Файл: Прикладная электролюминесценция..pdf

удерживался положительный пространственный заряд, передвигаются таким образом, что выходят кз кристал­ ла и он теряет способность концентрировать поле. Это проявляется в увеличении показателя b в формуле (3.12)

для яркости и в росте емкостного и активного сопротив­ лений.

Электрохимическая теория старения [32] основана на том, что в электролюминофорах имеются две электрохимически неоднородные фазы — электроотрицательный ZnS и электроположительный Cu2S. Поэтому на поверхности зерен фосфора возможно образование микрогадьвапических элементов, что должно привести к протеканию реакций электрохимического растворения типа

ZnS—2ё— >-Zn+2 + S°

(3.18)

Cu2S + 2ё— »-Cu° + S-2,

т. e. к растворению ZnS. Этот процесс может протекать и в нера­ ботающем ЭЛК.

Следующей стадией процесса старения является электролитиче­ ское выделение продуктов электрохимического растворения люмино­ фора:

Zn+2+ 2e— »-Zn°

(3.19)

Cu°—2е— >-Cu+2.

Причиной электролиза при этом являются протекающие через ЭЛК токи. По-видимому, наибольшее влияние на старение оказывает изменение концентрации Си в материале, в то время как выделение металлического Zn сказывается на сопутствующих факторах (потем­ нение слоя электролюминофора и др.). Процессы электрохимического разложения люминофора при работе ЭЛК, безусловно, определяют существенный процент спада яркости, однако не являются единст­ венной причиной старения. Вообще данные' о процессе старения электролюминофоров весьма противоречивы [15, 27—32]. Высказы­ вались мнения [28], что одной из вероятных причин постепенного спада ярко.сти ЭЛК является накопление участков, разрушенных в результате электрических пробоев.

Старение ЭЛК :в значительной, мере определяется присутствием влаги. В связи с этим отмечалось, что в ЭЛК могут идти процессы разрушения люминофоров в .ре­ зультате его взаимодействия с влагой и диэлектрической средой, в которую он погружен. Как бы то ни было спад яркости свечения происходит из-за порчи люмино­ фора, а не из-за изменений диэлектрика, хотя изменения его диэлектрических характеристик в процессе работы ЭЛК также могут способствовать уменьшению сохраняе­ мости яркости,

Срок службы ЭЛК, определяемый в основном Про­ цессом старения люминофора, является одним из наибо­ лее важных параметров электролюминесцентных прибо­ ров. Под сроком службы следует понимать продолжи­ тельность непрерывной работы ЭЛК, в течение которой его яркость не падает ниже заданного уровня. Установ­ лено [27], что падение яркости (за исключением началь­ ного периода, в котором наблюдаются аномалии) под­ чиняется эмпирической формуле

с ВвачЗначение t0 зависит от частоты и амплитуды воз­ буждающего напряжения и ряда других факторов.

Как уже отмечалось, при повышении частоты возбуж­ дающего поля яркость электролюминесценции увеличи­ вается. Однако при длительной эксплуатации ЭЛК этот выигрыш в яркости свечения постепенно уменьшается, так как чем выше частота возбуждающего поля, тем быстрее происходит спад яркости при непрерывной рабо­

те ЭЛК [15].

На рис. 3.9 показано изменение яркости свечения ЭЛК с зеленым цветам свечения при работе в различных режимах. Из приведенного рисунка видно, что спад яр­ кости свечения со временем происходит тем быстрее, чем выше частота. Эксплуатация ЭЛК на высоких частотах (5 000 Гц) дает существенный выигрыш в яркости свече­ ния только в первые 50чих работы. Через 300чэксплуа­ тации яркости свечения ЭЛК, возбуждаемых частотами 1000 и 5000 Гц, практически одинаковы и в 1,5 раза превышают яркости свечения ЭЛК, работающих на ча­ стоте 400 Гц. Таким образом, при длительной работе ЭЛК оптимальные с точки зрения яркости и светоотда­ чи частоты возбуждающего поля лежат в интервале

400— 1 000 Гц.

Экспериментальные данные подтверждают, что старе­ ние серийных электролюминофоров при различных часто­ тах возбуждающего поля [33] описывается универсаль­ ной кривой, где по оси абсцисс откладывается не время, а общее число циклов действия возбуждающего поля (рис. ЗЛО). Аналогичным образом дело обстоит и при импульсном возбуждении, если длительность импульсов не слишком мала. В последнем случае старение замед-

132

133

Энергетический выход и светоотдача ЭЛ К

Энергетический выход свечения электролюминофоров невелик: в свет превращается всего процента два погло­ щаемой энергии. Происходит это прежде всего потому, что энергию поглощают все свободные электроны и дыр­ ки, попавшие в область сильного поля, независимо от того, будет ли эта энергия использована в дальнейшем для ионизации центров люминесценции или нет. В част­ ности, значительная доля энергии поглощается электро­ нами, освобождаемыми из ловушек еще во время форми­ рования пространственного заряда и совершенно не участвующими в ударной ионизации.

Другая причина большой потери энергии при удар­ ной ионизации заключается в том, что для осуществле­ ния ионизации необходимо, чтобы был выполнен не только закон сохранения энергии, но и закон сохране­ ния импульса. Из-за этого в большинстве случаев для того, чтобы электрон был способен совершить ударную ионизацию решетки, он должен иметь энергию, значи­ тельно (на несколько электронвольт) превышающую ширину запрещенной зоны. Испускаемый же квант света имеет энергию, как правило, заметно (в ZnS примерно на 1 эВ) меньшую ширины запрещенной зоны. В резуль­ тате в свет превращается менее половины энергии, при­ обретенной электроном в поле.

Проведенная для сульфида цинка подробная оценка [2 1 ] показывает, что максимальная величина энергети­

ческого выхода его предпробойной электролюминесцен­ ции составляет всего несколько процентов. Если учесть еще, что квантовый выход фотолюминесценции электро­ люминофоров в 2 —3 раза меньше, чем у фотолюмино­

форов, т. е. что значительная часть рекомбинаций проис­ ходит без излучения, мы и получим наблюдаемую на опыте величину энергетического выхода 1 —2%. Из ска­

занного следует, что 'энергетический выход предпробой­ ной электролюминесценции вряд ли может быть сделан близким не только к единице, но даже и к выходу катодолюминесценции (20—30%)- Небольшого повышения выхода, правда, можно достигнуть, если суметь при про­ чих равных условиях заменить в электролюминофоре ZnS сравнительно глубокие доноры, на которых концент­ рируется пространственный заряд, на мелкие. Более ра­ дикальный способ — найти другой полупроводник с не-

134

сколько меньшей, чем у ZnS, шириной запрещенной зоны

Энергетический выход предпробойной электролюми­ несценции зависит от приложенного напряжения: при не­ котором оптимальном напряжении он имеет максимум. Сказанное выше относится к этой максимальной величи­ не. Наличие максимума объясняется тем, что величина яркости и поглощаемая мощность определяются разными процессами. Яркость связана с ударной ионизацией*, вероятность которой быстро возрастает с ростом напряже­ ния при малых напряжениях и значительно медленнее — при больших, когда она близка к единице. Поглощае­ мая же мощность, напротив, при больших напряжениях возрастает быстрее, чем при малых, так как по мере уве­ личения напряжения не только возрастает число погло­ щающих энергию электронов, но и каждый из них погло­ щает больше энергии, потому что проходит большую раз­ ность потенциалов. Пока с ростом напряжения яркость увеличивается быстрее поглощаемой мощности, выход возрастает, а затем он начинает уменьшаться.

Замедление роста вероятности ударной ионизации с ростом приложенного напряжения может происходить по двум причинам. Во-первых, из-за больших омических потерь в объеме кристалла поле в области объемного заряда может перестать увеличиваться с ростом общего приложенного напряжения. Вместе с ним, конечно, пере­ стает возрастать и вероятность ударной ионизации, по­

ность ударной ионизации электронами может достигнуть такой величины, что почти каждый электрон, прошедший сквозь область пространственного заряда, будет вызы­ вать ионизацию. Тогда, если дырки в ионизации не участвуют, дальнейший рост вероятности ударной иони­ зации окажется возможным лишь после того, как поле станет настолько большим, что электроны на своем пути смогут ионизовать дважды. В результате может начать-

* Напомним, что число актов рекомбинации приблизительно рав­ но числу актов ионизации, поскольку возбуждение ведется на пере­ менном напряжении и почти все электроны и дырки, возникшие во время ионизации в один полупериод напряжения, встречаются друг С другом в следующий полупериод.

135

ся второй рост выхода. Однако на опыте он ни разу не наблюдался, вероятно, из-за того, что раньше наступал пробой ЭЛК. У применяемых в настоящее время ЭЛК оптимальное с точки зрения энергетического выхода на­ пряжение довольно близко к тому, при котором они эксплуатируются, но обычно несколько выше.

Светоотдача ЭЛК равна

где F — световой поток, лм, Wa— активная мощность, Вт. Зависимость светоотдачи от напряжения возбуждаю­ щего поля для ЭЛК с различным цветом свечения пока­ зана на рис. 3.11. Из рисунка видно, что с ростом напря­ жения т] также проходит максимум. Это объясняется

теми же причинами, что и максимум энергетического выхода. Однако если спектр электролюминесценции за­ висит от напряжения, максимум светоотдачи может быть несколько сдвинут относительно максимума энергетиче­ ского выхода.

Зависимость светоотдачи ЭЛК с голубым, зеленым и желтым цветами свечения от частоты возбуждающего

136