Файл: Прикладная электролюминесценция..pdf

Т&х. Ёсе эти характеристики зависят от частоты и ампли­ туды приложенного напряжения.

4.Инерционные характеристики. Сюда относятся кривые разгорания электролюминесценции после вклю­ чения возбуждающего напряжения и кривые затухания после его выключения, а также форма импульсов ярко­ сти при импульсном возбуждении и колебания яркости при возбуждении периодическим напряжением (так на­ зываемые волны яркости).

5.Температурные зависимости всех характеристик электролюминесценции.

6.«Старение» злектролюминофоров. Оно проявляет­

ся в том, что яркость ЭЛ К постепенно убывает по мере его работы.

7. Электрические характеристики электролюминесцентных устройств: величина импеданса и ее зависимость от напряжения, выпрямляющие свойства и т. п.

Не имея возможности рассмотреть характеристики электролюминесценции, полученные во всех исследован­ ных случаях, мы остановимся лишь на некоторых из них, наиболееважных в практическом отношении.

Двухстадийная модель

Рассмотрим отдельный кристаллик электролюминофо­ ра, помещенного в ЭЛК *. Пусть в данный момент фаза

так как электроны, освобождаемые теплом с- мелких доноров? уносятся полем на другой конец кристалла,

ановых электронов в эту область не поступает, потому

*Здесь рассматривается только один из обсуждаемых в литера­ туре механизмов эффекта Дестрио, представляющийся нам наиболее вероятным. Существуют и другие точки зрения, наиболее развита из

которых —- теория Фишера [3]. Ее мы обсудим ниже.

18

Рис. 1.6. Потенциальная энергия электрона в кристаллике электро­ люминофора. при разных фазах приложенного напряжения и процес­ сы, протекающие при этом'.

а — фаза t\. Благодаря уходу электронов, освобождаемых из доноров, обра­ зуется пространственный заряд; б — фаза ti. Начало проникновения электро­ нов в кристалл и ударная ионизация; а — фаза U. Напряжение уменьшается.

Электроны возвращаются в Прикатодную область и нейтрализуют простран­ ственный заряд; г — фаза t.1. Приложенное напряжение равно нулю. Простран­

ственный заряд почти полностью нейтрализован. В бывшей прикатодной обла-. сти идет рекомбинация; д — фаза tt. Знак напряжения переменился— напря­

жение прошло через максимум. Интенсивная рекомбинация в бывшей прика­ тодной области. В бывшей прианодной области идет ионизация.

что кристалл изолирован от электрода или соседнего кристалла слоем диэлектрика *.

Одновременно с ростом приложенного напряжения область объемного заряда расширяется, а поле все больше концентрируется в ближайшей к катоду части кристалла и частично вытесняется в слой диэлектрика, отделяющий его от соседнего кристалла или от катода. (Подобная же концентрация поля может происходить и на внутренних барьерах, например на тех р—п перехо­ дах, которые оказались включенными в запорном на­ правлении). Когда электрическое поле в кристалле до­

извне (рис. 1.6,6) сквозь барьер на его поверхности'**. Проникшие в прикатодную область кристалла электро­ ны попадают в сильное электрическое поле, разгоняются

внем и вызывают ионизацию центров люминесценции

икристаллической решетки ***. Возникающие при этом дырки увлекаются электрическим полем в сторону ка­ тода (на рис. 1.6,в — влево) и выходят из области силь­ ного поля, но не из кристалла. Большинство их остается

вобласти приповерхностного искривления зон или на поверхностных уровнях.

Вдальнейшем, когда приложенное напряжение начи­ нает уменьшаться (например, в момент /3), распределе­ ние потенциала в кристалле оказывается весьма слож­ ным (рис. 1.6,в). Поле возникшего поляризационного

заряда в правой чцсти кристалла становится больше внеш­ него поля (которое уже успело несколько уменьшить­ ся), и под влиянием суммарного поля электроны в этой части двигаются влево. В результате пространственный заряд начинает нейтрализоваться электронами, приходя­ щими из прианодной области. К моменту (4 он будет уже полностью нейтрализован (рис. 1.6,г). На этом за­ канчивается полупериод, который можно условно назвать

*Этот слой может быть и очень тонким, например, это может быть слой молекул, адсорбированных на поверхности кристалла.

**В энергетическом смысле этот переход может осуществляться

как сквозь барьер (туннельным путем), так и поверх него. Послед­ ний способ перехода электронов преобладает при малых приложен­ ных напряжениях, а при больщрх может преобладать первый способ. На рис, 1.6 для определенности -изображено туннельное проникнове­ ние'электронов сквозь барьер.

*** Одновременно может происходить и туннельная ионизация тех же атомов и другие процессы (рис. 1.3,а и б).

20

полупериодом ионизации в левой части кристалла. В мо­ мент 4 катод и анод поменяются местами, но электроны, приход которых вызвал нейтрализацию заряда в левой части кристалла, еще не успеют прорекомбинировать с положительными зарядами. Вплоть до некоего момен­ та t5 в левой части кристалла идет усиленная рекомби­ нация, сопровождаемая свечением (рис. 1.6,д). Дырки при этом возвращаются в бывшую прикатодную область и рекомбинируют там с электронами. В результате одно­ временного поступления электронов и дырок в область кристалла, где происходит рекомбинация, заряд ее оста­ ется близким к нулю. Этот полупериод мы назовем полу­ периодом рекомбинации в левой части кристалла. Про­ странственный заряд в это время возникает в правой части кристалла, где процессы сдвинуты по фазе на половину периода.

Источники первичных электронов

Для понимания механизма электролюминесцеНцйи важно знать, какова природа источника тех электронов, которые проникают сквозь поверхностный барьер и по­ падают в область сильного поля. Эти электроны могут проникать из катода или из соседнего кристалла сквозь слой диэлектрика, если он достаточно тонок, или же из так называемой второй фазы, расположенной на по­ верхности кристалла и обладающей проводимостью, значительно большей, чем проводимость самого кристал­ ла. Таким образом, для возникновения эффекта Дестрйо полной изоляцйи кристалла от электродов и от сосед­ них кристаллов не требуется. Достаточно лишь сущест­ вования какого-нибудь слоя с повышенным сопротивле­ нием.

Состав второй фазы может быть различен. Обычно цинксульфидные электролюминофоры приготовляются таким образом, что на их поверхности может образовать­ ся сульфид меди (CuxS) или окись цинка, но детальных исследований состава этой фазы не проводилось. Неиз­ вестно, даже, необходимо ли, чтобы это'была действи­ тельно фаза в химическом смысле слова,, или достаточно тонкого — в несколько молекулярных слоев — образова­ ния на поверхности кристалла, создающего в нем так называемые поверхностные уровни.

21

В зависимости от условий, все перечисленные источ­ ники электронов могут играть определенную роль, но в ярко светящихся ЭЛК основную роль играет, по-види­ мому, проникновение в лрикатодную область электронов из соседнего кристалла. Эго обстоятельство весьма важ­ но для практики, так как прохождение заметного коли­ чества электронов сквозь диэлектрик есть фактически нарушение его электрической прочности. Оно возможно лишь, когда слой диэлектрика очень тонок и находится в сильном электрическом поле. В этих условиях нару­ шение электрической прочности легко может стать не­ обратимым, т. е. может произойти пробой. Он, конечно, будет ограничен небольшой областью, где было сильное электрическое поле, но может, если не принять специ­ альных мер, вывести из строя весь ЭЛК. Местные пробои ЭЛК случаются нередко, и борьба с ними представляет серьезную проблему.

Модель Фишера—Маеды

Эта модель основана на том, что . при наблюдении под микро­ скопом монокристаллов сульфида цинка, а также кристалликов электролюминофора, помещенных в соответствующую иммерсию, в них ясно видны ярко светящиеся тонкие штрихи. Предполагается, что в этик штрихах возникает основной световой поток электро­ люминесценции. Сами штрихи отождествляются с некими проводя­ щими включениями, имеющими форму отрезков тонких нитей. Счи­ тается, что концы проводящих включений могут действовать как острия и концентрировать вблизи себя электрическое поле. Количе­ ственно эта теория совершенно не разработана. Поэтому мы не будем ее обсуждать, тем более, что штрихи вряд ли определяют яркость электролюминесценции кристалликов электролюминофора, находящихся в хорошем ЭЛК. Дело в том, что если кристаллик отделен от электродов толстым слоем диэлектрика, то вытеснение электрического поля из кристаллика, которое происходит вследствие его поляризации, не приводит к заметному увеличению поля в ди­ электрике. Следовательно, и на концах кристаллика поле не будет возрастать. Если же кристаллики расположены тесно друг к другу, то вытеснение поля из них резко увеличивает поле в прослойках диэлектрика между ними и в области пространственного заряда па концах кристалликов. В результате начинает работать подробно опи­ санный нами механизм электролюминесценции, который и создает основной световой, поток. В пользу этого говорит и тот факт, что два кристаллика, имеющих электрический контакт друг с другом, светят во много раз ярче, чем те же кристаллики, разобщенные слоем ди­ электрика .{4]. Поэтому бустрый рост яркости при увеличении кон­ центрации электролюминофора продолжается до тех пор, пока возрастает число_ кристалликов, находящихся в тесном контакте друг с другом [5]. С нашей точки зрения это объясняется тем, что при наличии контакта два кристаллика работают как один, к ко*

22

Торому приложена большая разность потенциалов. Модель же Фи­ шера — Маеды этого никак не объясняет.

Мы рассмотрели механизм электролюминесценции кристаллов с рекомбинационным свечением. Если электролюминофор имеет не­ рекомбинационный механизм свечения, как например ZnS—Си, Мп, то картина будет лишь несколько иной. В полупериод, соответствую­ щий полупериоду ионизации, быстрые электроны будут вызывать

полупериод, соответствующий полупериоду рекомбинации. Полоса люминесценции меди, если она есть, будет при этом возбуждаться прежним способом.

Исходя из описанных представлений, можно объяснить основ­ ные особенности электролюминесценции при возбуждении ее по спо­ собу Дестрио. Мы сделаем это в гл. 3.

Предпробойная электролюминесценция при непосредственном контакте с электродами

Предпробойная электролюминесценция отдельных р—п перехо­ дов, включенных в запорном направлении, а также тонких слоев однородных кристаллов в сильных импульсных полях, исследована мало и до сих пор не нашла практического применения. Однако некоторые наблюдаемые в этом случае явления с точки зрения прак­ тики весьма перспективны. В некоторых случаях удается наблюдать рекомбинацию «горячих» носителей заряда, т. е. электронов и ды­ рок, не успевших потерять энергии, приобретенной ими в сильном поле. Кванты испускаемого при этом света имеют энергию, превы­ шающую ширину запрещенной зоны. Например, р—п переход на кремнии может испускать, видимый свет [6—8].

Очевидно, что столь коротковолновый свет может выйти из кри­ сталла только, если он возник в непосредственной близости от его поверхности. Поэтому для наблюдения электролюминесценции, воз­ никающей при рекомбинации горячих электронов, необходимо, чтобы р—п переход быд расположен на расстоянии менее микрона от по­ верхности кристалла. Длительность такого свечения очень мала,' так как носители заряда менее, чем за 1 нс успевают потерять поч­ ти всю свою избыточную энергию. Эго обстоятельство и делает та­ кого рода электролюминесценцию перспективной для. применения в разного рода устройствах, где требуется особое быстродействие.

Близкое к этому явление наблюдается и на сульфиде цинка в сильных импульсных полях (9]. В этом случае спектр свечения состоит из трех узких линий, расположенных в ультрафиолетовой части спектра. Из них две имеют эне.ргию квантов, большую «терми­ ческой» * ширины запрещенной зоны, а третья — равную этой ши-

* Термической называется ширина запрещенной зоны, определен­ ная по температурной зависимости электропроводности. В ионных кристаллах она меньше ширины запрещенной Зоны, найденной по краю поглощения.

23