16. Люминесценция в полупроводниках и диэлектриках. Электролюминесценция. Электролюминесцентные излучатели
Люминесценцией называют излучение, избыточное над тепловым при данной температуре и имеющее длительность, значительно большую периода колебаний испускаемых электромагнитных волн.
По способу возбуждения различают несколько видов люминесценции:
фотолюминесценция – свечение, возникающее при возбуждении ультрафиолетовым или видимым светом;
катодолюминесценция – свечение, вызываемое пучком электронов;
хемилюминесценция – свечение, возбуждаемое за счет энергии химических реакций;
рентгенолюминесценция – свечение, возникающее при возбуждении рентгеновскими лучами;
электролюминесценция – свечение, возникающее под действием электрического поля.
Люминесценция, в отличие от теплового излучения, является неравновесным процессом. Вещества, способные излучать свет под действием различных видов возбуждений, получили название люминофоров. Излучение люминофоров является некогерентным, так как наблюдается свечение огромного числа частиц, которые испускают свет независимо друг от друга.
Люминесцировать могут вещества, находящиеся в газообразном, жидком и твердом состояниях.
Люминесценция, прекращающаяся после действия возбуждения, называется флуоресценцией. Люминесценцию, которая сохраняется длительное время (10-6 с и более) после прекращения действия возбудителя, называют фосфоресценцией. Фосфоресценция наблюдается в твердых (кристаллических) веществах, которые получили название кристаллофосфоров.
Ширина запрещенной зоны кристаллофосфоров лежит в пределах от 2 до 10 эВ, т.е. они относятся к классам диэлектриков или широкозонных полупроводников.
В твердых телах может наблюдаться два вида электролюминесценции:
инжекционная электролюминесценция - в p-n - переходе под действием постоянного поля (эффект Лосева, л.р.№ 7-6) ,
электролюминесценция кристаллов в переменном поле (эффект Дестрио, л.р.№ 7-3).
Электролюминесценция кристаллофосфоров
Рассмотрим кристаллофосфор (ZnS:Cu). Ширина его запрещенной зоны Е = 3,6 эВ.
Медь является примесью – активатором.
Схема энергнтических уровней кристаллофосфора
Ионы меди вместе с деформированными местами кристаллической решетки ZnS образуют центры свечения.
Для облегчения сплавления в сульфид цинка вводится еще одна примесь – хлор, ее называют соактиватором. Соактиватор также может давать центры свечения. Центры свечения располагаются в запрещенной зоне сульфида цинка. На уровнях центров свечения находятся электроны, то есть центры свечения условно можно назвать очень глубокими донорами.
Кроме уровней центров свечения (ЦС), в запрещенной зоне находятся электронные ловушки (Л) – ловушки захвата.
Люминесценция наблюдается в переменном электрическом поле.
Она протекает в две стадии:
- 1 стадия - ионизации центров свечения на «катодном» краю кристалла и перенос к другому краю кристалла. Ионизация носит характер ударной ионизации.
- 2 стадия – (электрическое поле меняет полярность) электроны возвращаются к центрам свечения и рекомбинируют с ними, давая излучение.