Lumineszenz angeregt elektrisches Feld

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Beschreibung

Elektrolumineszenz ist Lumineszenz, die durch ein elektrisches Feld angeregt wird. Beobachtet in Gasen und Feststoffen. Während der Elektrolumineszenz gehen die Atome (Moleküle) einer Substanz durch das Auftreten einer elektrischen Entladung in einen angeregten Zustand über. Von verschiedene Typen Elektrolumineszenz von Feststoffen, Injektion und Vorspaltung sind die wichtigsten. Injektionselektrolumineszenz ist charakteristisch für den pn-Übergang in einigen Halbleitern, beispielsweise SiC oder GaP, in einem konstanten elektrischen Feld, das in der Transmissionsrichtung eingeschlossen ist. Überschüssige Löcher werden in den n-Bereich injiziert und Elektronen werden in den p-Bereich (oder beides in eine dünne Schicht zwischen dem p- und n-Bereich) injiziert. Das Leuchten entsteht durch die Rekombination von Elektronen und Löchern in der pn-Schicht.

Eine Elektrolumineszenz vor dem Durchbruch wird beispielsweise in pulverisiertem ZnS beobachtet, das durch Cu, Al usw. aktiviert wird und in einem Dielektrikum zwischen den Platten eines Kondensators angeordnet ist, an den eine Wechselspannung einer Tonfrequenz angelegt wird. Bei der maximalen Spannung an den Kondensatorplatten kommt es im Leuchtstoff zu Prozessen nahe einem elektrischen Durchbruch: An den Rändern der Leuchtstoffpartikel konzentriert sich ein starkes elektrisches Feld, das freie Elektronen beschleunigt. Diese Elektronen können Atome ionisieren; die entstehenden Löcher werden von Lumineszenzzentren eingefangen, an denen sich Elektronen rekombinieren, wenn die Richtung des Feldes geändert wird.

Zeitmerkmale

Initiierungszeit (log auf von -3 bis -1);

Lebensdauer (log tc von -1 bis 9);

Abbauzeit (log td von -6 bis -3);

Optimale Entwicklungszeit (log tk von 0 bis 6).

Diagramm:

Technische Umsetzungen des Effekts

Variante 1:

In Wirklichkeit - eine gewöhnliche Schraubendrehersonde, die in die Steckdose der Netzsteckdose gesteckt wird, um das Vorhandensein von Spannung zu überprüfen.

Elektrolumineszenz in einem Gasindikator

Reis. 1

Legende:

3 - Leuchtstoffröhre beliebiger Form;

Option 2: Festkörperimplementierung in pn-Halbleiter der Elektrolumineszenz

In Wirklichkeit handelt es sich um eine Standard-LED, die zur Lichtanzeige des Einschaltens in modernen elektronischen Haushaltsgeräten verwendet wird.

Festkörperimplementierung im pn-Übergang der Elektrolumineszenz

Reis. 2

Legende:

3 - p-n-Übergang;

4 - Fluss der Lumineszenzstrahlung;

U ist die Spannung der variablen EMF.

Anwenden eines Effekts

Es wird in Halbleitersubstanzen und Kristallleuchtstoffen beobachtet, deren Atome (oder Moleküle) unter dem Einfluss eines fehlenden . in einen angeregten Zustand übergehen elektrischer Strom oder ein angelegtes elektrisches Feld.

Mechanismus

Elektrolumineszenz ist das Ergebnis einer strahlenden Rekombination von Elektronen und Löchern in einem Halbleiter. Angeregte Elektronen geben ihre Energie in Form von Photonen ab. Vor der Rekombination werden Elektronen und Löcher getrennt - entweder durch Aktivierung des Materials zur Bildung p-n-Übergang(in Halbleiter-Elektrolumineszenz-Beleuchtungskörpern, wie einer LED) - oder durch Anregung mit hochenergetischen Elektronen (letztere werden durch ein starkes elektrisches Feld beschleunigt) - in Kristallleuchtstoffen von Elektrolumineszenz-Panels.

Elektrolumineszierende Materialien

Normalerweise werden Elektrolumineszenz-Panels in Form von dünnen Filmen aus organischen oder anorganischen Materialien hergestellt. Bei der Verwendung von kristallinen Leuchtstoffen wird die Leuchtfarbe durch eine Verunreinigung - einen Aktivator - bestimmt. Strukturell ist die Elektrolumineszenztafel ein flacher Kondensator. Elektrolumineszenz-Panels benötigen eine ausreichend hohe Spannungsversorgung (60 - 600 Volt); Dazu wird in der Regel ein Spannungswandler mit elektrolumineszenter Hintergrundbeleuchtung in das Gerät eingebaut.

Beispiele für elektrolumineszierende Dünnschichtmaterialien:

• Pulverisiertes Zinksulfid, aktiviert mit Kupfer oder Silber (blaugrünes Leuchten);
• Mangan-aktiviertes Zinksulfid - gelb-oranges Leuchten;
• Halbleiter III-V InP, GaAs, GaN (LEDs).

Anwendung

Elektrolumineszenz-Beleuchtungen (Panels, Drähte etc.) werden in der Unterhaltungselektronik und Beleuchtungstechnik häufig verwendet, insbesondere zur Hinterleuchtung von Flüssigkristallanzeigen, zur Beleuchtung von Instrumentenskalen und Folientastaturen, zur Dekoration von Gebäuden und Landschaften etc.

Für militärische und industrielle Anwendungen werden elektrolumineszierende grafische und zeichensynthetisierende Displays hergestellt. Diese Anzeigen sind anders hohe Qualität Bilder und relativ geringe Empfindlichkeit gegenüber Temperaturbedingungen.

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Literatur

• Gershun A.L.,.// Enzyklopädisches Wörterbuch von Brockhaus und Efron: in 86 Bänden (82 Bände und 4 weitere). - SPb. , 1890-1907.

Links

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Auszug Charakterisierung der Elektrolumineszenz

- Eh bien, nous sommes tristes, [Was ist, sind wir traurig?] - sagte er und berührte Pierres Hand. - Vous aurai je fait de la peine? Non, vrai, avez vous quelque wählte contre moi, fragte er. - Peut etre Rapport à la Situation? [Vielleicht habe ich dich verärgert? Nein, wirklich, hast du nichts gegen mich? Vielleicht in Bezug auf die Position?]
Pierre antwortete nicht, sondern sah dem Franzosen liebevoll in die Augen. Dieser Ausdruck der Anteilnahme gefiel ihm.
- Parole d "honneur, sans parler de ce que je vous dois, j" ai de l "amitie pour vous. Puis je faire quelque wählte pour vous? Disposez de moi. C" est a la vie et a la mort. C est la main sur le c? Ur que je vous le dis, Tod Ich sage dir das und lege meine Hand auf mein Herz,] - sagte er und schlug sich auf die Brust.
„Merci“, sagte Pierre. Der Kapitän sah Pierre an, so wie er den Namen des Tierheims auf Deutsch erfuhr, und sein Gesicht hellte sich plötzlich auf.
- Ach! dans ce cas je bois a notre amitie! [Und in diesem Fall trinke ich auf deine Freundschaft!] - rief er fröhlich und schenkte zwei Gläser Wein ein. Pierre nahm das eingegossene Glas und trank es aus. Rambal trank seinen eigenen, schüttelte Pierre noch einmal die Hand und stützte sich in nachdenklicher, melancholischer Haltung mit den Ellbogen auf den Tisch.
„Oui, mon cher ami, voila les Caprices de la Fortune“, begann er. - Qui m "aurait dit que je serai soldat et capitaine de dragons au service de Bonaparte, comme nous l" appellions jadis. Et cependant me voila a Moscou avec lui. Il faut vous dire, mon cher", fuhr er mit der traurigen, gemessenen Stimme eines Mannes fort, der im Begriff ist, eine lange Geschichte zu erzählen," que notre nom est l "un des plus anciens de la France. [Ja, mein Freund, Hier ist das Glücksrad. Wer hat gesagt, ich wünschte, ich wäre Soldat und Dragonerhauptmann im Dienste von Bonaparte, wie wir ihn nannten. Aber hier bin ich bei ihm in Moskau. Ich muss es Ihnen sagen, mein Lieber. .. dass unser Name einer der ältesten in Frankreich ist.]
Und mit der leichten und naiven Offenheit eines Franzosen erzählte der Kapitän Pierre die Geschichte seiner Vorfahren, seiner Kindheit, Jugend und Reife, seines ganzen verwandten Besitzes, Familienbeziehungen... „Ma pauvre mere [‚Meine arme Mutter.‘] spielte natürlich eine wichtige Rolle in dieser Geschichte.
- Mais tout ca ce n "est que la mise en scene de la vie, le fond c" est l "amour? L" amour! N "est ce pas, Monsieur; Pierre?", sagte er und hellte sich auf. "Encore un verre. [Aber das alles ist nur eine Einführung in das Leben, seine Essenz ist die Liebe. Liebe! Glas." ]
Pierre trank noch einmal und goss sich ein drittes ein.
- Oh! les femmes, les femmes! [Ö! Frauen, Frauen!] - und der Kapitän, der Pierre mit öligen Augen ansah, begann, über die Liebe und seine Liebesbeziehungen zu sprechen. Es waren viele, was leicht zu glauben war, wenn man das selbstgefällige, gutaussehende Gesicht des Offiziers und die enthusiastische Begeisterung betrachtete, mit der er über Frauen sprach. Trotz der Tatsache, dass alle Liebesgeschichten von Rambal jenen schmutzigen Charakter hatten, in dem die Franzosen den außergewöhnlichen Charme und die Poesie der Liebe sehen, erzählte der Kapitän seine Geschichten mit einer so aufrichtigen Überzeugung, dass er allein alle Reize der Liebe erlebte und kannte beschrieb Frauen so verlockend, dass Pierre ihm neugierig zuhörte.

Die Rekombination von Elektronen und Löchern in Halbleitern kann durch mehrere unabhängige, konkurrierende Prozesse verursacht werden. Manchmal ist es zweckmäßig, die direkten Übergänge von Zone zu Zone und Übergänge mit Zwischenschritten getrennt zu betrachten. Wichtiger sind uns die Unterschiede zwischen strahlenden und nicht-strahlenden Prozessen.

Rekombination. Bei strahlungslosen Übergängen erwärmt die Rekombinationsenergie den Kristall. Bei Strahlung wird die Rekombinationsenergie in Strahlungsquanten umgewandelt. Erfolgt die Rekombination in mehreren Stufen, können mehrere Quanten längerer Wellenlänge emittiert werden.

In Abb. 8.1 zeigt schematisch mehrere Rekombinationsprozesse. Von größtem Interesse ist für uns die direkte Zone - der Strahlungsbandübergang (Abb. 8.1, a). Die wichtigsten konkurrierenden strahlungslosen Übergänge gehen durch Fallenniveaus tief im verbotenen Band (Abb. 8.1, c, d). Der Grund für das Auftreten dieser eingefangenen Ebenen können Fremdatome wie Gold oder Silizium, Versetzungen oder andere Defekte des Kristallgitters sein, die in großer Zahl auf der Halbleiteroberfläche zu finden sind. Rekombinationsprozesse sind abhängig vom Abstand zur Oberfläche, makroskopische Defekte des Materials, Diskontinuität der Kristallstruktur.

Reis. 8.1. Mechanismen der Elektron-Loch-Rekombination (jeweils die einzelnen Verfahrensstufen folgen von links nach rechts): a - direkte Zone - strahlender Bandübergang; Strahlungszone – ein Bandübergang unter Beteiligung eines oder mehrerer Energiephononen – Übergänge (möglicherweise nichtstrahlend) unter Beteiligung von tiefen Akzeptorfallen; d - Übergänge (möglicherweise nichtstrahlend) unter Beteiligung einer tiefen Donorebene; e - Übergänge (emittierend oder nichtstrahlend) unter Beteiligung eines flachen Akzeptorniveaus; e - nichtstrahlender "bohrender" Rekombinationsübergang

Elektrolumineszenz ist die Lumineszenz einer Substanz, die durch ein elektrisches Feld angeregt wird. Dieses Phänomen wird in Gasen und Festkörpern beobachtet, wenn Atome oder Moleküle unter dem Einfluss der auf sie übertragenen elektrischen Energie in einen angeregten Zustand übergehen.

Die Elektrolumineszenz von Gasen wird seit Mitte des letzten Jahrhunderts untersucht und in Gasentladungslichtquellen verwendet. Die Elektrolumineszenz von Festkörpern wurde Anfang des Jahrhunderts von G. Round und O. V. Losev bei der Untersuchung von Kontaktphänomenen an Siliziumkarbid und in den 1930er Jahren von J. Destriot in isolierten Kristallen von Zinksulfid bei der Untersuchung des Goodden-Pole-Effekts entdeckt. In den Folgejahren wurden Untersuchungen zu den Vorgängen der Lumineszenzanregung durch ein elektrisches Feld in verschiedenen Materialien und Verbundstrukturen durchgeführt. Diese Effekte wurden in den 60er und 70er Jahren in Industriegeräten umgesetzt. Diese technischen Fortschritte bei der Schaffung elektrolumineszenter Strahlungsquellen waren auf die Entwicklung der Quantentheorie der Festkörper und den Erfolg der Halbleitertechnologie zurückzuführen.

Elektrolumineszenz unterscheidet sich von anderen Arten der Lumineszenz hauptsächlich durch die Art und Weise, wie Energie der Materie zugeführt wird. In den speziellsten Fällen wird die zur Strahlungserzeugung erforderliche Energie direkt von einem elektrischen Feld geliefert, das die potentielle oder kinetische Energie von Elektronen in einem Festkörper verändert. Bei der Untersuchung der Elektrolumineszenz wird besonderes Augenmerk auf die Prozesse der Übertragung elektrischer Energie gelegt, d.h. den Mechanismus der Anregung oder Ionisation von Lumineszenzzentren. Wenn angeregte Zentren unter Lichtemission in den Grundzustand zurückkehren, reicht es aus, den Einfluss des elektrischen Feldes auf die Rekombinationsbedingungen für eine bestimmte Struktur dieser Zentren zu berücksichtigen, obwohl das Feld im allgemeinen Fall auch die Energieeigenschaften beeinflussen kann dieser Zentren und der Grundsubstanz.

Die meisten Elektrolumineszenzstoffe gehören zu den kristallinen Leuchtstoffen, bei denen die Prozesse der Anregung und Lumineszenz nicht nur einzelne Lumineszenzzentren (Fremdatome oder andere Punktdefekte und deren Komplexe) sondern auch den Kristall insgesamt beeinflussen können.

Es gibt verschiedene Arten von Prozessen, die zum Erscheinen des Leuchtens von Feststoffen in einem elektrischen Feld führen. In allen Fällen sollte das Feld das Auftreten von entweder direkt angeregten Lumineszenzzentren oder zusätzlichen Nichtgleichgewichtsträgern in den erlaubten Energiebändern begünstigen, die bei ihrer anschließenden Rekombination das Auftreten von Strahlung verursachen.

Zu den Besonderheiten der Elektrolumineszenz gehört die Tatsache, dass lumineszierende Proben in den meisten Fällen schon vor Anlegen eines elektrischen Feldes inhomogen in den elektrischen und optischen Eigenschaften sind. Die Wirkung des Feldes erfolgt in den Bereichen seiner erhöhten Intensität, d.h. in verschiedenen Arten von möglichen Barrieren. War der Kristall vor Anlegen des elektrischen Feldes homogen, so führt die Feldwirkung auch zu einer Änderung der elektrischen Eigenschaften verschiedener Bereiche des Kristalls.

Das Vorhandensein von sequentiell verbundenen Bereichen des Kristalls mit hohen und niedrigen elektrischen Feldstärken führt unweigerlich zu deren Wechselwirkung. Die Spannungsverteilung über der Probe kann sowohl von den Anfangseigenschaften dieser Bereiche bei einer gegebenen Temperatur als auch von der Ionisationsintensität im Bereich eines starken Feldes abhängen. Die Eigenschaften von lumineszierenden Kristallen, die von den Elektroden isoliert sind, sind besonders komplex, da in diesem Fall neben der Verkomplizierung der elektrischen Schaltung der Einfluss der Probenpolarisation hinzukommt, was zu einer zeitlich ungleichmäßigen Anregung des Kristalls führt .

Das Feld steuert sowohl Anregungs- als auch Rekombinationsprozesse, und im Falle isolierter Kristalle können diese Prozesse zeitlich getrennt werden (nach der Erzeugung der Ladungsträger folgt deren Trennung und ihre Rückbewegung erfolgt bei Änderung der Feldrichtung). Diese Prozesse können einen erheblichen Einfluss auf die momentane und zeitlich gemittelte Helligkeit der Strahlung sowie auf die Leistung der Elektrolumineszenz haben.

Zusätzliche Nichtgleichgewichtsträger, die das Auftreten von Strahlung verursachen können, können in Kristallen auf zwei Arten gewonnen werden: unter Einwirkung eines starken elektrischen Feldes im Kristall selbst oder durch räumliche Umverteilung unter dem Einfluss des Trägerfeldes bereits im Festkörper vorhanden. Diese Hauptmethoden zur Anregung der Elektrolumineszenz werden in pn-Übergängen durchgeführt, die in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung enthalten sind.

Wenn der Übergang in Vorwärtsrichtung eingeschaltet wird, werden Elektronen und Löcher in benachbarte Bereiche mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp injiziert. Das externe Feld verringert das Übergangsfeld und die Injektion erfolgt unter Bedingungen eines schwachen elektrischen Felds. Ein äußeres elektrisches Feld erhöht die potentielle Energie von Ladungsträgern unterschiedlichen Vorzeichens und schafft Bedingungen für deren Konvergenz und Rekombination. Diese Art der Elektrolumineszenz wird Injektion genannt und wird in LEDs verwendet.

Wenn der Übergang in enthalten ist umgekehrte Richtung, dann tritt bei einer ausreichend hohen elektrischen Feldstärke - 105-106 V / cm im Übergangsbereich ein Anstieg des Sperrstroms auf, der mit einer Konzentrationserhöhung unter Einwirkung von elektrischem Durchbruch aufgrund von Tunnel- oder Stoßprozessen und Strahlung verbunden ist entsteht im Zusammenhang mit Rekombination und anderen Prozessen.

Bei Stoßprozessen in einem starken elektrischen Feld kommt es zu einer Erhöhung der kinetischen Energie von Elektronen, diese beschleunigten Elektronen können Elektron-Loch-Paare bilden oder direkt Lumineszenzzentren ionisieren oder anregen. Diese Art der Elektrolumineszenz wird als Prebreakdown bezeichnet. Elektrolumineszenz vor dem Durchbruch in einem starken Feld kann nicht nur in pn-Übergängen, sondern auch in Heteroübergängen, Oberflächenbarrieren, polykristallinen Körnern und dünnen Phosphorfilmen durchgeführt werden. In diesem Fall kann der Kristall von einer oder beiden Elektroden isoliert sein und die Erregerspannung kann wechselnd sein. Da bei Anregung der Elektrolumineszenz mit einer Wechselspannung periodisch Ladungsträger an die Kristalloberfläche geliefert werden, nimmt die Rolle von Oberflächenfallen und Rekombinationszentren im Vergleich zur Photolumineszenz zu. Der Zustand der Leuchtstoffoberfläche kann die Größe der Elektrolumineszenz auch deshalb erheblich beeinflussen, weil die Konzentrationsbereiche des äußeren Feldes und der Anregung in einer Reihe von Fällen direkt an der Oberfläche der Kristalle liegen. Die Elektrolumineszenz vor der Aufschlüsselung wird in Flachindikatoren verwendet.

Andere Arten der Elektrolumineszenz von Feststoffen haben aufgrund ihrer geringen Energieausbeute noch keine breite Anwendung gefunden.

Das Phänomen der Pre-Breakdown-Elektrolumineszenz wird derzeit in Filmlichtquellen genutzt: Pulver und Dünnfilm, angeregt durch Konstant- und Wechselspannung. Ende der 50er Jahre wurden die ersten industriellen Muster von Elektrolumineszenz-Emittern auf Basis von pulverförmigen Leuchtstoffen erhalten. Sie werden immer noch in Lichtquellen für verschiedene Zwecke als Elektrolumineszenz-Panels verwendet: Lampen, Lichtindikatoren, alphanumerische Indikatoren, Gedächtnisdiagramme usw.

Das lichtemittierende Pulverelement ist ein mehrschichtiger Aufbau auf einer transparenten Basis: einer Glasplatte oder einer Polymerfolie. Die Strahlungsquelle besteht aus einer transparenten Elektrode auf der Basis, einer lumineszierenden Schicht und einer zweiten, opaken Elektrode. Strahlung tritt durch die transparente Elektrode und den Sockel aus.

Die Leuchtschicht besteht aus einem pulverförmigen Leuchtstoff mit einem organischen oder anorganischen Bindemittel. Die Dicke der lumineszierenden Schicht beträgt 30-100 µm, der Bindergehalt beträgt bei wechselspannungserregten Emittern 30-50 Prozent und bei konstantfelderregten Emittern 5-25 Prozent. Diese Strahler unterscheiden sich auch in der Korngröße der pulverförmigen Leuchtstoffe: Durch Wechselspannung angeregte Leuchtstoffe haben eine durchschnittliche Teilchengröße von 1 bis 10 µm, Leuchtstoffe für Konstantspannung sind feinkörniger - von 0,2 bis 2 µm.

Als Leuchtstoffe werden grundsätzlich Pulver aus Zink- und Cadmiumsulfid sowie Sulfoselenidverbindungen verwendet. In den letzten Jahren wurden Lumineszenzmaterialien auf Basis von Calcium- und Strontiumsulfiden entwickelt. Als Aktivatoren werden Kupfer, Mangan, Gallium, Silber, Blei und andere Stoffe verwendet, die in Mengen von Einheiten bis Hundertstelprozent in Leuchtstoffe eingebracht werden. Die Anwesenheit von Kupfer in diesen Leuchtstoffen ist zwingend erforderlich, da es beim Kalzinieren der Charge eine separate Phase (Kupfersulfid) auf der Oberfläche der Körner bildet. Zur Bildung einer separaten Phase wird Kupfer in Mengen eingebracht, die seine Löslichkeitsgrenze im Leuchtstoffmaterial überschreiten. Der Kontakt dieser Phasen führt zum Auftreten von Heteroübergängen auf der Oberfläche der Leuchtstoffkörner, die die Konzentration des elektrischen Feldes in . bestimmen die Oberflächenbarrieren. Die Dotierung mit Kupfer führt zu einer Erhöhung der Helligkeit der Strahlung und einer Erhöhung der Effizienz der Elektrolumineszenz. Die Leuchtfarbe von Leuchtstoffen wird durch Art und Menge der eingebrachten Verunreinigung bestimmt, die Industrie produziert Leuchtstoffe, die im gesamten sichtbaren Bereich emittieren. Die höchsten Helligkeitswerte wurden für Leuchtstoffe auf Basis von mit Mangan dotiertem Zinksulfid mit gelber Lumineszenzfarbe erhalten. Als vielversprechend gelten Luminophore auf Basis von Sulfiden von Erdalkalimetallen, die mit Halogeniden von Seltenerdelementen dotiert sind.

Als Bindemittel in der Leuchtschicht werden dielektrische Lacke auf Basis von Epoxidharzen, Cyanoethylcellulose, Polyvinylalkoholcyanoethylether und anderen sowie ein Glasemaille-Bindemittel verwendet.

Die Beleuchtungseigenschaften der Strahler hängen von konstruktiven, technologischen und betrieblichen Faktoren ab. Zu den strukturellen und technologischen Faktoren gehören die Art des Leuchtstoffs, die Größe der Pulverkörner, die Art des Bindemittels, die Dicke und der Gehalt der Leuchtschicht usw. Zu den Betriebsfaktoren gehören die Amplitude und Frequenz der Erregerspannung, Temperatur, Feuchtigkeit , etc. Üblicherweise erfolgt die Anregung der Elektrolumineszenz in Pulverstrahlern mit einer Spannung von 50 - 300 V konstantem Wert oder mit einer Frequenz von 50 - 5000 Hz wechselnd. Die Emissionshelligkeit von Elektrolumineszenz-Panels reicht von 5 bis 150 cd / m2. Die heimische Industrie produziert Elektrolumineszenz-Indikatoren wie ITEL, IEM, MEL und andere, die als Lichtquellen, digitale Indikatoren, mnemonische und grafische kleinformatige Bildschirme verwendet werden.

Zu den Nachteilen von Pulver-Elektrolumineszenz-Indikatoren zählen begrenzte Helligkeitswerte und eine kurze Lebensdauer, die maßgeblich auf die Diffusion von Kupfer und anderen Verunreinigungen zurückzuführen ist. Trotz umfangreicher Studien zu Degradationsphänomenen in pulverförmigen lichtemittierenden Strukturen überschreitet die Lebensdauer von Geräten mehrere tausend Stunden nicht.

Die Studien zu Dünnschicht-Strahlungsquellen begannen etwas später als die Studien zu Pulverleuchtstoffen. Filme galten lange Zeit hauptsächlich als geeignetes Objekt zum Studium der Physik der Elektrolumineszenz. Das Interesse an der Erforschung elektrolumineszenter Dünnschichtstrukturen nahm stark zu, nachdem 1974 der erste Dünnschicht-Flachbildschirm mit hohen funktionalen Eigenschaften von Sharp-Forschern vorgestellt wurde. Fortschritte in der Technologie zur Herstellung dünner Schichten sowie die Entwicklung von Strukturen, bei denen sich zwischen zwei dünneren dielektrischen Schichten eine etwa 1 µm dicke Leuchtstoffschicht befindet, ermöglichten es, durch Wechselspannung angeregte Emitter zu erzeugen, die eine höhere Helligkeit und Lebensdauer als Pulver.

Als Strahlungsquellen wurden Dünnschaus Gleich- und Wechselstrom untersucht. Zu den Vorteilen von DC-Dünnschichtstrukturen gehört vor allem eine niedrige Steuerspannung - 3-20 V. Lichtemittierende Elemente werden normalerweise durch Aufbringen einer Lumineszenzschicht aus Zinksulfid oder Selenid auf ein Halbleitersubstrat (Silizium, Germanium, Galliumarsenid usw.). Verwendungszweck physikalische Eigenschaften Die Halbleiter-Phosphor-Grenzfläche ist eines der Verfahren, um Ladungsträger mit hoher Energie bereitzustellen. Die unterschiedliche Austrittsarbeit von Elektronen wird hier genutzt, um heiße Ladungsträger in die Leuchtstoffschicht zu injizieren und dort Elektrolumineszenz anzuregen. Der Hauptinjektionsmechanismus ist das Tunneln von Elektronen durch die Energiebarriere im Leitungsband. Unter den Verfahren zur Steuerung der Injektion von Ladungsträgern in die Elektrolumineszenzschicht, die zur Steuerung von Gleichstrom-Lichtemissionsvorrichtungen getestet wurden, sollte die Verwendung von MIS-Dioden mit negativer Vorspannung, Heteroübergängen und Kombinationen von Widerstandsschichten erwähnt werden. Jedoch hat keiner dieser Ansätze bisher zu einer brauchbaren DC-Dünnfilm-Emitter-Technologie geführt, noch wurde das Problem der Gerätesteuerung gelöst. Außerdem haben diese emittierenden Elemente eine relativ geringe Helligkeit und Lichtleistung. Elektrolumineszente Dünnschichtquellen für Wechselstromstrahlung haben aufgrund einer Reihe von physikalischen Merkmalen bessere funktionelle Eigenschaften.

Die allgemeinen Phänomene der Elektrolumineszenz in dünnen Schichten unterscheiden sich nicht grundsätzlich von denen in Pulverleuchtstoffen. Im Vergleich zu wechselspannungserregten Pulveremittern weisen isolierte Leuchtstoffschichten jedoch folgende Merkmale auf. Aufgrund der geringen Dicke der Filme sind keine besonderen Maßnahmen erforderlich, um das Feld in schmalen Schichten des Leuchtstoffs zu konzentrieren; daher eine der Funktionen von Kupfer - die Bildung von Barrierebereichen mit einer Dicke von etwa 0,1 µm in Leuchtstoffkristallen Materialien - verschwindet. Dementsprechend verschwinden auch die mit der Kupferdiffusion verbundenen Alterungsprozesse, die Lebensdauer von Dünnschichtstrahlungsquellen kann 20.000 Stunden überschreiten. Wenn lumineszierende Filme mit einer Wechselspannung angeregt werden, überschreitet die Elektrolumineszenzeffizienz einige Prozent nicht, aber die Helligkeit kann aufgrund der Verwendung von elektrischen Feldern mit höheren Stärken, signifikanten Strömen und ausgedehnteren Bereichen eines starken Feldes sehr hoch sein. Diese Strahler haben eine höhere Auflösung, Beständigkeit gegen Wärme- und Strahlungseffekte, eine räumliche Gleichförmigkeit des Bildes, eine leichte Erzielung von Halbtönen und einen großen Betrachtungswinkel, was sie für die Wiedergabe von Farbfernsehbildern vielversprechend macht.

Die erzielten Erfolge haben die Aussichten für die Schaffung hocheffizienter, stabiler, mehrfarbiger Emitter auf Basis von

basierend auf Filmstrukturen. Dies erklärt das große Interesse am Studium physikalische Eigenschaften elektrolumineszierende Dünnschichtstrukturen, ihre Komponenten und Technologien zur Herstellung von Emittern.

Die Injektionselektrolumineszenz wurde 1923 von O. V. Losev entdeckt, als er Kristalldetektoren auf der Basis von Siliziumkarbid studierte. Liegt dem Funktionsprinzip von LEDs und Halbleiterlasern zugrunde. Elektrolumineszenz ist Lumineszenz, die durch ein elektrisches Feld angeregt wird. Beobachtet in Gasen und Feststoffen. Während der Elektrolumineszenz gehen die Atome (Moleküle) einer Substanz durch das Auftreten einer elektrischen Entladung in einen angeregten Zustand über. Injektionselektrolumineszenz wird beobachtet, wenn der pn-Übergang in Vorwärtsrichtung eingeschaltet wird. Beim Anlegen einer externen Spannung U, die die Kontaktpotentialdifferenz verringert, werden überschüssige Löcher in den n-Bereich eingebracht (injiziert) und Elektronen oder beides werden in die hochohmige dünne Schicht zwischen n- und p- eingebracht. Regionen. Dabei ist die Art der Kontakte zwischen den Elektroden und dem Leuchtstoff von vorrangiger Bedeutung. Injektionselektrolumineszenz, d.h. Die Erzeugung optischer Strahlung im pn-Übergang kombiniert zwei Prozesse: die Ladungsträgerinjektion und die Elektrolumineszenz selbst.

Wenn der p-n-Übergang unter Spannung in Vorwärtsrichtung angelegt wird, dann bewegen sich Löcher aus dem p-Bereich und Elektronen aus dem n-Bereich aufeinander zu und rekombinieren mit Strahlung, wobei sie in den Übergangsbereich fallen. Wenn beispielsweise die Elektronenkonzentration im n-Gebiet größer ist als die Lochkonzentration im p-Gebiet, d.h. nn > pp, dann werden Elektronen aus dem n-Gebiet in das p-Gebiet injiziert.

Durch den p-n-Übergang injizierte Minoritätsträger diffundieren tief in das Material. Aufgrund der Rekombinationsprozesse nimmt ihre Konzentration mit der Entfernung von der Raumladungszone ab.

Abbildung 1. - Injektion

Bei konstanter Rekombinationsrate nimmt die Konzentration der Minoritätsladungsträger mit der Entfernung exponentiell ab. Der Abstand, bei dem ihre Konzentration um den Faktor e abnimmt, ist gleich der Diffusionslänge. Dieser Wert kann als Eindringtiefe der injizierten Ladungsträger angesehen werden. Somit kann die Eindringtiefe von Elektronen in den p-Bereich gleich der Diffusionslänge Ln im p-Material und die Eindringtiefe von Löchern in den n-Bereich – der Diffusionslänge Lp im n- Material.

Rekombinierende Elektronen bewegen sich von höheren Energieniveaus des Leitungsbandes nahe seiner unteren Grenze zu mehr niedrige Level nahe der oberen Grenze des Valenzbandes. Dabei wird ein Photon freigesetzt, dessen Energie fast gleich der Bandlücke E g ist.

Germanium und Silizium sind für LEDs nicht geeignet, da ihre Bandlücke zu klein ist. Für moderne LEDs werden hauptsächlich Galliumphosphid GaP und Siliziumkarbid SiC verwendet, sowie einige ternäre Verbindungen, sogenannte feste Lösungen, bestehend aus Gallium, Aluminium und Arsen (GaAlAs) oder Gallium, Arsen und Phosphor (GaAsP), etc. Verunreinigungen ermöglichen Ihnen um ein Leuchten in verschiedenen Farben zu erhalten.

Der Rekombinationsprozess besteht im Übergang von Elektronen vom Leitungsband in das Valenzband und wird von der Freisetzung überschüssiger Energie begleitet. Ein Teil dieser Energie wird für die Erwärmung des Kristalls aufgewendet, der Rest wird in Form von Lichtquanten emittiert.

Wenn die LED in die entgegengesetzte Richtung eingeschaltet wird, findet keine Ladungsträgerinjektion statt, der Strom ist klein und es tritt keine Injektionselektrolumineszenz auf. Der Rekombinationsprozess besteht im Übergang von Elektronen vom Leitungsband in das Valenzband und wird von der Freisetzung überschüssiger Energie begleitet. Ein Teil dieser Energie wird für die Erwärmung des Kristalls aufgewendet, der Rest wird in Form von Lichtquanten emittiert.

Die Rekombination kann auch unter Beteiligung von Verunreinigungsstufen erfolgen. Wenn Elektronen und Löcher rekombinieren, erscheint in dieser Schicht ein Glühen. Die Leuchtfarbe bei Injektionselektrolumineszenz hängt vom Grundmaterial und der Art der Verunreinigungen ab. GaP-basierte LEDs sind weit verbreitet und emittieren im grünen, gelben und roten Bereich des Spektrums.

Anwendung von Injektionselektrolumineszenz in Lichtemittern

1950 berichteten die amerikanischen Spezialisten Payne, Mager und Jerome über die praktische Anwendung des Phänomens der Elektrolumineszenz, die sich in ihrer Entwicklung einer neuen Lichtquelle - einer Elektrolumineszenzlampe - ausdrückte. Seit diesem Jahr wurden in vielen Ländern, einschließlich der UdSSR, eingehende Studien zu den Phänomenen der Elektrolumineszenz und ihrer praktischen Anwendung in Lichtquellen eines neuen Typs und grundlegend neuen Lichtverstärkern, Lichtbildverstärkern, Fernsehempfängern, Computern und anderen entwickelt Geräte begann.

Ein bedeutender Teil der Arbeiten zur Injektionselektrolumineszenz ist dem Studium der Physik dieses Phänomens gewidmet. Dank der Fortschritte in der Erforschung des Lumineszenzmechanismus und der Natur der Zentren der strahlenden und nicht strahlenden Rekombination war es möglich, eine Technologie zur Herstellung effizienter Leuchtdioden auf Basis von Siliziumkarbid und Galliumphosphid zu entwickeln.

Betrachten wir einige Eigenschaften der Elektrolumineszenz, die aus Sicht der praktischen Anwendung wichtig sind. Wir werden über spezielle Fälle der Elektrolumineszenz sprechen - das Leuchten, das in Kristallen auftritt, wenn große externe elektrische Felder an sie angelegt werden.

Der Aufbau einer elektrolumineszenten Lichtquelle ist in Abb. 2 schematisch dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Dicke der Schichten stark und überproportional erhöht. Das feinkristalline Pulver des Leuchtstoffs ist hier im Harzdielektrikum dispergiert und bildet eine dünne Schicht zwischen den Elektroden. Eine der Elektroden ist transparent.

In den meisten Ausführungen ist das Trägerstück eine Glasplatte, auf deren einem Ausleger eine transparente leitfähige Beschichtung aus Zinnoxid oder Cadmiumoxid gebildet ist. Die leitfähige Beschichtung kann auch ein dünner Film aus aufgesprühtem Gold oder ein feinstrukturiertes Messing- oder Phosphorbronzegewebe sein. Auf der Oberfläche der leitfähigen Schicht wird eine dielektrische Schicht aufgebracht, die einen Elektroluminophor enthält, meistens auf Basis von Zinksulfid. Anschließend entsteht eine zweite Elektrode, meist in Form einer dünnen Schicht aus vakuumgespritztem Aluminium. Diese Elektrode dient auch dazu, das emittierte Licht in Richtung der transparenten Elektrode zu reflektieren. An den Kanten des Elements sind zwei Weichmetalldichtungen befestigt, die durch Elektroden verbunden sind. Abgerundet wird die Herstellung des Gerätes durch die Abdeckung der Rückseite mit einer Dielektrikumsschicht, die dünne Schichten vor mechanischen Beschädigungen und dem Eindringen von Feuchtigkeit und Staub schützt und zusätzlich elektrisch isoliert.

Abbildung 2. - Aufbau einer Elektrolumineszenz-Lichtquelle (im Schnitt): 1– Glasplatte; 2 - Isolator; 3 - Kontaktmetallelektrode; 4 - Schutzbeschichtung; 5 - transparenter leitfähiger Film; 6 - Elektroluminophor; 7 - Metallplatte; 8 - Kontaktelektrode der leitfähigen Beschichtung.

Die Helligkeit von Elektrolumineszenz-Lichtquellen nimmt in den ersten Betriebsstunden zu und nimmt dann mit der Zeit ab. Sie können 90 % ihrer ursprünglichen Helligkeit nach 1000 Betriebsstunden und 75 % nach 4000 Stunden beibehalten. Ersetzen wir zum Vergleich, dass bei Leuchtstofflampen der Lichtstrom nach einem Betrieb von 2000-2500 Stunden um 30% abnimmt und die durchschnittliche Brenndauer von Glühlampen nur 1000 Stunden beträgt.

Die Hauptparameter der LEDs sind wie folgt:

1. Lichtstärke gemessen in Candela (eine Einheit der Lichtstärke, die von einer speziellen Standardquelle abgegeben wird) und für einen bestimmten Durchlassstrom angegeben. Die Lichtstärke von LEDs liegt in der Regel zwischen Einheiten und Hunderten von mCd.
2. Helligkeit gleich dem Verhältnis der Lichtstärke zur Fläche der leuchtenden Fläche (Zehner - Hunderte Candela pro cm2).
3. Konstante Durchlassspannung (2-3 V).
4. Leuchtfarbe und Wellenlänge entsprechend dem maximalen Lichtstrom.
5. Maximal zulässiger Gleichstrom (zehn mA).
6. Maximal zulässige DC-Sperrspannung (V-Einheiten).
7. Temperaturbereich Umfeld bei denen die LED normal arbeiten kann (zum Beispiel von –60 bis +70C).

Nach der Analyse der Injektionselektrolumineszenz fand ich heraus, dass Elektrolumineszenz ein Phänomen ist, aufgrund dessen es möglich ist, Halbleiteremitter zu erhalten. Elektrolumineszenz ist das Leuchten, das bei Anregung auftritt fest elektrisches Wechselfeld oder Strom. Ein Merkmal dieses Prozesses ist, dass der Körper nicht erhitzt werden muss, wie es bei glühenden Glühkörpern der Fall ist. Derzeit ist diese Richtung relevantes Thema für die Forschung .