Оптоэлектроника - Карих Е.Д.
Скачать (прямая ссылка):
Различают два вида электролюминесценции твердых тел: инжекци-онную и предпробойную.
Предпробойная электролюминесценция. Это явление наблюдается в кристаллофосфорах - полупроводниках с широкой запрещенной зоной, в которые вводятся примеси (активаторы), играющие роль центров излучения. В качестве основного материала обычно используются сульфид (ZnS) и селенид цинка (ZnSe). В качестве активатора используются медь (Cu), марганец (Mn), серебро (Ag), золото (Au), ртуть (Hg), тербий (Tb), эрбий (Ег), тулий (Tm) и др. Кроме активаторов, в ZnS вводятся соактиваторы, которые сами не вызывают свечения, но влияют на действие активатора. Это алюминий (Al), хлор (Cl) и др. Существуют примеси, наличие которых в ZnS нежелательно, т. к. они формируют центры, через которые носители заряда рекомбинируют бе-зызлучательно - это железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni) и др.
Рассмотрим процессы, происходящие в тонкой пленке люминофора. На рис. 4.1 показана зонная диаграмма структуры, состоящей из слоя полупроводника между двумя диэлектриками, помещенной во внешнее электрическое поле. Полярность приложенного напряжения отрицательна на левой стороне пленки. Электроны с поверхностных уровней на левой границе пленки попадают в полупроводник, где ускоряются полем. Накопив энергию, электрон отдает ее другому электрону, вызывая внут-рицентровый переход (процессы 1 и 4), ионизируя центр свечения (переходы 2 и 6) или атом основного вещества (переходы 3 и 7). Образо-
Рис. 4.1. Зонная диаграмма и переходы электронов в изолированном зерне или пленке люминофора, находящихся между двумя ди-
электрическими слоями.
22
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
вавшиеся свободные электроны скапливаются у правой границы пленки, а дырки - у левой. После изменения полярности напряжения носители возвращаются в объем пленки, при этом электроны захватываются центрами свечения (переход 8) или рекомбинируют с дырками в валентной зоне (переход обратный 7), вызывая свечение пленки. Одновременно у правой границы пленки происходят описанные выше процессы ионизации. Когда поле вновь изменит полярность, рекомбинация будет происходить у правой границы пленки, а ионизация - у левой. Таким образом, за один период напряжения формируются два всплеска интенсивности излучения, называемые волнами яркости, т. е. при частоте возбуждающего напряжения f свет будет пульсировать с частотой 2f
Спектр излучения определяется составом люминофора, типом активатора и соактиватора. В ZnS удается получить излучение в диапазоне от 450 нм (синее свечение) до 600 нм (оранжевое свечение). Изменение содержания меди позволяет варьировать цвет от синего до зеленого. Введение марганца позволяет получать желтое и желто-оранжевое свечение. При легировании ZnS тулием получают голубое свечение, тербием - зеленое, эрбием - красное, празеодимом - белое.
ln( BjB')
Рис. 4.2. Вольт-яркостные характеристики пленочных (7) и порошковых (2) электролю-минесцентных излучателей
Вольт-яркостные характеристики пленочных люминофоров имеют большую крутизну и ярко выраженное пороговое напряжение зажигания (рис. 4.2). В люминофорах на основе ZnS:Mn наблюдается гистерезис в области максимальной крутизны характеристики. Наличие петли означает, что подобная структура способна к запоминанию информации.
В электрическом отношении подобная структура представляет собой конденсатор. Поэтому излучатели, работающие на переменном напряжении, называют электролюминесцентными конденсаторами. Типичное напряжение питания 50 - 300 В, рабочая частота 400 - 800 Гц.
Области применения электролюминесцентных излучателей - знакосинтезирующие индикаторы, световые шкалы, экраны, табло, многоцветные мнемосхемы, усилители и преобразователи изображения и т. д.
23
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Инжекционная люминесценция в полупроводниках. Инжекци-онная люминесценция - это свечение тонкого слоя полупроводника вблизи p-w-перехода, включенного в прямом направлении. В ее основе лежат инжекция неосновных носителей заряда через p-и-переход и последующая их рекомбинация с основными носителями заряда.
а
б
«
Р
e(Uc - U)
AE
* !
¦i—¦.
F'Л !
1 h \
\FP
¦E
c0
E
v 0
Lh 0 Le
X
Рис. 4.3. Зонные диаграммы p-«-перехода в состоянии термодинамического равновесия (а) и при прямом смещении (б)
В равновесных условиях электроны и дырки не могут рекомбинировать друг с другом, так как они пространственно разделены энергетическим барьером высотой eUc, где e - заряд электрона, Uc - контактная разность потенциалов. При включении p-«-перехода в прямом направлении полярность напряжения обратна полярности Uc. При этом высота барьера снижается до величины e(Uc - U) (рис. 4.3). Если e(Uc - U) < kT, то энергии теплового движения оказывается достаточно для проникновения электронов в p-область структуры, а дырок в «область. Итак, в основе инжекции лежит тепловая диффузия электронов и дырок при снижении потенциального барьера на p-и-переходе.
Область полупроводника, где происходит основная часть актов рекомбинации, называется активной областью. Ее границы определяются диффузионными длинами носителей заряда Le и Lh, а ширина обычно
