Файл: Прикладная электролюминесценция..pdf

Заметим, что если mi£Ty„,<£o и t/=const, то яркость при нагревании будет возрастать несмотря на темпера­ турное тушение. Наличие температурного тушения не сказывается на характере зависимости яркости от тока и напряжения, так как оно влияет лишь на величину множителя, не зависящего от U. Так, зависимость силы тока от напряжения и температуры, описываемая фор­ мулой (1.11), наблюдается в широком диапазоне токов и температур для вплавных р—п переходов в фосфиде галлия, излучающих красный свет. При этом интенсив­ ность света зависит от силы тока в соответствии с фор­ мулой (1.12), где £ = 3/г во всем исследованном диапа­ зоне.

Внутренний энергетический выход инжекционной электролюминесценции определяется соотношением по­ токов .рекомбинации через центры свечения и центры тушения. У существующих в настоящее время, инжекционных источников видимого света он часто бывает мал. Однако у хороших фотолюминофоров, у которых выход определяется этими же процессами, величина квантового выхода люминесценции близка к единице. У некоторых инжекционных источников инфракрасного света он так­ же близок к единице. Это показывает, что в принципе можно изготовить и инжекционные источники света с большим выходом. Для этого необходимо каким-то образом уменьшить роль центров тушения. Очистка ма­ териала полупроводника не всегда позволяет уменьшить их концентрацию в достаточной мере. Дело в том, что если в состоянии равновесия (т. е. без возбуждения) центры свечения нейтральны, а центры тушения заря­ жены, то последние будут притягивать к себе инжекти­ рованные заряды противоположного знака и захватывать их с гораздо большей скоростью, чем центры свечения. Поэтому, например, центры тушения, концентрация ко­ торых на четыре порядка меньше концентрации актива­ торов, могут взять на себя значительную долю потока рекомбинации.

Для подавления их .действия необходимо ввести соактиватср, образующий настолько мелкие уровни, что заряды на них не удерживаются. Как показывает рас­ чет,- концентрация соактиватора должна быть такой, чтобы в состоянии равновесия все центры люминесцен­ ции были бы заряжены. Например, если активатор — акцептор, то соактиватор должен быть мелким донором.

Рассмотрим для конкретности я-слой. При инжекции

внего вводятся равные количества электронов и дырок, но, так как уровни доноров мелкие, электроны остаются,

восновном, свободными, а дырки, напротив, будут ло­

кализованы, поскольку уровни акцепторов глубокие. В результате концентрация свободных дырок будет мно­ го меньше концентрации электронов. Поэтому соотноше­ ние потоков рекомбинации через центры свечения и ту­ шения будет определяться тем, с какой скоростью те и другие будут захватывать дырки. Поскольку в данном случае центры свечения заряжены отрицательно, они бу­ дут притягивать дырки не слабее центров тушения. Та­ ким образом, благодаря соактиватору центры свечения и центры тушения окажутся поставленными в равные условия, и если концентрация центров свечения больше, через них пойдет основной поток рекомбинации. .

На опыте, однако, оказывается, что большую роль играют также рекомбинации в областях объемного за­ ряда, расположенных по обе стороны от я-слоя. В них условия, конечно, не так благоприятны. Расчет показы­ вает, что роль их можно в достаточной мере уменьшить, если расширить я-слой до размеров порядка длины диф­ фузии, а слои объемного заряда, напротив, сделать как можно тоньше. Пока этого осуществить не удалось из-за трудностей создания нужного пространственного распре­ деления примесей в кристалле.

Описанные выше благоприятные условия сохраняют­ ся в я-слое лишь при не слишком больших приложен­ ных напряжениях. Они нарушаются, как только концен­ трации свободных электронов и дырок становятся срав­ нимыми по величине. Это может быть только тогда, когда концентрация инжектированных дырок станет того же порядка, что и концентрация глубоких акцепторов. Такую концентрацию инжектированных зарядов можно получить лишь при импульсном возбуждении. В этой области напряжений начинается спад выхода электро­ люминесценции. От температуры выход зависит мало при низких температурах и уменьшается приблизительно в соответствии с формулой (1.13) в области высоких температур.

Внешний квантовый выход электролюминесценции от­ личается от внутреннего тем, что из-за полного внутрен­ него отражения из кристалла могут выйти лишь те лучи, которые падают на его поверхность по направлению,

36

близкому к нормали. Отраженный свет блуждает в кри­ сталле, пока не встретит грань, расположенную под нуж­ ным углом. Обычно кристалл электролюминофора не­ сколько поглощает свет люминесценции. Поэтому ока­ зывается, что если кристалл достаточно большой, то от­ раженный свет теряется полностью. Так, из кристалла, имеющего форму тонкой пластинки, может выйти всего несколько процентов возникшего в нем света *.

Для увеличения внешнего квантового выхода инжекционных источников света их следует делать в виде по­ лушария, в центре плоской поверхности которого рас­ положена небольшая площадка, занятая р—п перехо­ дом **. Тогда все лучи света, возникающего в р—п переходе, будут падать на сферическую часть поверхно­ сти кристалла почти по нормали и, следовательно, смо­ гут беспрепятственно выйти наружу.

Эквивалентная емкость светодиодов

Заканчивая рассмотрение свойств инжекционной электролюминесценции, необходимо остановиться еще на одном свойстве, характерном для инжекционных источников света. Речь идет об их эквивалентной емко­ сти. Дело в том, что в р—п переходе существует область с высоким сопротивлением (я-слой или просто тонкий слой вблизи плоскости р—п перехода), по обе стороны от которой сопротивление гораздо ниже. Этот слой слу­ жит как бы диэлектриком (хотя, быть может, и с боль­ шой утечкой) между двумя обкладками конденсатора.

В ряде устройств электролюминесцирующие кристал­ лы подвергаются действию не только постоянного, но и переменного напряжения. При этом р—п переход дейст­ вует как выпрямитель, зашунтированный некоторым кон­ денсатором, емкость его зависит от условий, в которых находится р—п переход. Толщина высокоомного слоя,

аследовательно, и емкость этого конденсатора зависит

*При электролюминесценции порошкообразных электролюмино­ форов этот эффект невелик, так как кристаллы столь малы, что свет может почти без потерь пройти путь, в десятки раз превышающий

размеры кристалла. За это время ои почти наверняка встретит одну из граней под нужным углом и выйдет наружу. •

** Диаметр этой площадки должен быть во столько раз меньше диаметра шара, во сколько показатель преломления полупроводника больше единицы.

37

от приложенного постоянного напряжения. Так, напря­ жение, приложенное в запорном направлении, увеличи­ вает толщину слоя (и, следовательно, уменьшает емкость), а в прямом направлении уменьшает толщину слоя и тем самым увеличивает емкость.

Зависимость емкости С от величины постоянного на­ пряжения U позволяет определить концентрацию при­ месей в материале, если р—п переход резкий, и гради­ ент концентрации примесей, если переход плавный. Для этого в первом случае строят зависимость С~2 от £/=, во втором С~3 от Д=. В обоих случаях эксперименталь; ные значения должны ложиться на прямую, пересекаю­ щую ось напряжений в точке, соответствующей контакт­ ной разности потенциалов UK.

где е — диэлектрическая проницаемость; С (0 )— емкость при отсутствии постоянного напряжения, пФ; S — пло­ щадь р—п перехода, см2.

Градиент концентрации примесей в плавном р-п пе­ реходе можно определить по формуле

Чтобы наилучшим образом приблизиться к условиям, принятым при выводе этих формул, измерения следует’ производить при минимальных возможных амплитудах переменного напряжения и на низких частотах.

Емкость зависит и от частоты переменного напряже­ ния. Происходит это потому, что если частота достаточно велика, то центры, на которых сосредоточен объемный заряд, не успевают перезарядиться за время полупериода приложенного напряжения. Это как бы увеличивает эквивалентную толщийу высокоомного слоя и, следова­ тельно, уменьшает емкость р—п перехода. На скорость перезарядки центров, расположенных на границах высо­ коомных слоев, влияет также электрическое сопротив­ ление этих слоев, так как оно определяет величину тока

38

высокоомного слоя, затем — центры с более мелкими уровнями, расположенные на границах более низкоом­ ных слоев и т. д. Поэтому зависимость емкости от ча­ стоты оказывается ступенчатой, причем каждая ступень-, ка соответствует уровням определенной глубины. По положению этих ступенек при разных температурах и напряжениях можно даже оценить глубину этих уров­ ней и их концентрации.

Существование эквивалентной емкости инжекционных источников света и ее зависимость от частоты приходит­ ся учитывать при конструировании схем с инжекционными источниками света.

1.4.ЭЛЕКТРОХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ (ЭЛЕКТРОФЛОРНЫИ ЭФФЕКТ)

Электрофлоры представляют собой новую группу материалов, способных давать яркое видимое излучение при пропускании сквозь них электрического тока или приобретающих под действием тока способность к фотолюминесценции *. Способностью к такой элек­ трохемилюминесценции обладают углеводороды полиаценового ряда, а также изобензофураны, изоиндолы и их производные. Электрофлорная композиция в свободном состоянии представляет собой прозрачную жидкость или прозрачную студенистую массу. В нее входят электрофлор (активатор), сопровождающий электролит и другие компоненты.

, Первым объектом исследований электрохемилюминесценции был люминол [13]. В настоящее время известны десятки различных ма­ териалов, обладающих электрофлорным эффектом с широким набо­ ром спектральных характеристик излучения и различными харак­ теристиками эффекта «памяти». Когда на электроды электрофлорной ячейки подается напряжение, электрофлор начинает интенсивно люминесцировать вблизи одного или обоих электродов под влиянием ультрафиолетового света. Яркость свечения пропорциональна вели­ чине накопленного заряда. Подача импульса обратной полярности, компенсирующего накопленный заряд, гасит свечение.

Люминесцирующие электрофлоры могут возбуждаться светом

•

с длинами волн в диапазоне от 3000 до 4000 А. Яркость свечения пропорциональна интенсивности облучающего ультрафиолетового излучения. Эта пропорциональность нарушается лишь из-за повы­ шения температуры материала, вызываемого внешним излучением.

Большие успехи достигнуты в создании электрофлоров с ярким голубым свечением; ведется разработка электрофлоров с зеленым и желтым свечением. Перекрытие всего видимого спектра считается' возможным. Некоторые типы электрофлорных материалов, излучаю­ щих под действием электрического тока в видимой области, не тре­ буют ультрафиолетового возбуждения.

* Некоторые электрофлорные материалы при пропускании элек­

39