7.Люминесценция твердых тел

7.1.Виды люминесценции

При поглощении веществом энергии происходит переход его частиц из нормального (невозбужденного) в возбужденное состояние. Через некоторое время возбужденные частицы возвращаются в исходное состояние. Этот переход сопровождается электромагнитным излучением. Самым распространенным видом излучения является тепловое, т.е. испускание электромагнитных волн за счет внутренней энергии тел. 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 названиекристаллофосфоров.

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) и электролюминесценция кристаллов в переменном поле (эффект Дестрио).

7.2.Электролюминесценция кристаллофосфоров

7.2.1. Механизм свечения кристаллофосфоров

Рассмотрим эффект Дестрио. Типичным примером кристаллофосфора является сульфид цинка, легированный медью (ZnS:Cu).

Упрощенная схема энергетических уровней данного кристаллофосфора изображена на рис.7.1. Ширина его запрещенной зоны равна 3,6 эВ. Медь является примесью – активатором. Ионы меди вместе с деформированными местами кристаллической решетки ZnS образуютцентры 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), на рис. 7.1 изображены так называемыеэлектронные ловушки(Л). Электронными ловушками называются уровни, которые способны захватывать электроны из зоны проводимости, а затем за счет тепловой энергии отдавать их обратно. Такие ловушки называют такжеловушками захвата.

В настоящее время общепринятой является теория в двухстадийном характере ЭЛ. При приложении переменного электрического поля в электролюминофоре ZnS:Cu в каждый полупериод происходит создание области концентрации поля, ионизации центров свечения на «катодном» краю кристалла и перенос к другому краю кристалла (первая стадия). Ионизация, имеющая место на первой стадии, носит характер ударной ионизации. Первичные электроны в зоне проводимости ускоряются электрическим полем и приобретают энергию, достаточную для ионизации центров свечения. Поэтому при соударении ионизируют их, т.е. отрывают «новые», вторичные, электроны (переход 1 на рис.7.1). Центр свечения при этом превращается в положительно заряженный ион. Первичные и вторичные электроны снова ускоряются и производят ионизацию других центров свечения, отрывая новые и новые электроны. В кристалле образуются лавина (см. рис.7.2) электронов.

Часть электронов может отгоняться к противоположному краю кристалла и захватываться ловушками (переход 3 на рис.7.1). За счет этого прикатодная область становится обедненной свободными носителями заряда, сопротивление резко возрастает, и возрастает падение напряжения на ней, что приводит к концентрации поля в этой области.

На второй стадии, когда электрическое поле меняет полярность, электроны возвращаются к центрам свечения и рекомбинируют с ними, давая излучение (переход 2 на рис.7.1). Кроме того, за счет тепловой энергии (~) происходит выброс электронов из ловушек (переход 4 на рис.7.1), после чего они могут либо рекомбинировать с центром свечения, либо ускоряться полем и участвовать в процессе ионизации.