1.2.4. Источники света с порошкообразными и пленочными электролюминофорами

Подпись: Рис.1.18. Схема устройства источников света с элетролюминофорами (а) и процессы в изолирован-ной пленке или зерне люминофора (б)

Светодиоды являются почти точечными источниками света (площадь излучающей поверхности не превышает 1 мм2). Электролюминесцентные источники света большой площади могут быть получены с помощью слоев порошкообразных люминофоров толщиной около 50 мкм или пленок толщиной около 1 мкм. В качестве люминесцирующего вещества обычно используют сульфид цинка (ширина запрещенной зоны 3,7 эВ), позволяющий получить люминесценцию в видимой области при введении ряда примесей, например меди (зеленое излучение), серебра (синее) и марганца (желто-оранжевое). Применяется также смешанное основание ZnS—ZnSe. В подобных материалах не удается получить р-п-переходы с инжекционной люминесценцией, поэтому возбуждение свечения производят сильным полем в поверхностных барьерах, включенных в запирающем направлении, или в микроскопических барьерах на границе ZnS с вкраплениями сульфида меди, которые присутствуют в зернах люминофоров с большим содержанием меди. Для того чтобы дырки, образующиеся при ударной ионизации атомов кристаллической решетки (см. п. 1.1.6), не выходили в металлический электрод и не пропадали с точки зрения получения видимого света, зерна порошка (размером ~10 мкм) распределяют в слое твердого диэлектрика, а пленку люминофора изолируют от обоих электродов тонкими слоями диэлектрика. На рис. 1.18, а показана схема устройства как порошкового, так и пленочного вариантов источника света. На этом рисунке обозначено: 1—стекло, 2 — прозрачный проводящий слой (SnO2), 3 — слой порошкообразного люминофора в диэлектрике (смола, легкоплавкое стекло), 4 — отражающий слой, 5 — металлический электрод (слой А1), 6, 8 — пленки диэлектрика (например, Y2O3) толщиной около 0,4 мкм, 7—пленка ZnS:Mn.

Подобные устройства являются электрическими конденсаторами и их возбуждение ведется синусоидальным или импульсным напряжением (Г. Дестрио, 1936).

Процессы в одиночном зерне люминофора или пленки мог быть пояснены с помощью рис. 1.18,б, на котором изображена структура из двух диэлектриков и люминофора между ни в присутствии напряжения. Электроны, освобождающиеся поверхностных уровней на левой границе пленки, ускоряют сильным полем и совершают ионизации центров свечения (переход 4), атомов основного вещества (переход 5) или вызывают внутрицентровый переход 7. Созданные полем дырки отводятся к левой границе пленки, а электроны — к правой границе. После изменения направления поля дырки могут вернуться в объем зерна и захватиться центрами люминесценции, а возвращающиеся электроны — рекомбинировать на этих центрах с излучением. В этот (второй) полупериод произойдет ионизация у правой стороны зерна. Когда поле вновь примет такое направление, как изображено на рис. 1.18,б, ионизация опять происходит на левой стороне зерна, а возникающие электроны рекомбинируют на правой стороне (переход 6).

Таким образом, схема зон на рис. 1.18, б «качается» с частотой f переменного напряжения, ионизация попеременно проиcходит на левом и правом краях зерна или пленки, возникает поток света, пульсирующий с частотой 2f. Если примеси, создающие центры рекомбинации, отсутствуют, а пленка Zn содержит только примесь, в которой происходят внутрицентровые переходы (7), то под действием поля происходит возбуждение примесных атомов и одновременно возникают обратные переходы с излучением (8), не зависящие от U. Именно такой тип излучения используют в тонкопленочных излучателях на основе ZnS:Mn. Концентрация марганца в ZnS может быт сделана настолько высокой (~1%), что вероятность столкновений электронов с атомами Мn оказывается достаточно большой. Если толщина пленки мала (меньше 1 мкм), то поле в ней почти однородно, оно имеет при внешнем напряжении U= 100 В напряженность порядка 1 • 106 В/см, это приводит к интенсивному возбуждению атомов Мn и решетки. Пробой структур предупреждается слоями диэлектриков. Яркость подобных тонкопленочных излучателей достигает 103 кд/м2 при U=200 В и f= 1 кГц, что достаточно для их использования в различны устройствах отображения информации (см. гл. 5).

Внешний квантовый выход пленочных излучателей ηкe = N1PK0 оказывается невысоким из-за больших потерь на отражение при выходе света из пленки 0≈0,2). При квантово выходе возбуждения N1=0,5 (число возбужденных центров на каждый электрон, прошедший пленку), Р= 0,5; ηкe = 5%. Срок службы излучателей достигает 2·104ч.

Яркость порошковых источников света (их часто называют электролюминесцентными панелями) равна примерно 50 кд/м2 при U=150 В, f = 1 кГц и комнатной температуре. Выход ηкe 10%, срок службы (время, в течение которого яркость падает до половинного значения) t0,5 2•103 ч. Меньший срок службы по сравнению с пленочными структурами на основе ZnS - Мn связан с присутствием меди, ионы которой диффундируют в электрическом поле и изменяют свойства барьеров, в которых возбуждается электролюминесценция. Вследствие этого t0,5 уменьшается с ростом U и особенно сильно с ростом температуры. Длительность затухания свечения после выключения U меньше 1 • 10-3 с (оно связано с временем формирования области пространственного заряда и вероятностью внутрицентровых переходов). Яркость порошковых и пленочных образцов растет с повышением частоты и амплитуды напряжения и приближенно может быть представлена выражением

. (1.17)

Значение п у порошковых излучателей равно 3 — 4, а у пленочных 10—15; L1(f) обычно растет с увеличением f примерно линейно, а при частотах в несколько килогерц выходит на насыщение. Эта зависимость связана как с зависимостью вероятности излучательных рекомбинаций Р от f, так и с тем, что за время импульсов различной длительности происходит одно и то же число ионизации (оно ограничивается числом ускоряемых электронов и полем поляризации), и рост числа импульсов в секунду означает и рост средней яркости.

При повышении температуры уменьшается скорость генерации неравновесных носителей, Р и L. Температурный интервал работы излучателей примерно следующий: от - 50° С до +50° С.

Электролюминесцентные панели используют в устройствах отображения информации различного типа.

Введение в оптоэлектронику


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.