstverständlich kann dieses VerMltnisgesetz korrigiert werden, wobei gegebenenfalls besondere Kontrastbedingungsn der Beleuchtung der Umgebung oder andere Faktoren, die die Sichtbarkeit des Gebildes der zu einer Anordnung zusammengebauten Quellen beeinflussen, berücksichtigt werden.

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In dem am häufigsten "vorkommenden Fall, in dem ein scheinbar kontinuierlicher Lichteindruck gesucht wird, wird die Anordnung von aufeinanderfolgenden Impulsen mit einer die ^: Fliminerfrequenz überschreitenden Frequenz gespeist. In diesem Falle nimmt das Zyklusverhaltnis oder das Verhältnis der Dauer eines Impulses zu der Gesamtdauer der Viederholungsperiode ab, wenn die Stromstärke grosser ist. Es ist günstig, wenn für jeden ¥ert des ErregungsStroms dieses Verhältnis dem ausgesandten Lichtstrom umgekehrt proportional ist, wobei dieses Gesetz, wie oben beschrieben wurde, in bezug auf die besonderen Freqiienz- oder Kontrastbedingungren oder andere die Sichtbarkeit beeinflussende Faktoren korrigiert werden.

Bei einer ersten Ausführungsform der Anordnung nach , der Erfindung werden verschiedene Lichtquellen derart nebeneinander und nahe beieinander angebracht, dass bei einem minimalen Beobachtungsab.stand praktisch eine einzige Quelle sichtbar wird, deren Farbe durch die additive Mischung der Farben der verschiedenen erregten Quellen unter Berücksichtigung ihrer respektiven Licht ströme erhalten wird.

Vorzugsweise sind die Lichtquellen und die Erregerstromstärken derartig, dass der emittierte Lichtstrom in einer vorherrschenden Farbe für mindestens einen Wert der Starke des die verschiedenen Quellen durchlaufenden Stromes zehnmal grosser als der von allen anderen nichtvorherrschenden Quellen emittierte Lichtstrom ist. Die Anordnung wird dann nahezu in der Farbe der Quellen sichtbar, deren LichtsijroTn vorherrschend ist,

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Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass, wenn der Schnittpunkt der Kurven 1 und 2 betrachtet wird, ftir die entsprechenden Ströme I_p die beiden Quellen S1 und S2 denselben Lichtstrom F haben» Wenn die emittierten Lichtstrahlen von dem Beobachter gemischt werden können, ist die scheinbare Farbe der Anordnung diejenige, die sich aus der ZusammenfUgnng der Farben von S1 und S2 ergibt, wobei der Lichtstrom der Quelle S3 praktisch keinen Einfluss ausübt.

Wenn in nahezu allen Fällen die Kurve des Stromes einer Quelle als Funktion der Stärke des sie durchlaufenden Stromes weder eine Diskontinuität noch eine plötzliche Steilh.eitsänderung aufweist, kann durch passende Wahl der Stromstärke, die dem Schnittpunkt der beiden Kurven entspricht, wenn die Diagramme übereinander angeordnet werden, eine zusammengesetzte Farbe erhalten werden, die sich aus einer Mischung gleicher Anteile mindestens der beiden Farben der beiden Quellen oder Gruppen von Quellen ergibt, deren Kurven sich schneiden, während ausserdem durch Einstellung der Stärke des Stromes ein ganzes Gamma von Zwischenfarben, erhalten werden kann, das sich aus der Mischung veränderlicher Anteile dieser Farben, je nach den gegenseitigen Lichtströmen der verschiedenen Farben, ergibt· Die Anordnung ermöglicht es auf diese Weise, eine Farbe wiederzugeben, die sich aμs der additiven Mischung anderer Farben ergibt, die dadurch erhalten wird, dass ein Strom injiziert wird, dessen Stärke zwischen den Stärken der Ströme liegt, für die die genannten anderen Farben vorherrschend sind,

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Alle Zwischenfarben., die sich, aus dieser additiven Mischung ergeben, können auch durch zeitliche Mischung· mit Hilfe von schnell aufeinanderfolgenden Impulsen verschiedener Stärken erhalten werden, wobei jede dieser Stärken eine bestimmte Farbe vorherrschend macht und das "Nacheilen" der Lichteindrücke es dem Auge des Beobachters ermöglicht, die Summe der empfangenen Eindrucke aufzunehmen. Die Dauer der Impulse d,.st in diesem Falle eine Funktion des in jeder- vor— herrschenden Farbe emittierten Lichtstromes und das notwendigen Anteiles dieser vorherrschenden Farbe in der Zusammensetzung des gewünschten additiven Gemisches,

Alle Kombinationen sind auch bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung möglich, nach der die Anordnung ein optisches System enthält, das die Neigung atifweist, die Lichtstrahlen, die von verschiedenen Quellen der Anordnung herrühren, einander zu überlagern. So werden z.B. verschiedene Quellen nebeneinander auf einer Grundplatte angeordnet und mit einer Glocke abgedeckt, die all diese Quellen umfasst.

Bei einer anderen Ausführungsform werden verschiedene in Gruppen angeordnete Quellen in einer Anordnung übereinander angebracht, wobei jede über ©ine andere Quelle angebrachte Quelle wenigstens teilweise die von der letzten Quelle emittierte Strahlung durchlässt. So besteht die Anordnung z.B. im wesentlichen aus einer Stapelung von Quellen mit
planarer Struktur, wodurch die Reihenschaltung erhalten wird, wobei diese Stapelung derartig ist, dass die Wellenlänge der emittierten Strahlung abnimmt„

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. . . Bei den nachstehenden Ausführungsformen sind verschiedene Lichtquellen einer Anordnung als Punktion der zu erhaltenden. Farben unter den elektrolumineszierenden Elementen vom bekannten Typ gewählt, bei denen die Kurven des Lichtstroms als Funktion des injizierten Stroms das geeignete Profil aufweisen«

Nach einer Abwandlung enthält die Anordnung mindestens eine elektrolumineszierende elementare Quelle einer ersten Farbe, deren Lichtstrom mindestens für einen Bereich von Stromstärken des oberhalb eines bestimmten Wertes injizierten Stromes, z.B. unter dem Einfluss der Sättigungserscheinung, auf einen nahezu konstanten Wert beschränkt' ist, und mindestens eine elektrolumineszierende elementare Lichtquelle einer anderen Farbe, deren Lichtstrom sich in demselben Bereich von Stromstärken des injizierten Stromes ändert.

Ein Beispiel einer elektrolumineszierenden Quelle mit einem Licht strom, der sich nur wenig in dem Bereich von Stromstärken ändert, besteht aus einer Halbleiterdiode mit pn-Uebergang aus mit Zink und Sauerstoff dotiertem Galliumphosphid, die eine Strahlung roter Farbe emittiert und von einer bestimmten Stromdichte her die Sättigungserscheinung der Strahlungsrekombinationszentren aufweist. Diese Diode kann mit einer Diode verbunden werden, die keine Sättigungserscheinung aufweist.

Nach einer Weiterbildung enthSlt sie Anordnung mindestens eine elektrolumineszierende elementare Lichtquelle einer ersten Farbe, deren Licht strom wenigstens in eineia Bereich

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von Stromstärken des injizierten Stromes dieser Stärke nahezu proportional ist, rind mindestens eine elektrolumineszierend® Quelle einer anderen Farbe₉ deren Lichtstrom in demselben ' Bereich von Stromstärken- gemäss einem·anderen Gesetz verläuft.

Ein Beispiel einer elektrolumineszierenden Quelle mit einem Lichtstrom₆ der der Stärke des injizierten Stromes mindestens in einem bestimmten Bereich von Stromstärken nahezu proportional ist, besteht aus einer Halbleiterdiode mit einem pn-Uebergang, die aus einem Material mit direkter Bandstruktur wie einer ternären Verbindung} z,B₀ Galliumarsenidphosphid, Galliumaluminxumarsenxd, Galliumindiumphosphid ₀ Indiumaluiüiniumphosphidj gewünschter Zusammensetzung oder einer* binären Verbindung,wie Galliumnitrid₉ hergestellt ist₀ Bestimmte Materi-, alien mit indirekter Bandstruktur weisen ebenfalls diese Eigenschaft auf ι Beispiele sind mit Stickstoff dotiertes Galliumphosphid j Z₀B₀ von dem Typ₀ der eine Strahlung grüner Farbe emittiert, und Siliciumcarbid»

' Nach einer weiteren Abwandlung enthält die Anordnung mindestens eine elektrolumineszierende elementare Lichtquelle einer ersten Farbe₀ deren Lichtstrom mindestens in einem Bereich von Stärken des injizierten Stromes nahezu einer Potenz H der Stromstärke proportional ist₅ wobei η "% 1 istj und mindestens eine elektrolumineszierend© elementare Quelle einer anderen Farbe, deren Lichtstrom in demselben Bereich von Stromstärken gemäss einem anderen Gesetz verläufte

Eine elektrolumines zier ende Quelle mit einem Li₁ cht strom, der der Leistung η der Stärke des injizierten Stromes nahezu

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proportional ist, ist die Lichtquelle einer Halbleiterdiode, die eine Infrarotstrahlung emittiert und deren emittierende Oberfläche mit einer photolumineszierenden Schicht zur Umwandlung von Wellenlängen überzogen ist. Derartige ürawandlungstiberzüge sind in dem Gebiet der Optoelektronik bekannt. Einige dieser Ueberzüge beziehen sich auf eine sequentielle Uebergangserscheinung mit zwei Photonen und ihr Lichtstrom ändert sich nahezu mit dem Quadrat des auffallenden Lichtstroms; andere dieser Ueberzüge beziehen sich auf* eine sequentielle Uebergangserscheinung mit drei Photonen und ihr Lichtstrom ändert sich nahezu mit der dritten Potenz des auffallenden Lichtstroms. Diese Quellen sind z.B. Dioden aus Galliumarsenid, das derart behandelt ist, dass es Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von 0,97/um emittiert, welche Dioden üiit einem transparenten Kunststoff überzogen sind, i;n den Körner photolumineszierenden Materials, wie Natrium-Yttriumfluorid (NaYFj ), das mit Ytterbium und Erbium dotiert ist und eine grüne Strahlung emittiert, eingebettet sind.

Nach einer weiteren Abwandlung enthält die Anordnung mindestens zwei elektrolumineszierende elementare Quellen verschiedener Farbe, von denen die erste aus einem Halbleitermaterial mit einer hohen Konzentration an Verunreinigungen hergestellt ist, in dem ein Strom geringer Stärke nur Rekombinationen herbeiführt, die keine Strahlung emittieren, während die zweite Quelle aus einem Halbleitermaterial mit einer niedrigeren Konzentration an Verunreinigungen hergestellt ist, dessen verbotene Bandbreite kleiner= als die des Materials der

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ersten Quelle ist und das für starke Ströme einen geringen Wirkungsgrad aufweist, aber in dem ein Strom geringer Stärke Strahlungsrekombinationen herbeiführt«

Ein Beispiel einer elektrolumineszierenden Quelle vom Typ der ersten obengenannten Quelle besteht aus einer Diode mit einem pn-Uebergang, die aus einer IlX-V-Verbindung, wie Gallium- und Indiumphosphid mit einer direkten Band st rule tür, hergestellt ist, die eine gelbliche Strahlung emittiert,

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deren Konzentration an Verunreinigungen grosser als 10 /cm ist und deren Lichtausbeute auf einem niedrigen Injektionspegel sehr niedrig ist„ Ein Beispiel einer elektrolumineszierenden Quelle vom Typ der obengenannten zweiten Quelle besteht aus einer Diode mit einem pn-Uebergang;,. die aus dotiertem Galliumarsenidphosphid hergestellt ist, das eine Strahlung roter Farbe emittiert und eine Konzentration an

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Verunreinigungen von weniger als 10 /cm aufweist_β

Die verschiedenen elementaren Quellen einer Anordnung können verschiedene Formen und/oder verschiedene wirksame Oberflächen aufweisen» Unter den Lichtquellen derselben Farbe und derselben Struktur, die aus demselben Material hergestellt sind, bildet die wirksame Oberfläche einen Parameter, der es ermöglicht, eine Quelle zu definieren, bei der die Kurve des Lichtstroms als Funktion des Stromes die Kurven der* anderen betrachteten Quellen schneidet, wenn "die Diagramme übereinander angeordnet werden,, In allen Fällen,, in denen der Lichtstromj, der von einer Quelle emittiert wird_& dem Strom nicht genau proportional ist, entspricht ein Unterschied

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In der wirksamen Oberfläche einem Unterschied im Lichtstrom, der bei einem gleichen Strom emittiert wird, und also einer· Verschiebung der Kurve des Lichtstromes als Funktion der Stärke des Erregungsstroms.' Venn z.B. eine Diode mit einem elektrolumineszierenden Uebergang mit einer Oberfläche von

0,1 mm aus Galliumphosphid, das eine rote Strahlung emittiert, mit einem Strom von 0,1 A erregt wird, weist eine gleiche Diode mit einer zehnmal grösseren Oberflache, die mit demselben Strom und somit mit einer zehnmal geringeren Stromdichte erregt wird, einen nur zweimal niedrigeren relativen Wirkungsgrad und somit einen Gesamtlichtstrom auf _t der fünfmal grosser ist«

Eine Verschiebung der Kurven wird dabei nötigenfalls mit Hilfe eines SchwHchungsabsorptionsfilters erhalten, mit dem die.Quelle, die einen zu hohen LichtstrQm aufweist, versehen werden kann«

In dem Falle, in dem die Anordnung einen polychromen elementaren Punkt einer Matrix bilden muss, die eine Vielzahl von Punkten umfasst, damit z.B. ein Bildschirm erhalten werden kann, ist es wünschenswert, dass die Helligkeiten der verschiedenen Quellen einer Anordnung vergleichbar· sind und dass die Oberflächen, der verschiedenen Quellen in derselben Grössenordnung liegen und kleiner als das AuflOstingsvermögen des Auges des Beobachters sind₀

Die vorliegende Erfindung kann sur· Herstellung polychromer Wiedergabeanor-dnuiigen, insbesondere von. Lichtsignalen zur Lieferung einer Farbinformation» verwendet werden. Die

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Erfindung wird vorzugsweise zur· Herstellung polychromer Wiedergabemosaike, insbesondere gemäss XY-Richtungen, verwendet werden, was nach, der Erfindung nur einen einzigen· ^! Leiter pro Reihe und pro·Spalte erforderte Wiedergabeschirme können mit Hilfe von Anordnungen nach der Erfindung erhalten werden, die durch Abtastung erregt werden_e

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläuterte Es zeigern ·'

Fig„ 2 einen schematischen Schnitt durch drei in einer polylithischen Anordnung nach der Erfindung nebeneinander angebrachte elektroluraineszierende Quellen₉ und

Fig» 3 einen schematischen Schnitt durch eine Anordnung nach der Erfindung, die zwei übereinander angeordnete elementare Quellen enthält₀

Der schematische Schnitt nach Fig₀ 2 zeigt die drei elementaren Lichtquellen einer Anordnung nach der Erfindung«, die nebeneinander auf einer gemeinsamen Grundplatte h aus Isoliermaterial angebracht sind₀ Es versteht sich_s dass diese drei Quellen möglichst nahe beieinander liegen,, wobei die notwendige Isolierung und die praktischen Herstellungsmöglichkeiten berücksichtigt werden₀ Di© erste Quelle I ist ein© planare elektroluraineszierende Diode, die auf einem Substrat dadurch gebildet wird_p dass epitaktisch eine Schicht 6 und dann eine Schicht 7 vom entgegengesetzten -Leitfähigkeitstyp niedergeschlagen werden? der so gebildete pn~Uebergang emittiert eine Strahlung mit einer Wellenlänge ]\ ^s wenn darin ein Strom über Metallriiederschläge 8 und 9 ₉ auf denen

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die .leitenden Drähte 10 und 11 festgelötet sind, injiziert wird.

Die zweite Quelle II ist ebenfalls eine planare elelctroluraineszierende Diode, die auf einem Substrat 12 dadurch gebildet wird, dass epitaktisch eine Schicht 13 niedergeschlagen wird, in die eine Schicht lh vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp eindiffundiert wird; der so gebildete pn-Uebergang^emittiert eine Strahlung mit einer Wellenlänge Λ„, die von ~h u wesentlich verschieden ist, wenn ein Strom über die Metallniederschläge 15 und 16, auf denen leitende Drähte und 17 festgelötet sind, injiziert wird.

Die dritte Quelle III ist eine elektrolumineszierende Diode, die einen ρη-Uebergang zwischen zwei Gebieten 18 und enthalt, der eine Infrarotstrahlung emittiert, wenn ein .Strom über die Metallixiederschlage 20 und 21 , auf denen die Leiter 23 und 17 festgelötet sind, injiziert wird. Diese Diode ist von einer Umhill3.ung 22 aus transparentern Kunststoff umgeben, in den ein photοlumineszierendes. Material eingebettet ist, das eine sichtbare Strahlung· mit einer Wellenlänge ^V, die wesentlich von 7> ^ und Tl- verschieden ist, durch Absorption von Infrarotstrahlung emittiert, die von der Diode 18-19 emittiert wird.

Die Verbindungen zwischen den Dioden 11 und 17 sind derartig, dass die drei beschriebenen elementaren Quellen in Reihe angeordnet sind und alle drei in der Durchlassrichtung betrieben werden, wenn der Leiter 10 mit der negativen Klemme einer Speisequelle und der Leiter 23 mit der positiven Klemme dieser- Quelle verbunden wird.

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Der von dieser Speisequelle gelieferte Strom ist einstellbar.

Die Quelle I emittiert z.B. eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 0,69/UJH und weist einer. Licht strom auf, der sich mit der Stärke des injizierten Stromes gemäss der Kurve des Diagramms nach Fig. 1 ändert. Die Quelle II emittiert eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 0,58 /um und ihr Lichtstrom ändert sich mit der Stärke des injizierten Stromes nach Fig. 2 des in Fig. 1 gezeigten Diagramms. Die Quelle III emittiert eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 0,47/um und ihr Lichtstrom ändert sich mit der Stärke des injizierten Stromes nach der Kurve 3 des Diagramms in Fig. 1, Wenn durch die Leiter 10 und 23 ein Strom mit einer Stärke I. über die drei Quellen der Anordnung geschickt wird, ist der von der Quelle I emittierte Lichtstrom wesentlich grosser als die von den Quellen II und III emittierten Lichtströme und die Anordnung gibt di*e rote Farbe wieder. Für einen Strom mit einer Stärke I_, ist die gelbe Farbe der Quelle II vorherrschend,

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wobei die von den Quellen I und III emittierten Ströme wesentlich kleiner sind. Bei einem Strom mit einer Stärke !„ist die grüne Farbe der Quelle III vorherrschend.

Um den Eindruck, den die Anordnung nach Fig. 2 auf das Auge eines Beobachters macht, auf denselben Pegel zu bringen, der von verschiedenen Strömen mit Stärken I., I oder I„

A Ja Lr

erregt wird, wird diese Erregung mit Hilfe von Impulsen erhalten, die sich mit einer die Flimmerfrequenz überschreitenden Frequenz wiederholen, wobei die Dauer der Impulse dem Wert des

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-IS- h.12,73.

emittierten-Lichtstrons umgekehrt proportional isti

Der schematische Schnitt nach Fig. 3 zeigt eine Anordnung mit z-wei übereinander angebrachten Quellen. Die erste Quelle besteht aus einer Diode mit pn-Uebergang k2, die ein p-leitendes Gebiet 31 und ein η-leitendes Gebiet 32 enthält, aus Metallablagerungen. 33 und 3^» wobei die Ablagerung ein transparentes Gitter bildet, sowie aus einer Verbindung 35· Diese erste Quelle wird auf einer zweiten Lichtquelle festgelötet, die aus einer Diode mit pn-Uebergang "}Q besteht, die ein p-leitendes Gebiet 36 und ein η-leitendes Gebiet 37 enthält, wobei der Uebergang 38 eine Infrarotstrahlung emittiert, die über eine Glocke 39 aus photolumineszierendem Material in. sichtbare Strahlung umgewandelt wird. Die zweite Quelle ist auf einem Trüger ho befestigt, der mit einem leitenden Material hl überzogen ist. Die Schicht '+1 ist mit. einer positiven Klemme einer Stromspeisequelle verbunden, während der Verbindungsleiter 35 ^an die negative Klemme dieser. Quelle angeschlossen ist. Der Uebergang 42 emittiert z.B. eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 0,97/um und das Leuchtm" terial 39 emittiert eine Strahlung mit einer Wellenlänge von z.B» 0,47/un. Wenn der von der Speisequelle gelieferte Strom eine StKrlce Il hat, ist der von der Glocke 39 emittierte Licht strom vernaclilässigbar, während der von dem Uebergang 42 eniittisrte Licritstrora nur über die Glocke 39 sichtbar ist, die für die emittierte Strahlung durchlässig ist. Die Lichtausbeute der Glocke 39 nimmt mit dem Quadrat der Stärke des von dem Uebergang 38 emittierten Lichtstroms zu. Die Lichtausbeute des Uebergangs

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niniwit mit der Stärke des darin injizierten Stroms wegen einer Sättigungserscheinung der Strahlungsrelcombinationszentren ab. Bei einem Strom mit einer StSrke 1^» die höher als I. ist, ist der von der Glocke 39 emittierte Lichtstrom vorherrschend. Zwischen den beiden Werten I^ und I_e kenn jedes gewünschte Verhältnis des Lichtstroms irgendeiner Quelle erhalten werden, während weiter in jedem gewünschten Verhältnis ausser den von jeder dieser Quellen emittierten Feirben die sich aus der Zusammenfügung dieser beiden Farben ergebenden Farben erhalten· werden.

Ein Beispiel der Herstellung der erfindungsgemSssen Anordmmg, deren Licht quell en Lichtströme gemliss den Kurven nach Fig. 1 aufweisen, wird nachstehend beschrieben. »

Die erste Quelle besteht aus einer Diode aus mit Zink und Sauerstoff .dotiertem Galliumphosphid, die durch' Flüssig- "' keitsepitaxie unter Verwendung der üblichen Techniken erhalten ist. Die emittierte Oberfläche dieser Diode ist z.B. gleich

0,1 min . Der emittierte Licht strom bei 0,69 /ua beträgt dann 9 Millil-uiuen. bei einem Strom von 20 mA, 15 Millilunien bei einem Strom von 100. mA und 20 Hillilumen bei einem Strom von 700 niA.

Die zweite Quelle besteht aus einer Diode aus Galliumars enidphosphid (GaAs., P,, wobei χ zwischen 0,80 und 0,85 liegt), die durch Epitaxie unter Verwendung dar üblichen Techniken erhalten und mit Stickstoff dotiert ist. D±e emittierte Oberfläche dieser Diode ist fünf- bin zwanzigir.äl grosser als die der ersten '"vielIe und ist vorzugsweise gleich 1 rara .

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Der -emittierte Lichtstrom bei 0,58 /um "betrSgt dann 2 liillilunie bei einem Strom von 20 niA, 30 Millilumen bei einen Strom von 100 mA und 120 Mi Hi lumen bei einem Strom von 700 mA.

Die dritte Quelle besteht aus einer Diode aus mit Silicium dotiertem Galliumarsenid, die eine Strahlung bei O,97/^um emittiert und mit einem Epoxydharz überzogen ist, in das Körner aus Natriiun-Yttrirunfluorid (NaYF. ), das mit Ytterbium lind Erbium dotiert ist, eingebettet sind. Die emittierende Oberfläche dieser Quelle ist zwei- bis zehnmal grosser

ρ als die der ersten Quelle und vorzugsweise gleich 0,5 mm".

Der bei 0,5^y""¹ emittierte Licht strom beträgt dann 0,1 Millilumen bei einem Strom von 20 mA, 10 Millilumen bei 1OO mA und 800 Millilumen bei 700 mA.

Zur Wiedergabe der roten Farbe wird ein Strom von 20 mA kontinuierlich in die Anordnung injiziert. Der Lichtstrom der ersten Quelle ist vorherrschend.

Zur Wiedergabe der gelben Farbe wird ein Strom von 100 mA in die Anordnung durch Impulse von 0,3 msec mit einer Frequenz von 1000 Hz injiziert. Der Lichtstrom der zweiten Quelle ist vorherrschend und, wenn die von den drei Quellen herrührenden Lichtstrahlen für das Auge des Beobachters vermischt werden können, fügen sich zu diesem Lichtstrom gegebenenfalls die Lichtströme der ersten und der dritten Quelle, deren Mischung einen gelben Eindruck gibt.

Zur Wiedergabe der grünen Farbe wird ein Strom von 700 πιΛ in die Anordnung injiziert. Der Lichtstrom der dritten ^rittelle ist vorherrschend. Der Strom wird durch Impulse von 0,01 rri5;ec mit einer Frequenz von 1000 Hz.injiziert,

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Claims

PPfIN. 0813. - 21 - **.12,73.

ΡΛΤΕΝΤΛNSrRUECHE:

C 1.) Elektrolumineszierende Anordnung, die durch, mehrere miteinander verbundene elementare Lichtquellen gebildet wird, die gleichzeitig erregt werden und von denen mindestens zwei elektrolumineszierende Strahlungen verschiedener Wellenlänge emittieren, dadurch gekennzeichnet, dass der von einer ersten Quelle, die eine Strahlung einer ersten Farbe liefert, emittierte Lichtstrom grosser als der einer zweiten Quelle der Anordnung ist, wenn ein gleicher Strom mit einer Stärke I₁ in jede dieser Quellen injiziert wird, und dass der von der zweiten Quelle, die eine Strahlung einer anderen Farbe liefert, emittierte Lichtstrom grosser als der der ersten Quelle der Anordnung ist, wenn ein gleicher Strom mit einer Stärke Ip, die von I- verschieden ist, in jede dieser Quellen injiziert wird, während die Lichtquellen der Anordnung in Reihe geschaltet sind.

2. Elektrolumineszierende Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens eine Lichtquelle einer ersten Farbe, deren Lichtstrom auf einen mindestens für einen Bereich von Stromstärken des injizierten Stromes . nahezu konstanten Wert beschränkt ist, und mindestens eine Lichtquelle einer anderen Farbe enthält, deren Lichtstrom sich in demselben Bereich von Stromstärken des injizierten Stromes ändert.

3. Elektrolumineszierende Anordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens eine Lichtquelle einer ersten Farbe, deren Licht strom mindestens

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für einen Dereich von StromstUrken des injizierten Stromes dieser Stärke nahezu proportional ist, und mindestens eine Quelle einer anderen Farbe enthält, deren Licht strom für denselben Bereich von Stromstärken gemäss einem anderen Gesetz ^erläuft,

h, Elektrolumineszierende Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens eine Lichtquelle einer ersten Farbe, deren Licht strom mindestens für einen Bereich von Stromstärken des injizierten Stromes einer Potenz η der Stromstärke nahezu proportional ist_t wobei η y- 1 ist, und mindestens eine Quelle einer anderen Farbe enthält, deren Lichtstrom für denselben Bereich, von Stromstärken gemä8s einem anderen Gesetz verläuft, 5. Elektrolumineszierende Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens zwei Lichtquellen verschiedener Farbe enthält, von denen eine aus einem Halbleitermaterial mit einer hohen Konzentration an Verunreinigungen und die andere aus einem Halbleitermaterial mit einer niedrigeren Konzentration an Verunreinigungen mit einer kleineren verbotenen Bandbreite und einem niedrigeren Wirkungsgrad auf einem höheren Stromstärkepegel hergestellt ist, 6» Elektrolumineszierende Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5t dadurch gekennzeichnet, dass der von der Quelle, die eine Strahlung einer ersten Farbe liefert, emittierte Lichtstrom mindestens bei einem Wert der Stromstärke des injizierten Stromes grosser als das Zehnfache des Lichtstromes ist,der von Quellen emittiert wird, die eine Strahlung einer anderen Farbe liefern,

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7. Elektrolumineszierende Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Lichtquellen nebeneinander und möglichst nahe beieinander angeordnet werden.

8. Elelctro lumine s zi erend e Anordnung nach einem, der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Lichtquellen übereinander angeordnet werden, derart, dass die Wellenlänge der jeweils von ihnen emittierten Strahlung abnimmt, wobei jede Quelle wenigstens teilweise für die Strahlung durchlässig ist, die von der Quelle emittiert wird, auf der sie angeordnet ist.

9· Elektrolumineszierende Anordnung nach Anspruch 7f dadurch gekennzeichnet, dass sie ein optisches System zur

Ueberlagerung von Lichtstrahlen enthält, die von den verschiedenen Lichtquellen emittiert werden.

10« Elektrolumineszierende Anordnung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Quellen mit einer Glocke abgedeckt werden,

11. Elektrolumineszierende Anordnung nach einem der Ansprüche h bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens eine Diode mit pn-Uebergang, die aus einem in dem sichtbaren Spektrum emittierenden Material hergestellt ist, und mindestens eine Diode mit pn—Uebergang enthält, die aus Galliumarsenid hergestellt ist, das eine Infrarotstrahlung emittiert, welche Diode mit einem mehrstufigen photoluinineszierenden Material überzogen ist und in dem sichtbaren Spektrum emittiert«

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12, Elektrolumineszierende Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Diode, die eine Strahlung mit einer vorherrschenden roten Farbe bei einem ersten Wert der Stärke des injizierten Stromes emittiert, mindestens eine Diode, die eine Strahlung einer vorherrschenden gelben Farbe bei einem zweiten Wert der Stromstärke des injizierten Stromes emittiert, und mindestens eine Lichtquelle enthält, die eine Strahlung mit einer vorherrschenden grünen Farbe bei einem dritten Wert der Stromstärke des injizierten Stromes emittiert,

13· Elektrolumineszierende Anordnung na'ch einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Diode, die eine Strahlung einer vorherrschenden roten Farbe bei einem ersten Wert der Stromstärke des injizierten Stromes emittiert, mindestens eine Lichtquelle, die eine Strahlung einer vorherrschenden gelben Farbe bei einem zweiten Wert der Stromstärke des injizierten Stromes emittiert, rind mindestens eine Lichtquelle enthält, die eine Strahlung mit einer vorherrschenden blauen Farbe bei einem dritten Wert der Stromstärke des injizierten Stromes emittiert.

14, Elektrolumineszierende Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 13s dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens eine Diode mit pn-Uebergang aus mit Zink und Sauerstoff dotiertem Galliumphosphid, die eine Strahlung roter Farbe emittiert, und mindestens eine Lichtquelle enthält,, die eine Strahlung einer anderen Farbe emittiert und deren Liehtstrom·

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sich mit der Stärke des Stromes ändert, wobei die genannte Diode gesättigt ist.

15· Elektrolumineszierende Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet _B dass sie mindestens eine Diode mit pn-Uebergang aus einem Halbleitermaterial mit direkter Bandstruktur, das aus der durch Galliumarsenidphosphid, Galliumaluminiumarsenid₉ Galliumindiumphosphid₉ Indiumaluminiumphösphid und Galliumnitrid gebildeten Grupp© gewählt ist, und mindestens eine Lichtquelle enthält ₉ die eine Strahlung einer anderen Farbe emittiert und deren Lichtstrom sich mit der Stärke des Stromes ändert, der sie gemäss einem anderen Gesetz als das der genannten Diode in einem -gleichen Bereich von Stromstärken verhalte 16o Elektrolumineszierende Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis i4₉ dadurch gekennzeichnet_s dass diese mindestens eine Diode mit pn~Uebergaxig aus mit Stickstoff dotiertem ' Galliumphosphid,,die eine Strahlung grünes» Farbe emittiert, und mindestens eine Lichtquell® enthält₉ die eine Strahlung , einer anderen Farbe emittiert und deren Lichtstrom sich mit der Stärke des Stromes ändert,, aber¹ gemäss einem anderen Gesetz als die genannte Diode in demselben Bereich von Strom= stärken_o

17o Elektrolumineszierende Anordnung naeh einem d©r Ansprüche 11 bis 16„ dadurch gekennzeichnet₉ dass si© raindes» tens eine Diod© mit pn=Uebergang aus salt Silicium dotiertem Galliumarsenid₀ die ein© Strahlung von Q₀S^iVm emxttiort und mit einem Epoxydharz überzogen ist _g sLs das KSsmeE³ aus

■. FPHK^T.6813.

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Natrium-Yttr'iumfluorid (NaYF^), das mit Ytterbium und Erbium dotiert ist, eingebettet sind, und mindestens eine Diode mit pn-Uebergang enthält, die eine sichtbare Strahlung einer anderen Farbe emittiert,

18. Elektroliunineszierende Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 12 und 15 bis 17» dadurch gekennzeichnet,

dass sie mindestens eine Diode mit pn-Uebergang ans Xndium- -*»

oder Galliumphosphid mit einer Konzentration .an Yenmreini-

■ ■ ι /C *i
gungen von mehr als 10 /cm , die eine Strahlung gelber Farbe emittiert, und mindestens eine Diode mit pn-TJeb er gasig aus Galliumarsenidphosphid mit einer· Konzentration an Vesnanreinigungen von mehr als 10 /cm enthält_s die eine Strahlung roter Farbe emittiert»

19· Elektrolumxxieszxerende Anordnung nach den. Ansprüchen 12, 14 und 17» dadurch gekennzeichnet, dass sie nebeneinander eine Diode aus mit Zink und Sauerstoff dotiertem Galliumphosphid, eine Diode aus Galliumarsenidphosphid (GaAs₁ ,P^- ₉ wobei χ zwischen 0,80 und 0,85 liegt), das mit Stickstoff dotiert ist, wobei die emittierende Oberfläche dieser Diode fünf- bis zwanzigmal grosser als die der Diode aus Galliumphosphid ist, und eine Diode aus mit Silicium dotiertem Galliumarsenid enthält, das mit einem Epoxydharz überzogen ist _ΰ lsi das Körner aus Natrium-Yttriumf luorid, das mit Ytterbi-uja vs&d. Es'lsx-aa dotiert ist_s eingebettet sindj woboi di© emittierend© O fläche der letzteren. Diode swsi=· bis s©3assial grössss" als die der Diode aus Gallii^ßpliospliid ±§t_o '

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20. Verfahren zur Erzielung einer polychromen Wiedergabe mit Hilfe einer elektrolumineszierenden Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18₉ die verschiedene miteinander yer~ , bundene elementare Lichtquellen enthält₉ von denen mindestens zwei Strahlungen verschiedener Wellenläng© emittieren, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Lichtquellen mit Stromimpulsen verschiedener Stärke und regelbarer Dauer gespeist werden, wobei die genannte Dauer für jede Stärke dem emittierten Lichtstrom umgekehrt proportional ist« 21 _Φ Verfahren zur Erzielung einer polychromen Wiedergabe nach Anspruch 2O₉ dadurch gekennzeichnet ₉ dass die Stromimpulse eine die Flimmerfrequenz überschreitende Frequenz und ein Zyklusverhältnis aufweisen,, das dem emittierten Lientstrom umgekehrt proportional ist₀

22ο Verfahren zur Erzielung einer polychromen Wiedergäbe nach einem der Ansprüche 20 und 21, dadurch gekennzeichnet _s dass eine Farbe wiedergegeben wirdj, die sich aus der additiven Mischung anderer Farben ergibt „ dadurch;, dass in die Anordnung ein Strom injiziert wird_s dessen Stärke einen Wert aufweist₉ der zwischen den Werten der Stromstärken liegt_s für di© diese anderen Farben vorherrschend sindo

23 ο Verfahren zur Erzielung einer polychromen Wiedergab© nach einem der Ansprüche 20.und 21₉ dadurch gekennzeichnet₉ dass eine Farbe wiedergegeben wird_D die sich aus der additiven Mischung anderer Farben ergibt₉ dadurch^ dass in der· Anordnung Impulse verschiedener Stärke ausgesandt xirerden₀ die j θ ein·© bestimmte Farbe vorherrschend machen, wobei diese Impulse

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in einer Zeitdauer aufeinander folgen, die kürzer als die Dauer des "Nacheilens" der Lichteindrücke ist, und wobei die relative Dauer dieser verschiedenen Impulse eine Funktion des emittierten Lichtstroms in jeder vorherrschenden Farbe und der Zusammensetzung des gewünschten additiven Gemisches ist. 2k, Verfahren zur Erzielung einer polychromen Wiedergabe nach Anspruch 21 mit Hilfe einer elektrolumineszierenden Anordnung nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, dass, während die Diode aus Galliumphosphid eine emittierende

2
Oberfläche von 0,1 mm aufweist, die Diode aus Galliumarsenid-

phosphid eine emittierende Oberfläche von T mm und die Diode, die mit geladenem Harz überzogen ist, eine emittierende

2
Oberfläche von 0,5 mm aufweist, wobei ein Strom von 20 mA kontinuierlich zur Wiedergabe einer roten Farbe, ein Strom von 100 mA durch Impulse von 0,3 msec mit einer Frequenz von 1000 Hz zur Wiedergabe einer gelben Farbe und ein Strom von 700 mA durch Impulse von 0,1 mse.c mit einer Frequenz von 1000 Hz zur Wiedergabe einer grünen Farbe injiziert wird.

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