книги из ГПНТБ / Прикладная электролюминесценция

ПРИКЛАДНАЯ ЭЛ ЕКТ РОЛ ЮМИ НЕСЦЕН ЦИЯ

П од ред . М. В. Ф ока

/ДОСКВА «СОВЕТСКОЕ РАДИО» t974

ПРЕДИСЛОВИЙ

Go времени открытия электролюминесценции твер­ дых тел прошло уже более 50 лет. Однако только в по­ следнее десятилетие начало быстро развиваться ее при­ менение в технике. Связано это, по всей вероятности,, с двумя обстоятельствами.

Во-первых, -создание ярких и эффективных электролюминесцирующих устройств представляет собой весьма сложную технологическую задачу, прежде всего химиче­ скую. Необходимо было разработать методику приго­ товления электрод юминесцирующнх материалов, начи­ ная с очистки исходных веществ и синтеза необходимых соединений и кончая разработкой методов легирования, при которых примеси должны распределяться по кри­ сталлу неравномерно и притом совершенно определен­

для будущих технических применений электролюминес­

тролюминесцентной техники связан с общей проблемой' построения систем управления, которая стоит сейчас перед всей современной техникой. Дело в том, что даже самая совершенная система управления в сложных случаях йе может обойтись без помощи человека. Но именно ввиду сложности ситуации человек не может тратить много времени на перевод показаний приборов в привычные для него понятия, так как ему некогда будет обдумать решение. Необходимо подавать опера­ тору информацию в наиболее удобном Для него виде. Эту-то задачу и помогает решить электролюминесцен­ ция. С ее помощью можно создать неподвижные или движущиеся. светящиеся изображения любой формы, сохранять, их сколь угодно долго или, напротив, быстро заменять другими. Можно изменять цвет этих 'изобра­ жений и их яркость. ,

■ 3

'Электролюминесценция Кроме систем отображения может быть использована в логических схемах, в ли­ ниях передачи данных и т. д. В настоящее время уже создан целый ряд элёктролюминесцентных устройств, нашедших широкое применение. Многие устройства являются пока лабораторными образцами, часть нахо­ дится на стадии поисковых разработок.

Создание таких устройств представляет собой про­ блему, лежащую на стыке целого ряда областей науки и техники, казалось бы, мало связанных между собой. Сюда относятся химия и физика широкозонных полу­ проводников и органических диэлектриков, электротех­ ника слабых токов, радиоэлектроника, светотехника и инженерная психология. Специалистов такого широкого профиля, как правило, не существует. Однако всякому, кто желает эффективно работать в области прикладной электролюминесценции, необходимо хотя бы немного ориентироваться во всех этих вопросах. В литературе имеется много статей по электролюминесценции и почти нет книг. Предлагаемая книга написана для того, чтобы

вкакой-то мере восполнить этот пробел и дать возмож­ ность разработчикам не только почерпнуть сведения, относящиеся к их узкой специальности, но и взглянуть на проблему в целом. В связи с этим основное внимание

вкниге обращено на принципиальную сторону вопроса. Тем, кто желает более детально ознакомиться с описа­ нием конструкций существующих электролюминесцент-

ных устройств, рекомендуем обратиться к книге В. П. Деркача"’ и В. М. Корсунского «Электролюминесцентные устройства», вышедшей в 1968 г. в Киевё, в издательстве «Паукова Думка».

Авторы данной книги много лет работали в какойлибо из областей, .связанных с электролюминесценцией, причем, взятые вместе, эти области охватывают доволь­ но широкий круг вопросов прикладной элёктрблюминесценции.

Книга написана коллективом авторов. Поэтому, сейчас трудно точно установить, кто что написал. При­

гл. 3, § 4,2, § 4.3, § 4.4, § 4.5, § 4.6, гл. 5, § 6.1; Н. И. Та*, борко — гл. 9; М. В. Фок — § 1.1, § 1.2, § 1.3, § 1.5, гл. 3,

\•

Гл а в а 1

ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

■t.l. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ КРИСТАЛЛОФОСФОРОВ

Определение люминесценции

Люминесценция известна человечеству с незапамят-, ных времен (вспомним хотя бы свечение гнилушек и светляков), но систематическое изучение ее началось лишь в прошлом веке. К концу его Видеман сформули­ ровал определение этого явления как избытка над те­ пловым излучением тела. Этим подчеркивался тот факт, что в отличие от свечения накаленных тел для возбуж­ дения люминесценции не требуется нагревания тела, хотя, конечно, подведение энергии в том или ином виде необходимо.

Поглощенная люминесцирующим телом энергия воз­ буждения на некоторое время задерживается в нем, и затем часть ее испускается в виде света, а остальная энергия превращается в тепло. На принципиальную важ­ ность этой задержки обратил внимание академик С. И. Вавилов, который приблизительно через полвека после Видемана дополнил определение люминесценции указанием на то, что в противоположность, например, рассеянию света, люминесценция продолжается некото­ рое время после исчезновения возбудившего ее агента. Понимание этого обстоятельства в свое время позволило С. И. Вавилову отличить явление Вавилова — Черенко­ ва от люминесценции и тем самым в немалой степени способствовало открытию этого явления.

Современное общепринятое определение люминесцен­ ции таково: «Люминесценцией называется избыток над тепловым излучением тела в данноц спектральной обла­ сти, если этот избыток обладает длительностью, значи-

§

тельно превышающий период световых колебанийп *. В зависимости от того, в каком виде подводится энер­ гия, возбуждающая люминесценцию, различают фото-, катодо-, электро-, и другие виды люминесценции.

Механизм люминесценции всех видов имеет много общих черт. Из перечисленных трех видов люминесцен­ ции наиболее простой механизм имеет фотолюминесцен­ ция и наиболее сложный—’Электролюминесценция. По­ этому мы сначала очень кратко рассмотрим механизм фотолюминесценции. Люминесцировать могут вещества, находящиеся как в твердом, так и в жидком или газо­ образном состоянии, однако мы будем рассматривать только люминесценцию кристаллических веществ — кристаллофосфоров, так как именно они используются в раз­ личного рода электролюминесцентных устройствах, кото­ рым посвящена эта книга.

Природа кристаллофосфоров

Кристаллофосфорами обычно называют неорганические кристал­ лы, способные люминесцировать в видимой или ультрафиолетовой частях спектра. Нередко это понятие распространяют и на кристал­ лы, люминесцирующие в ближней инфракрасной области спектра. С точки зрения физики твердого тела кристаллофосфоры можно оха­ рактеризовать как полупроводники с широкой запрещенной зоной, хотя некоторые из них чаще называют диэлектриками, настолько велико их удельное сопротивление. Тем не менее, к ним, так же как и ко всем прочим кристаллофосфорам, применима зонная схема твердого тела. В дальнейшем мы будем этим широко пользоваться, не делая различий между полупроводниками и кристаллическими диэлектриками.

Кристаллофосфоры обычно содержат некоторое количество при­ месей. Эти примеси играют важную роль в люминесценции, так как именно они создают те центры в кристаллической решетке, в которых возникает свечение. Такие примеси называются активаторами люминесцёнции. Их вводят специально при изготовлении кристаллофосфо­

ров, но, так сказать, противоположного знака: если активатор — до­ нор, то соактиватор — акцептор и наоборот. Преднамеренное введе­ ние .примесей называют активацией или легированием. Кроме акти­ ваторов и соактиваторов в кристаллофосфоре могут быть, конечно.

* Это определение было дано до изобретения квантового генера­ тора. Теперь его следует, по-видимому, дополнить указанием на то, что люминесценция некогерентна, Однако общепринятая точка зре­ ние на этот вопрос еще не установилась.

7

и другие примеси, не введенные туда преднамеренно, но также внося­ щие свои энергетические уровни.

Если доноры и акцепторы расположены в кристалле поблизости друг от друга, они образуют так называемые донорно-акцепторные пары, которые играют большую роль в люминесценция некоторых кристаллофосфоров. Все центры, вообще говоря, способны обмени­ ваться зарядами и с валентной зоной, и с зоной проводимости. Однако в зависимости от условий этот обмен может происходить с различной интенсивностью. Если данные центры обмениваются за­ рядами, главным образом с одной из зон, то их называют ловушка­ ми соответствующих зарядов. Обычно преимущественный обмен с одной из зон возникает, если энергетический уровень центра рас­ положен много ближе к этой зоне, чем к другой. Если же уровень расположен далеко от зон, то центр способен лишь захватить элек­ троны из зоны проводимости и дырки из валентной зоны. В резуль­ тате этого выделяется некоторая энергия,' а оба заряда нейтрали­ зуют друг друга и исчезают. Такой процесс называется рекомби­ нацией.

Разделение центров на центры захвата (ловушки) * и центры рекомбинации очень удобно при рассмотрении кинетики люминесцен­ ции, однако оно весьма нестрого, так как далеко не всегда один из процессов -г- тепловое освобождение зарядов или их рекомбинация — значительно преобладает над другим. Строго говоря, оба они про­ исходят при любых условиях, но в разных пропорциях. Какой яз этих процессов окажется более интенсивным, зависит от температуры и от концентрации свободных носителей заряда. Так, при низких температурах, когда вероятность термического освобождения элек­ тронов мала, ловушка может стать центром рекомбийации. Таким же образом влияет и увеличение концентрации свободных зарядов, так как при этом также возрастает отношение вероятности рекомби­ нации локализованных зарядов к вероятности их теплового освобож­ дения;

Фотолюминесценция

Механизм фотолюминесценция кристаллофосфоров, в общих чертах, состоит в следующем. Кванты возбуждающего света погло­ щаются центрами люминесценции (переход 1 на рис. 1.1)** или ре­ шеткой основного вещества (переход 1'). В результате этого проис­ ходят разделение зарядов. В.первом случае один из них оказывается свободным, а другой — локализованным на центре люминесценции. Во втором случае оба носителя заряда/ получаются свободными. Затем свободные носители заряда локализуются на ловушках и центрах люминесценции (переходы 2 и 2'). На этом заканчивается процесс возбуждения кристаллофосфора. О кристаллофосфоре, нахо­ дящемся в таком состоянии, говорят, что он запас светосумму, разу­ мея под этим, что в нем имеется некоторый запас разделенных заря­ дов, которые могут при рекомбинации дать соответствующее число квантов света.

*Их называют еще уровнями захвата, локальными уровнями, или уровнями прилипания.

**На рисунке стрелками указаны переходы электронов. Дыркч

совершают переход в обратном направление

Заряды, локализовавшиеся па уровнях примесей во время воз­ буждения, постепенно освобождаются под влиянием тепловых коле­ баний (переходы 3 и 3') *, некоторые из них встречаются с зарядами противоположного знака и воссоединяются с ними — рекомбинируют (переходы 4 и 4'), а остальные опять захватываются ловушками.

в начале послесвечения яркость спадает быстро, а затем все мед­ леннее и медленнее. Такую кривую невозможно охарактеризовать только величиной постоянной времени т. Поэтому надо очень осто­ рожно относиться к утверждениям, что люминесценция данного кристаллофосфора имеет данное т. Обычно это просто значит, что на некотором участке кривую затухания можно аппроксимировать экс­ понентой с этим т. Чтобы это утверждение приобрело смысл, необ­ ходимо выяснить, о каком интервале времени (или яркости) идет речь. Нередко хорошо выраженный экспоненциальный участок бы­

9