62,63 Источники света с порошкообразным и пленочным

Электролюминофорами

Светодиоды являются почти точечными источниками света (площадь излуча-ющей 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-n-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 кри-сталлической решетки ускоренными в электрическом поле электронами, 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.

Процессы в одиночном зерне люминофора - структура из двух диэлектриков Д и люминофора П между ними в присутствии напряжения. Электроны, освобождающиеся из поверхностных уровней на левой границе пленки, ускоряются сильным полем и совершают ионизации центров свечения (переход 4), атомов основного вещества (переход 5) или вызывают внутрицентровый переход 7. Созданные дырки отводятся электрическим полем 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.

Таким образом, схема энергетических зон на «качается» с частотой приложенного к источнику переменного напряжения, ионизация попеременно происходит на левом и правом краях зерна или пленки, возникает поток света, пульсирующий с частотой 2f, где f - частота приложенного к источнику переменного напряжения. Если примеси, создающие центры рекомбинации, отсутствуют, а пленка ZnS 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 напряжения. Именно такой тип излучения используют в тонкопленочных излучателях на основе ZnS:Мn. Концентрация марганца в ZnS может быть сделана настолько высокой (~ 1%), что вероятность столкновений электронов с атомами Мn оказывается достаточно большой. Если толщина пленки мала (меньше 1 мкм), то электрическое поле в ней почти однородно, оно имеет при внешнем напряжении U = 100 В напряженность порядка 1·106 В/см, что приводит к интенсивному возбуждению атомов Мn и решетки. Пробой структуры 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 различных устройствах отображения ин-формации.

Яркость порошковых источников света (их часто называют электролюминес-центными панелями) равна примерно 50 кд/м2 при напряжении U = 150 В, частоте f = 1 кГц и комнатной температуре. Выход ηke ≈ 10 %, срок службы (время, в тече-ние, которого яркость падает до половинного значения) t0,5 ≈ 2·103 часов. 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 напряжения U и особенно сильно с ростом температуры. Длительность затухания свечения после выключения напряжения меньше 1·10–3 с (оно связано с временем формирования области пространственного заряда и вероятностью внутрицентровых переходов). Яркость порошковых и пленочных об-разцов растет с повышением частоты и амплитуды напряжения и приближенно может быть представлена выражением L=L1 (f) Un

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