Работа № 54. Изучение работы низковольтного катодолюминесцентного индикатора.

Цель работы.Изучение физических основ работы низковольтных катодолюминесцентных индикаторов, оценка ширины запрещенной зоны катодолюминофора.

Введение.

Низковольтные вакуумные катодолюминесцентные индикаторы (ВЛИ) находят широкое применение в средствах отображения информации. ВЛИ используется в цифровых, буквенно-цифровых, аналоговых и мнемонических дисплеях в ЭВМ, электронных часах, диспетчерских пультах АСУ, транспортных устройствах, телевизорах, видеомагнитофонах и другой радиоэлектронной аппаратуре. Важным свойством ВЛИ является их высокая долговечность (более 100000 часов).

П

Рис. 1

ростейшие представители ВЛИ – вакуумные триоды. На рис.1, в качестве примера, показана типичная конструкция цилиндрического одноразрядного ВЛИ, используемого в данной лабораторной работе. Источником электронов, возбуждающих катодолюминесценцию (люминесценция, возникающая при возбуждении вещества потоками электронов, ускоренных во внешнем электрическом поле), служит прямонакальный оксидный катод (1). Элемент информационного поля индика-тора – анод (2) расположен на керамической или стеклянной плате (3) и покрыт слоем като-долюминофора. Для управле-ния индикатором напряжение через выводы (4) подаётся толь-ко на те сегменты анода, кото-рые формируют требуемое изо-бражение (незадействованные сегменты имеют потенциал ка-тода). Внутри стеклянного бал-лона (5), содержащего всю кон-струкцию, имеется активный газопоглотитель, поддерживающий высокий вакуум. Стенки баллона покрыты прозрачным токопроводящим слоем, который экранирует поток электронов от воздействия внешних электрических полей. Между катодом и анодом расположена положительно заряженная сетка (6), которая рассасывает пространственный заряд у катода (появившийся вследствие термоэлектронной эмиссии) и формирует электронный поток. В случае необходимости сетка может управлять электронным потоком.

Индикаторы такого типа (рис. 1) называются низковольтными, так как энергия электронов, возбуждающих свечение люминофора, сравнительно невелика и не превышает десятков электрон-вольт.

Как уже упоминалось, в ВЛИ, для увеличения долговечности прибора и избежания побочной засветки индикатора, используются оксидные катоды, позволяющие поддерживать относительно низкую температуру катода (T9001000 К). В таких катодах на основание из никеля или вольфрама обычно наносится смесь оксидов щелочноземельных металлов – бария, кальция и стронция. У оксидного катода термоэлектронная эмиссия происходит главным образом из атомов бария. При этом перекал катода усиливает испарение бария и снижает выход электронов. В этом плане подбирают оптимальные напряжения накала катода.

В

Рис. 2

озбуждение катодолюминофора в основном сводится к перебросу электронов из валентной зоны в свободную зону (рис.2, переход 1). Рекомбинация свободных электро-нов и дырок может сопровож-даться рождением квантов света (люминесценцией). При этом при встрече с центром люминесценции сначала на нем локализуется один из носителей заряда, например дырка (переход 2), а затем другой – электрон (переход 3). Именно на последнем этапе в результате воссоединения зарядов имеет место люминесцентное испускание света.

Может наблюдаться и безызлучательная рекомбинация на так называемых центрах тушения (переходы 4, 5). В этом случае освобождающаяся энергия в виде фотонов передаётся кристаллической решетке люминофора (нагрев кристалла).

Возврат возбужденной системы в равновесное состояние происходит поэтапно. Сначала генерируемые электроны и дырки термолизуются (переход 6), переходя к краям соответствующих зон и отдавая избыточную энергию кристаллической решетке (время релаксации 10^-12с). После этого развивается процесс рекомбинации, который, в отсутствии ловушек для электронов и дырок, происходит также довольно быстро и заканчивается за время примерно равное 10^-8с.

Рассмотрим в общих чертах механизм образования электронных возбуждений в люминофоре, поскольку он определяет как эффективность катодолюминесценции, так и потенциал начала свечения индикатора. При возбуждении катодолюминофора часть первичных электронов, падающих на его поверхность, испытывает упругое или неупругое отражение, а оставшаяся часть проникает внутрь слоя (глубина проникновения тем больше, чем выше значение кинетической энергии электронов). Кинетическая энергия при торможении электронов теряется на создание элементарных возбуждений кристаллической решетки типа экситонов, электронно-дырочных пар, плазмонов (коллективных колебаний свободных электронов) и т.д.

Заметим, что целостная картина катодовозбуждения очень сложна и требует изучения в специальной литературе. В качестве одного из дополнений, характерного для низковольтной люминесценции, можно указать на дифракцию электронов на атомах кристаллической решетки.

Зависимость яркости катодолюминесцентных приборов от условий возбуждения (плотности тока jэлектронного пучка и ускоряющего напряженияU) описывается выражением

L  j(U-U_п)ⁿ,

где U_п– пороговое напряжение, соответствующее началу свечения люминофора;n0,81,5. При исследовании ВЛИ обычно обнаруживается область линейностиLjU, которая часто используется при подключении индикатора.

Возникновение порогового напряжения объясняется наличием потенциального барьера у поверхности катодолюминофора, связанного с появлением поверхностного заряда, который отталкивает первичные электроны. В этом плане стараются приготовить катодолюминофор с повышенной электропроводностью, чтобы рассосать скапливающиеся у поверхности электроны (U_п снижается до единиц вольт).

При построении зависимости эффективности катодолюминесценции

 = L / jU

(в данном случае L– яркость излучения с единицы площади) отUможно зафиксировать эквидистантную структуру (серию пиков, разделённых равным интервалом напряжений∆U, рис. 3). Обнаруженные максимумы объясняются дискретным характером энергии на рождение электронно-дырочных пар (перевод электронов из валентной в свободную зону), а значение произведенияe∆U(е – заряд электрона) позволяет оценить ширину запрещенной зоны материала люминофора.