CN100559441C - 用于在光检测状态中驱动有机二极管的电气设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括至少一个有机二极管的电气设备，其中所述电气设备包括用于至少在光检测状态中驱动所述有机二极管的驱动装置，以及用于在所述光检测状态中驱动所述有机二极管之前施加一个或多个电脉冲给所述有机二极管的前脉冲装置。已观察到正的电前脉冲改善有机二极管的光灵敏度，而发现负的前脉冲减少有机二极管处于光检测状态中以便准确测量或检测入射光的时间。

Description

用于在光检测状态中驱动有机二极管的电气设备和方法
技术领域
本发明涉及包括至少一个有机二极管的电气设备，其中所述电气设备包括用于至少在光检测状态中驱动所述有机二极管的驱动装置。
背景技术
有机电致发光显示器和设备是最近才发现的技术，其基于某些有机材料诸如某些聚合物可以用作发光二极管中的半导体的实现。由于有机材料的使用使得这些设备轻型、柔韧和制造便宜的事实，所以这些设备非常有前途。
近来，还发现在发光设备中应用的这样的有机材料可以用于测量或检测入射光。US 5504323公开了一种对偶函数(dual function)发光二极管。当该二极管的有机聚合物层被正偏置时，该二极管起着光发射器的作用，而当该层被负偏置时，该二极管起着光电二极管的作用。优选的是利用相当高的反向偏压将该二极管偏置在光电二极管模式中，这是因为该层的光敏度随着反向偏置电压而增加。
与现有技术相关的问题是：有机二极管的光电二极管模式或光检测状态不是最佳的。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有有机二极管的电气设备，在光检测状态中具有改进的性能。
通过提供一种电气设备来实现这个目的，该电气设备包括至少一个有机二极管(3)，其中所述电气设备被安排为交替地在光发射状态(E)和所述光检测状态(S)中驱动所述至少一个有机二极管，所述电气设备包括：驱动装置(8)，用于至少在光检测状态(S)中驱动所述有机二极管；前脉冲装置(10)，用于在所述光检测状态中驱动所述有机二极管之前施加一个或多个电脉冲(Vpre)给所述有机二极管。
其中该电气设备包括前脉冲装置，用于在所述光检测状态中驱动所述有机二极管之前将一个或多个电脉冲施加到所述有机二极管。
已观察到：通过在光检测状态中驱动有机二极管之前施加电脉冲(在下文中，也称为前脉冲)，显著增加有机二极管在光检测状态中的性能。相信：这些电脉冲影响用于电荷载流子的俘获状态的占有，其结果是能影响性能。已观察到：正的电前脉冲改善有机二极管的光灵敏度或感光反应，而发现负的前脉冲减少有机二极管处于光检测状态中以便准确测量或检测入射光的时间。优选地，正的前脉冲是电压脉冲，其具有的值大约是或稍高于有机二极管的内建电压(built-involtage)的值。该内建电压是这样的电压，在这个电压上在有机层内的电场由于施加的电压而正好是0V/m。在高于内建电压的值上，正向电流通过二极管的有机材料，而对于较小的和负的值，仅存在小的反向电流。
在本发明的一个实施例中，前脉冲装置适用于施加正的和随后负的前脉冲到有机二极管。在这样的实施例中，能够改进光灵敏度以及达到光敏感状态所需的时间。
在本发明的一个实施例中，该电气设备是对偶函数设备，其中该电气设备被安排为交替地在光发射状态和所述光检测状态中驱动所述至少一个有机二极管。接收前脉冲的一个或多个有机二极管优选地是显示器的一部分。这些交替状态可以具有各自的大约0-20ms(微秒)的持续时间，从而使之有可能将该方法集成在具有显示器的电气设备中，而没有人眼可察觉到的这些状态之间的差别。对偶函数设备可以利用各种方式来应用，例如，如在当前申请人的未预先公开的专利申请EP 01205043中所描述的。
-在本发明的一个实施例中，该电气设备被安排为利用电压在所述光检测状态中驱动所述有机二极管，所述电压具有实质上为0伏特的值。这样的用于光检测状态的驱动信号是有利的，它消除或显著减少通过有机二极管的泄漏电流的发生，从而允许由入射光引起的光电流的更可靠测量。
本发明还涉及用于交替地在光发射状态(E)和光检测状态中驱动有机二极管的方法，所述方法包括以下步骤：
-在光发射状态(E)中驱动所述有机二极管(3)；
-施加一个或多个电脉冲到所述有机二极管，以使所述二极管对光检测状态作好准备；
-在所述光检测状态中驱动所述有机二极管。
已观察到，这些电脉冲改进有机二极管在光检测状态中的性能。
优选地，电脉冲是正电压，所述电压具有的值接近所述有机二极管的内建电压的值，而由于上述原因，该有机二极管优选地利用具有实际上0伏特值的电压来驱动。
附图说明
将参考附图进一步说明本发明，这些附图显示了本发明的优选实施例。将理解，根据本发明的设备和方法并不以任何方式被限制到这个特定的和优选的实施例。
图1显示根据本发明一个实施例的电气设备；
图2显示在光发射状态中的有机二极管；
图3显示在光检测状态中的有机二极管；
图4示意地显示在光发射状态和光检测状态的交替方式中对于光发射状态和光检测状态的有机二极管的特性；
图5A和5B显示在施加正的前脉冲时有机二极管的光灵敏度的实验特性；
图6显示在施加负的前脉冲时有机二极管的时间响应的实验特性；
图7A和7B显示在施加正的前脉冲以及随后负的前脉冲时有机二极管的光灵敏度的实验特性；
图8显示在图1所示的电气设备中应用本发明的驱动和检测电路的实施例。
具体实施方式
图1显示了包括显示器2的电气设备1，该显示器2具有一个或多个有机二极管。这样的电气设备例如是监测器或手持设备，诸如移动电话或个人数字助理(PDA)。电气设备1可以是对偶函数电气设备1，其中一个或多个有机二极管能在光发射状态E中发光并在光检测状态S中测量或检测入射光。可以在显示器2上显示像素的无源或有源的矩阵排列中实施这些有机二极管。
图2显示在光发射状态E中的对偶函数有机二极管3，例如，聚合物发光二极管(PLED)。这样的有机二极管3包括例如电致发光聚合物材料的有源有机电致发光层4，其被夹在第一电极5和第二电极6之间。已经发现：有机层4的最佳厚度是在60nm(纳米)和90nm之间的间隔中，优选为大约70nm，以获得高效率发射状态。第一电极5可以是所谓的空穴注入层，而第二电极6可以是所谓的电子注入层。此外，二极管3可以包括或可以不包括前基底7，该基底具有稳定二极管3以及使有源光电二极管部分和潜在用户分开的功能。
在光发射状态E中，诸如第一电压V1的第一驱动信号由驱动装置8施加到有机电致发光层4上，其中驱动装置8诸如是电源，借此从所述有机电致发光层4发射出光。
第一和第二电极5，6可以具有不同的工作函数Φ。从而在光发射状态E期间可以实现聚合物层4中最佳的电荷注入，这是因为工作函数是分别从第一和第二电极5、6的表面中除去电子所需的能量的度量。第一电极5具有高的工作函数(Φ1～5.2eV)，并且这个电极5被安排为从具有高结合能的价态(valence state)中除去电子，在这些状态中留下正的空穴。第二电极6具有低的工作函数(Φ2～2.0eV)，并且这些电子松散地结合(bound)在材料中。工作函数差值被安排为大于带隙(即，发射能量加上Stokes(斯托克司)频移)，以便得到最佳注入。工作函数差值因此取决于带隙，并且对于红色近似为2eV，而对于蓝色近似为3.2eV。在本例中，组合具有的工作函数差值近似为3.2eV，这足以确保对于所有颜色的最佳注入。此外，在本发明的实施例中，工作函数差值可以大于3.0eV，以确保对于蓝色材料的最佳注入。第二电极6被安排为在材料的传导状态中注入负充电的电子，其中这些电子也具有低结合能。在正向驱动二极管3(其中第一电极5是正的，而第二电极6是负的)时，空穴和电子相互相向移动，这些电子填充空穴，并且结合能的增加导致光子的释放，即发射光。
当在光发射状态E中驱动二极管3时，需要在任何电流开始流经层4之前施加称为二极管3的内建电压Vbi的某一电压。在已达到这个内建电压Vbi之后，通过层4的电流的电平将快速增加。所述内建电压的值和第一与第二电极的工作函数之间的差值成比例。
图3显示了在光检测状态S中的有机二极管3。在这个状态S中，在有机电致发光层1上施加诸如第二电压V2的第二驱动信号，所述电压由图2的电源8或由单独的驱动装置(未示出)施加，并且入射到层4上的光将引起有机电致发光层4中光电流Is的产生。优选地，第二驱动信号是电压V2＝0V(短路配置)，即，在有机层4上施加0电压。在这个光发射状态S中，现在具有同一电位的两个电极5、6利用绝缘聚合物电致发光层4隔开。然而，在所述层中总是存在小的泄漏通路，如果存在驱动力，则通过这些通路允许少量电荷流动。上述的第一和第二电极之间工作函数的差值使层4内的电子经历第一电极5的高结合能以及第二电极6的低结合能。因此，电子将从第二电极6移动到第一电极5，并且小的张弛电流Ir(仅在短的时间间隔Δt期间存在)流动，直至达到平衡状态。最初，两个电极5、6都是中性的，但由于所述张弛电流Ir，第一电极5变为负充电，而第二电极变为正充电，导致有机层4上的负电场。如上所述，零施加电压V2具有检测状态S所需的关于泄漏电流以及低功耗的优点。在V2＝0V时，电极5、6被设定在同一电压上，因此强制泄漏电流为0，因为在整个有机层4上没有施加外部场。然而，张弛电流Ir引起用于驱动光电流的负的内部电场，在外部光在检测状态中命中该设备时，产生该光电流。在上面的情况中，内部场的尺寸由Eint＝Vbi/tlayer给出，其中Eint是内部场，Vbi是上述的内建电压，而tlayer是有机层4的厚度。对于二极管3上的入射光，在价态中的电子被激励到导电状态，并且负的内部电场破裂了电子-空穴对，将电子拉向第二电极6，而将空穴拉向第一电极5。结果，产生小的可测量的光电流Is。此外，由于内建电压Vbi和第一电极5与第二电极6的两个工作函数Φ1、Φ2之间的差值成比例，所以该内部电场也和工作函数差值成比例，即两个工作函数之间的差值越大，在V2＝0V施加的电压上的内部电场越大。
例如，可以通过测量在测量电路9上的电压降来测量光电流Is，其中测量电路9和所述第一与第二电极5、6之间的电源8串联连接。这样的测量电路9的一个例子包括和放大器并联连接的高欧姆电阻，其中该电阻和放大器都和有机电致发光层4串联连接(参见图8)。此外，由于将要测量的小的光电流，需要高输入阻抗器件(例如CMOS)。测量的光电流Is随后可以被发送到确定设备(未示出)，用于根据入射光确定用于第一驱动信号的适当值。因此，电气设备1可以例如用于根据有关在光检测状态S期间入射光的功率的信息来调节在光发射状态E中由显示器2发射的光。
在图4中，上部的示意特征显示了施加在图2和3中所示的二极管3上的驱动信号V。驱动信号V在用于光发射状态E的V1和用于光检测状态S的V2之间交替，其中优选地V2＝0V。底部特征显示了观察到的通过层4的电流I的示意印象。显然，在去除驱动信号V1之后能立即看到张弛电流Ir。在能做出光电流Is的充分确定之前需要时间Δt。
利用实验方法已发现，有机二极管3在光检测状态S中的性能通过在光检测状态S之前施加电脉冲而能显著提高。注意：对于对偶函数设备，光检测状态S的开始并不一定和光发射状态E的结束相一致，如图7所示。例如，通过仅在光发射状态E的结束之后连接检测电路，这些状态之间可能出现时间间隔(参见图8)。
图5A显示了在恒定照明下对聚合物二极管3施加700μs时间间隔Δtprepos的正电子前脉冲Vprepos。相信：通常对于PLED器件观察到的快速响应时间使得该时间间隔Δtprepos不是决定性的；相信几微秒的值就足够了。由于上述原因，驱动电压V2为0V。
图5B显示了二极管3的光响应PR的幅度。在前脉冲Vprepos达到稍低于内建电压Vbi的值时，导致光灵敏度PR的微小增加。当对于Vprepos施加的值正好等于二极管3的内建电压时，观察到光灵敏度或光响应PR的突然快速增加。然而，聚合物LED设备的内建电压的确切值除了其他因素之外还取决于周围电极5、6的工作函数，如上所述。因此，相信光灵敏度PR的突然增加以与内建电压相同的方式取决于电极5、6以及聚合物组成。在前脉冲Vprepos的较高电压值上，光灵敏度再次下降。
相信仅有某种类型的深电荷俘获(deep charge trap)的占有才是这个激子分解概率增加的原因。这些俘获由进入聚合物层4的最初电荷来填充。通过增加前脉冲幅度的电荷载流子密度的进一步增加没有导致检测信号的任何进一步改进。在光检测阶段S之前，还施加负的前脉冲。这个前脉冲对于在施加正的前脉冲之后的几微秒内测量的光灵敏度的增加没有显著的影响。这还表示深俘获可能涉及由于正前脉冲引起的光电流的增加。
在图4中显示出二极管3在光发射状态E中去除4V驱动信号V1之后在张弛电流Ir不再搞混光电流Is之前需要20微秒的时间Δt。然而，如图6所示，在光发射状态E和光检测状态S之间的0.5ms的Δtpreneg(参见虚曲线)施加-8伏特的负前脉冲Vpreneg时，观察到这个时间减少到低于1微秒的值(参见实曲线)。对于图6的测量，在光检测状态S期间在二极管3上没有入射光散发。在光发射状态E结束之后大约1微秒之后启动或耦合检测电路，该检测电路的一个实施例表示在图8中。此时，发现张弛电流Ir已显著降低(实曲线)。因此，负的前脉冲的施加能将光发射状态E之后准确检测光电流Is所需的时间Δt减少20倍。假定100Hz是用于无源矩阵显示器2(每帧10ms)的合理驱动频率，则状态E和状态S之间20ms等待时间对于对偶函数显示器不允许没有性能的损失，而1ms的等待时间则允许。对于某些应用，诸如光敏感的照明应用，例如具有动态反馈的照明，可能要求光电流Is的精确和快速测量。
图7A显示了其中前脉冲装置产生正的前脉冲Vprepos以及随后负的前脉冲Vpreneg的组合的特性。这个前脉冲的组合应用到图2和3所示的聚合物二极管3。
图7B显示了在应用这样的电脉冲组合时和图5B相比发现保持光灵敏度PR的4倍增加。
因此，正的前脉冲以及随后负的前脉冲的施加导致光响应PR的4倍改进以及光发射状态E和光检测状态S之间为了准确测量光电流Is的等待时间Δt的大大降低。通过应用这个组合，二极管3的先前历史(发光或不发光)对于在施加这个正的和负的前脉冲的组合大约1ms之后的检测活动的结果是不相关的。
相信：是光响应PR改善原因的俘获电荷的特性是这样的，以致于这些电荷并不由于施加负脉冲而被去除，至少只要幅度保持为足够小。负的前脉冲在发射状态E之后在引起张弛电流Ir的浅俘获中去除(许多)电荷载流子，但留下相信是导致光响应改进原因的少量的深俘获电荷是完整的。
最后，在图8中显示了其中组合了测量电路9和用于施加电的前脉冲到二极管3的前脉冲装置10的电路实施例。在光发射状态E中，开关S1被闭合，以便通过经电源8施加驱动信号V1来使二极管3发射光。打开开关S1并且闭合开关S2允许施加负的前脉冲Vpreneg，从而使二极管3准备好用于光检测状态S。通过关闭开关S4将测量电路9耦合来启动光检测状态S，其中利用放大器和电阻R1能够作为利用Vs(＝IsR1)指示的电压来测量光电流Is。对于光电流Is的最佳测量，可以在以前再次关闭和打开开关S3以连接测量电路9，从而通过重置装置11来重置该电路。注意：各种实施例可用于该电路安排，诸如驱动装置8和前脉冲电路10的组合。

Claims (9)

1.一种电气设备(1)，包括至少一个有机二极管(3)，其中所述电气设备被安排为交替地在光发射状态(E)和光检测状态(S)中驱动所述至少一个有机二极管，所述电气设备包括：
-驱动装置(8)，用于至少在光检测状态(S)中驱动所述有机二极管，和
-前脉冲装置(10)，用于在所述光检测状态中驱动所述有机二极管之前施加一个或多个电脉冲给所述有机二极管。
2.根据权利要求1的电气设备，其中所述电脉冲是正的电脉冲(Vprepos)。
3.根据权利要求1的电气设备，其中所述电脉冲是负的电脉冲(Vpreneg)。
4.根据权利要求1的电气设备，其中所述前脉冲装置被安排为在所述光检测状态中驱动所述有机二极管之前施加正的电脉冲和随后负的电脉冲。
5.根据权利要求1的电气设备，其中所述电气设备包括具有一个或多个所述有机二极管的显示器(2)。
6.根据权利要求1的电气设备，其中所述电气设备被安排为在所述光检测状态中利用电压(V2)驱动所述有机二极管，所述电压具有为0伏特的值。
7.一种用于交替地在光发射状态(E)和光检测状态(S)中驱动有机二极管(3)的方法，所述方法包括以下步骤：
-在所述光发射状态(E)中驱动所述有机二极管；
-施加一个或多个电脉冲给所述有机二极管，以使所述二极管为光检测状态(S)作好准备；
-在所述光检测状态(S)中驱动所述有机二极管。
8.根据权利要求7的方法，其中所述电脉冲是正的电压，所述电压具有的值接近所述有机二极管的内建电压的值。
9.根据权利要求7的方法，其中所述有机二极管利用电压(V2)来驱动，所述电压具有为0伏特的值。
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