Длина волны электролюминесценции. Физика инжекции p-n перехода

Люминесценция, возбуждаемая электрическим полем

Анимация

Описание

Электролюминесценция - это люминесценция, возбуждаемая электрическим полем. Наблюдается в газах и твердых телах. При электролюминесценции атомы (молекулы) вещества переходят в возбужденное состояние в результате возникновения в нем какой-либо формы электрического разряда. Из различных типов электролюминесценции твердых тел наиболее важны инжекционная и предпробойная. Инжекционная электролюминесценция характерна для р-n - перехода в некоторых полупроводниках, например в SiС или GaP, в постоянном электрическом поле, включенном в пропускном направлении. В n - область инжектируются избыточные дырки, а в р -область - электроны (или те и другие в тонкий слой между р- и n- областями). Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в р- n слое.

Предпробойная электролюминесценция наблюдается, например, в порошкообразном ZnS, активированном Cu, Al и др. помещенном в диэлектрик между обкладками конденсатора, на который подается переменное напряжение звуковой частоты. При максимальном напряжении на обкладках конденсатора в люминофоре происходят процессы, близкие к электрическому пробою: на краях частичек люминофора концентрируется сильное электрическое поле, которое ускоряет свободные электроны. Эти электроны могут ионизировать атомы; образовавшиеся дырки захватываются центрами люминесценции, на которых рекомбинируют электроны при изменении направления поля.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -3 до -1);

Время существования (log tc от -1 до 9);

Время деградации (log td от -6 до -3);

Время оптимального проявления (log tk от 0 до 6).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Вариант 1:

Реально - обычная сетевая отвертка-пробник, вставляемая в гнездо сетевой розетки для проверки наличия напряжения.

Электролюминесценция в газоиндикаторе

Рис. 1

Обозначения:

3 - люминесцентная трубка произвольной формы;

Вариант 2: Твердотельная реализация в p-n полупроводнике электролюминесценции

Реально - стандартный светодиод, используемый для световой индикации включения в современных электронных бытовых приборах.

Твердотельная реализация в p-n переходе электролюминесценции

Рис. 2

Обозначения:

3 - p-n переход;

4 - поток люминесцирующего излучения;

U - напряжение переменной ЭДС.

Применение эффекта

Инжекционная электролюминесценция была обнаружена О. В. Лосевым в 1923 при изучении кристаллических детекторов на основе карбида кремния. Лежит в основе принципа действия светодиодов и полупроводниковых лазеров. Электролюминесценция - это люминесценция, возбуждаемая электрическим полем. Наблюдается в газах и твердых телах . При электролюминесценции атомы (молекулы) вещества переходят в возбужденное состояние в результате возникновения в нем какой-либо формы электрического разряда. Инжекционная электролюминесценция наблюдается при включении p-n-перехода в прямом направлении. При приложении внешнего напряжения U, понижающего контактную разность потенциалов, в n-область вводятся (инжектируются) избыточные дырки, а в р-область - электроны, или те и другие вводятся в высокоомный тонкий слой между n- и р-областями. Основное значение здесь имеет характер контактов между электродами и светящимся веществом. Инжекционная электролюминесценция, т.е. генерация оптического излучения в р-n-переходе, объединяет два процесса: инжекцию носителей и собственно электролюминесценцию.

Если р - п -переход находится под напряжением, приложенным в прямом направлении, то дырки из р-области и электроны из п-области движутся навстречу друг другу и рекомбинируют с излучением, попадая в область перехода. Например, если концентрация электронов в n-области больше, чем концентрация дырок в p-области, т.е. nn>pp, то происходит инжекция электронов из n-области в p-область .

Инжектированные через p-n переход неосновные носители заряда диффундируют вглубь материала. За счет процессов рекомбинации их концентрация убывает по мере удаления от области объемного заряда.

Рисунок 1. - Инжекция

При постоянной скорости рекомбинации концентрация неосновных носителей заряда будет уменьшаться с расстоянием по экспоненциальному закону. Расстояние, на котором их концентрация уменьшится в е раз, равно диффузионной длине. Эту величину можно принять за глубину, на которую проникают инжектированные носители заряда. Таким образом, глубину проникновения электронов в р-область можно считать равной диффузионной длине Ln в р-материале, а глубину проникновения дырок в n-область - диффузионной длине Lp в n-материале .

Рекомбинирующие электроны переходят с более высоких энергетических уровней зоны проводимости, близких к ее нижней границе, на более низкие уровни, расположенные вблизи верхней границы валентной зоны. При этом выделяется фотон, энергия которого почти равна ширине запрещенной зоны E g .

Германий и кремний не пригодны для светодиодов, так как ширина запрещенной зоны у них слишком маленькая. Для современных светодиодов применяют главным образом фосфид галлия GaP и карбид кремния SiC, а также некоторые тройные соединения, называемые твердыми растворами, состоящие из галлия, алюминия и мышьяка (GaAlAs) или галлия, мышьяка и фосфора (GaAsP) и др. Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получать свечения различных цветов.

Процесс рекомбинации состоит в переходе электронов из зоны проводимости в валентную зону и сопровождается выделением избыточной энергии . Часть этой энергии расходуется на нагревание кристалла, а остальная излучается в виде квантов света.

При включении светодиода в обратном направлении инжекции носителей не будет, ток будет малым, и инжекционной электролюминесценция не будет. Процесс рекомбинации состоит в переходе электронов из зоны проводимости в валентную зону и сопровождается выделением избыточной энергии. Часть этой энергии расходуется на нагревание кристалла, а остальная излучается в виде квантов света .

Рекомбинация может происходить также с участием уровней примеси. При рекомбинации электронов и дырок в этом слое возникает свечение. Цвет свечения при инжекционной электролюминесценции зависит от материала-основы и природы примесей. Широкое распространение получили светодиоды на основе GaP, излучающие в зеленой, желтой и красной областях спектра .

Применение инжекционной электролюминесценции в светоизлучателях

В 1950 году появилось сообщение американских специалистов Пэйна, Магера и Джерома о практическом использовании явления электролюминесценции, выразившемся в создании ими нового источника света - электролюминесцентной лампы. С этого года во многих странах, в том числе и СССР, началось развитие глубоких исследований явлений электролюминесценции и их практического применении в источниках света нового типа и принципиально новых усилителях света, усилителях световых изображений, телевизионных приемных приборах, вычислительных машинах и других устройствах.

Значительная часть работ по инжекционной электролюминесценции посвящена исследованию физики этого явления. Именно благодаря успехам в исследовании механизма люминесценции и природы центров излучательной и безызлучательной рекомбинации удалось разработать технологию получения эффективных светодиодов на основе карбида кремния и фосфида галлия.

Рассмотрим некоторые свойства электролюминесценции важные с точки зрения практического применения. Речь будет идти о частных случаях электролюминесценции - свечении, возникающих в кристаллах при наложении на них больших внешних электрических полей.

Конструкция электролюминесцентного источника света схематично показана на рис.2. Для наглядности толщина слоев сильно и непропорционально увеличена. Мелкокристаллический порошок люминесцирующего вещества распределен здесь в диэлектрике из смолы, образуя тонкий слой между электродами. Один из электродов прозрачен.

В большинстве конструкций опорной деталью является стеклянная пластина, на одной столоне которой создается проводящее прозрачное покрытие из окиси олова или окиси кадмия. Проводящее покрытие может представлять собой также тонкую пленку напыленного золота или же мелкоструктурную сетку из латуни либо фосфористой бронзы. На поверхность проводящего слоя наносится слой диэлектрика, содержащий электролюминофор, чаще всего на основе сульфида цинка. Затем создается второй электрод, обычно в виде тонкого слоя напыленного в вакууме алюминия. Этот электрод служит также для отражения излучаемого света в сторону прозрачного электрода. На краях элемента укрепляются две мягкие металлические прокладки, соединяемые электродами. Изготовление прибора завершается покрытием тыловой стороны слоем диэлектрика, защищающего тонкие слои от механических повреждений и попадания в них влаги и пыли, а также изолирующего их электрически.

Яркость электролюминесцентных источников света в течение первых часов работы возрастает, а затем со временем уменьшается. Они могут сохранять 90% первоначальной яркости после 1000 часов работы и 75% после 4000 часов. Для сравнения заменим, что в люминесцентных лампах световой поток после работы в течение 2000-2500 часов снижается на 30%, а средняя продолжительность горения ламп накаливания составляет всего 1000 часов.

Основные параметры светодиодов следующие:

1. Сила света, измеряемая в канделах (единица силы света, испускаемая стандартным специальным источником) и указываемая для определенного значения прямого тока. У светодиодов сила света обычно составляет единицы –сотни мКд.
2. Яркость, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности (десятки - сотни кандел на см2).
3. Постоянное прямое напряжение (2-3 В).
4. Цвет свечения и длина волны, соответствующие максимальному световому потоку.
5. Максимальный допустимый постоянный прямой ток (десятки мА).
6. Максимальное допустимое постоянное обратное напряжение (единицы В).
7. Диапазон температур окружающей среды, при которых светодиод может нормально работать (например, от –60 до +700С).

Проведя анализ инжекционной электролюминесценции, я выяснила, что электролюминисценция это явление благодаря которому можно получать полупроводниковые излучатели. Электролюминисценция - это свечение, возникающее при возбуждении твердого тела переменным электрическим полем или током. Особенностью этого процесса является отсутствие необходимости нагрева тела, как в случае свечения накаленных тел. В настоящее время данное направление является актуальной темой для исследования .

Министерство высшего образования Украины

Национальный технический университет Украины

«Киевский политехнический институт»

Реферат на тему :

Люминесценция

электролюминесценция

Выполнил: студент ІI-го курса

ПСФ ПМ-91 Милокостый А. А.

Проверил: Никитин А. К.

План:

1. Введение­­­­­­­­__________________________________3

2. Классификация явлений люминесценции_______4

3. Виды люминесценции________________________5

4. Физические характеристики люминесценции___7

5. Кинетика люминесценции____________________7

6. Люминесцирующие вещества__________________9

7. Методы исследования_______________________11

8. Люминофоры________________________________11

9. Список использованной литературы__________14

Введение

Люминесценция - излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела при данной температуре и имеющее длительность, значительно превышающую период световых волн. Первая часть этого определения предложена Э. Видоманом и отделяет люминесценцию от равновесного теплового излучения. Вторая часть - признак длительности - введена С. И. Вавиловым для того, чтобы отделить люминесценцию от других явлений вторичного свечения - отражения и рассеяния светла, а также от вынужденного испуска­ния, тормозного излучения заряженных частиц.

Для возникновения люминесценции требуется, следовательно, какой-либо источник энергии, отличный от равновесной внутренней энергии данного тела, соответствующий его температуре. Для поддержания стационарной люминесценции этот источник должен быть внешним. Нестационарная люминесценция может происходить во время перехода тела в равно­весное состояние после предварительного возбуждения (за­тухание люминесценции). Как следует из самого определения, понятие люминесценции относится не к отдельным излучающим атомам или молекулам, а и к их совокупностям – телам. Элементарные акты возбуждения молекул и испуска­ния света могут быть одинаковыми в случае теплового излучения и люминесценции. Различие состоит лишь в относительном числе тех или иных энергетических переходов. Из определения люминесценции следует, также, что это понятие применимо только к телам имеющим определенную температуру. В случае сильного отклонения от теплового равновесия говорить о температурном равновесии или люминесценции не имеет смысла.

Признак длительности имеет большое практическое значение и дает возможность отличить люминесценцию от других неравновесных процессов. В частности он сыграл важную роль в истории открытия явления Вавилова-Черенкова, позволив установить, что наблюдавшееся свечения нельзя отнести к люминесценции. Вопрос о теоретическом обосновании критерия Вавилова рассматривался Б.И. Степановым и Б. А. Афанасевичем. Согласно им, для классификации вторичного свечения большое значение имеет существование или отсутствие промежуточных процессов между поглощением энергии, возбуждающей люминесценцию, и излучением вторичного свечения (например, переходов между электронными уровнями, изменений колебательной энергии и т.п.). Такие промежуточные процессы характерны для люминесценции (в частности они имеют место при неоптическом возбуждении люминесценции).

Классификация явлений люминесценции

По типу возбуждения различают: ионолюминесценцию, кандолюминесценцию, катодолюминесценцию, радио-люминесценцию,рентгенолюминесценцию,электролюминесценциюфотолюминесценцию,хемилюминесценцию,триболюминесценцию. По длительности люминесценции, разли­чают флуоресценцию, (короткое свечение) и фосфоресценцию (длительное свечение). Теперь эти поня­тия сохранили только условное и качественное значение, т. к. нельзя указать какие-либо границы между ними. Иногда под флуоресценцией понимают спонтанную люминесценцию, а под фосфоресценцией –вынужденную люминесценцию (см. ниже).

Наиболее рациональная классификация явлений люминесценции, основанная на характеристиках механизма элемен­тарных процессов, была впервые предложена Вавиловым, различавшим спонтанные, вынужденные и рекомбинационные процессы люминесценции. В дальнейшем была выделена также резистивная люминесценция.

Виды люминесценции

1) Резонансная люминесценция (чаще называется резонансной флуоресценцией) наблюдается в атомных парах (ртути, натрия и др.) у некоторых простых молекул и, иногда, в более сложных системах. Излучение имеет спонтанный характер и происходит с того же энергетического уровня, которые достигаются при поглощении энергии возбуждающего света. При повышении плотности паров резонансная люминесценция переходит в резонансное рассеяние.

Этот вид свечения по всех случаях не должен относиться к люминесценции и должен называться резонансным рассеянием.

2) Спонтанная люминесценция включает переход (излучательный или, чаще, безызлучательный) на энергетический уровень, с которого происходит излучение. Этот вид люминесценции характерен для сложных моле­кул в парах и растворах, и для примесных центров в твердых телах. Особый случай представляет люминесценция, обусловленная переходами из экситонных состояний.

3) Метастабильная или вынужденная люминесценция характеризуется происходя­щим после поглощения энергии переходом на метастабильный уровень и последующим переходом на уровень излучения в результате сообщения колебательной энергии (за счет внутренней энергии тела) или дополнительного кванта света, например инфракрасного. Пример этого вида люминесценции - фосфоресценция органических веществ, при которой метастабилен нижний триплетный уровень органических молекул. При этом, во многих случаях наблюдается две полосы длительности люминесценции: длинноволновая, соответствующая спонтанному переходу T-S 0 и затем (медленная флюоресценция или β-полоса), и коротковолновая, совпадающая по спектру с флюоресценцией и соответствующая вынужденному переходу T-S 1 и затем спонтанному переходу s 1 -s 0 (фосфоресценция или α-полоса).

4) Рекомбинационная люминесценция происходит в результате воссоединения частиц, разделившихся при поглощении возбуждающей энергии. В газах может происходить рекомбинация радикалов или ионов, в результате которой возникает молекула в возбужден­ном состоянии. Последующий переход в основное состояние может сопровождаться люминесценцией. В твердых кристаллических телах рекомбинационная люминесценция возникает в результате появления неравновесных носителей заряда (электронов или дырок) под действием какого-либо источника энергии. Различают рекомбинационную люминесценцию при переходах «зона – зона» и люминесценцию дефектных или примес­ных центров (т. н. центров люминесценции ). Во всех случаях процесс люминесценции может включать захват носителей на ловушках с их последующим освобождением тепловым или оптическим путем, т. е. включать элементарный процесс, характерный для метастабильной люминесценции. В случае люминесценции центров, рекомбинация состоит в захвате дырок на основной уровень центра и электронов на возбуждённый уровень. Излучение происходит в результате перехода центра из возбуждённого состояния в основное. Рекомбинационная люминесценция наблюдается в кристаллофосфорах и типичных полупроводниках, например германии и кремнии. Независимо от механизма элементарного процесса, ведущего к люминесценции, излучение, в конечном случае, происходит при спонтанном переходе из одного энергетического состояния в другое. Если этот переход разрешённый, то имеет место дипольное излучение. В случае запрещенных переходов излучение может соответствовать как электрическому, так и магнитному диполю, электрическому квадруполю, и т.д.

Физические характеристики люминесценции

Как и всякое излу­чение, люминесценция характеризуется спектром (спектральной плотностью лучистого потока) и состоянием поляризации. Изучение спектров люминесценции и факторов, на них влияющих, составляет часть спектроскопии.

Наряду с этими общими характеристиками, имеют­ся специфичные для люминесценции. Интенсивность люминесценции сама по себе редко представляет интерес. Вместо неё вводится величина отношения излучаемой энергии к поглощаемой, называемая выходом люминесценции . В большинстве случаев выход определяется в стационарных условиях как отношение излучаемой и поглощаемой мощности. В случае фотолюминесценции вводится понятие квантового выхода и рассматривается спектр выхода, т.е. зависимость выхода от частоты возбуждающего света и спектр поляризации – зависимость степени поляризации от частоты возбуждающего света. Кроме того, поляризация люминесценции характеризуется поляризационными диаграммами, вид которых связан с ориентацией и мультипольностью элементарных излучающих и поглощающих систем.

Кинетика люминесценции , в частности вид кривой нарастания после включения возбуждения и кривой затухания люминесценции после его выключения, и зависимость кинетики от различных факторов: температуры, интенсивности воз­буждающего источника и т. п., служат важными ха­рактеристиками люминесценции. Кинетика люминесценции в сильной степени зависит от типа элементарного процесса, хотя и не определяется им однозначно. Затухание спонтанной люминесценции с квантовым выходом, близким к единице, всегда происходит по экспоненциальному закону: I(t)=I 0 exp(-l/τ), где τ характеризует среднее время жизни возбужденного состояния, т. е. равно обратной величине вероятности А спонтанного перехода в единицу времени. Однако, если квантовый выход люминесценции меньше единицы, т. е. люминесценция частично потушена, то экспоненциальный закон затухания сохраняется только в простейшем случае, когда вероятность тушения Q постоянна. В этом случае τ=1/(A+Q), а квантовый выход η=A/(A+Q), где Q- вероятность безызлучательного перехода. Однако часто Q зависит от времени, протекшего от момента возбуждения данной моле­кулы, и тогда закон затухания люминесценции становится более сложным. Кинетика вынужденной люминесценции в случае с одним метастабильным уровнем определяется суммой двух экспонент.

Наблюдается в веществах- полупроводниках и кристаллофосфорах, атомы (или молекулы) которых переходят в возбуждённое состояние под воздействием пропущенного электрического тока или приложенного электрического поля.

Механизм

Электролюминесценция- результат излучательной рекомбинации электронов и дырок в полупроводнике. Возбужденные электроны отдают свою энергию в виде фотонов. До рекомбинации электроны и дырки разделяются -либо посредством активации материала для формирования p-n перехода(в полупроводниковых электролюминесцентных осветителях, таких как светодиод) - либо путём возбуждения высокоэнергетическими электронами (последние ускоряются сильным электрическим полем)- в кристаллофосфорах электролюминесцентных панелей.

Электролюминесцентные материалы

Обычно электролюминесцентные панели выпускаются в виде тонких пленок из органических или неорганических материалов. В случае применения кристаллофосфоров цвет свечения определяется примесью - активатором. Конструктивно электролюминесцентная панель представляет из себя плоский конденсатор. Электролюминесцентные панели требуют подачи достаточно высокого напряжения (60 - 600 вольт); для этого, как правило, в устройство с электролюминесцентной подсветкой встраивается преобразователь напряжения .

Примеры тонкопленочных электролюминесцентных материалов:

• Порошкообразный сульфид цинка, активированный медью или серебром (сине-зеленое свечение);
• Сульфид цинка, активированный марганцем- желто-оранжевое свечение;
• Полупроводники III-V InP, GaAs, GaN (светодиоды).

Применение

Электролюминесцентные осветители (панели, провода и т.д.) широко используются в бытовой электронике и светотехнике, в частности - для подсветки жидкокристаллических дисплеев, подсветки шкал приборов и пленочных клавиатур, декоративного оформления строений и ландшафта и пр.

Для военных и промышленных применений выпускаются электролюминесцентные графические и знакосинтезирующие дисплеи . Эти дисплеи отличаются высоким качеством изображения и относительно низкой чувствительностью к температурным режимам.

Напишите отзыв о статье "Электролюминесценция"

Литература

• Гершун А. Л. ,. // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.

Ссылки

• (недоступная ссылка - история , копия )

Отрывок, характеризующий Электролюминесценция

Рекомбинация электронов и дырок в полупроводниках может вызываться несколькими независимыми конкурирующими процессами. Иногда удобно отдельно рассматривать непосредственные переходы зона-зона и переходы с промежуточными шагами. Более важны для нас различия между излучательными и безызлучательными процессами

рекомбинации. При безызлучательных переходах энергия рекомбинации нагревает кристалл. При излучательных энергия рекомбинации преобразуется в кванты излучения. Если рекомбинация происходит в несколько этапов, может излучаться несколько квантов большей длины волны.

На рис. 8.1 схематически изображены несколько процессов рекомбинации. Наибольший интерес для нас представляет прямой зона - зонный излучательный переход (рис. 8.1, а). Основные конкурирующие безызлучательные переходы идут через глубоко лежащие в запрещенной зоне ловушечные уровни (рис. 8.1, в, г). Причиной появления этих ловушечных уровней могут быть примесные атомы, такие как золото или кремний, дислокации или другие дефекты кристаллической решетки, которые в большом количестве встречаются на поверхности полупроводника. Процессы рекомбинации зависят от расстояния до поверхности, макроскопических дефектов материала, нарушения непрерывности кристаллической структуры.

Рис. 8.1. Механизмы электронно-дырочной рекомбинации (в каждом случае отдельные стадии процесса следуют слева направо): а - прямой зона - зонный излучательный переход; излучательный зона - зонный переход с участием одного или нескольких фононов энергии в - переходы (возможно, безызлучательные) с участием глубоких акцепторных ловушек; г - переходы (возможно, безызлучательные) с участием глубокого донориого уровня; д - переходы (излучательиые или безызлучательные) с участием неглубокого акцепторного уровня; е - безызлучательный «сверлящий» рекомбинационный переход