Предпробойная электролюминесценция

БЕЛАРУСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ: ПРЕДПРОБОЙНАЯ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

 

 

 

 

 

Выполнил: студент 4-го курса

Ронишенко Богдан

Содержание

Введение……………………………………………………………………3

Виды электролюминесценции…………………………………………….4

Механизм предпробойной электролюминесценции……………………..5

Примеры конструкций тонкослойных электролюминесцентных устройств…………………………………………………………………………..8 Заключение………………………………………………………………..10

Список литературы……………………………………………………….11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Электролюминесценция неорганических полупроводников является очень  перспективной областью современной  науки. Это связано с необходимостью создания более совершенных источников света. Неорганические люминофоры обладают рядом полезных качеств, что может позволить их использование в производстве высококачественных дисплеев. Такие дисплеи будут более контрастны, экономичны, компактны, чем существующие жидкокристаллические. В настоящий момент человечество стоит на пороге создания гибких дисплеев, и использование неорганических люминофоров может позволить их создание и решить проблемы, существующие в этой области. Не смотря на то, что электролюминесценция  - это относительно молодая область исследования (перв. половина XX в.), однако, в настоящее время уже сделаны значительные успехи в этом направлении. На данный момент уже известно большое количество электро-люминофоров, которые позволяют получать широкий спектр цветов. Разработаны различные подходы к практической реализации электролюминесцентных устройств. В данной работе излагается материал по предпробойной электролюминесценции  как мало используемой, но очень перспективной области.

 

Виды электролюминесценции.

Электролюминесценцию можно  поделить на инжекционную и предпробойную. В случае инжекционной используется постоянное напряжение порядка нескольких вольт. На этом принципе работают полупроводниковые  диоды и лазеры. Предпробойная  ЭЛ принципиально отличается и по механизму и по реализации. Для  возбуждения люминесценции в  этом случае используют переменное напряжение с частотой порядка килогерц и напряженностью поля порядка 10⁶ В/см. В свою очередь предпробойная электролюминесценция делится на порошковую ЭЛ и тонкопленочную ЭЛ.

Рассмотрим какими преимуществами обладает предпробойная электролюминесценция по сравнению с инжекционной. Важным качеством является то что в ППЭЛ используется поликристаллических  люминофор, что снижает стоимость  таких устройств и дает высокую  востпроизводимость и стабильность полосы свечения в сравнениии с ИЭЛ, где используется монокристалл. Вторым преимуществом является отсутствие необходимости в высокой электропроводности при использовании высокочастотных токов. В ИЭЛ устройствах электропроводность имеет решающую роль, также необходим контроль содержание примесей в кристалле. Получение чистых кристаллов сильно увеличивает стоимость таких устройств. На рисунке 1 представлена схема, показывающая виды ЭЛ.

Исторически, явление ЭЛ впервые было открыто Дестро в 1936, который наблюдал люминесценцию  порошка сульфида цинка активированного медью, суспендированного в касторовом масле при действии сильного электрического поля. Этот тип люминесценции сейчас называется порошковой ЭЛ.

В начале 60х прошлого века для ЭЛ использовали тонкий слой поликристаллического сульфида цинка, заключенного между  двумя электродами. Этот вид люминесценции  называют тонкослойной.

В настоящее время тонкослойная ЭЛ гораздо более востребована, чем  порошковая. Это связано с существенными  недостатками порошковой люминесценции. Например, порошковые люминецентные  устройства имеют ограниченное время  жизни при высоких и средних интенсивностях свечения. Это связано с разрушением гетерограницы и диффузией меди в сульфид цинка. Также характерна низкая контрастность изображения, для решения этой проблемы было предложено делать экраны на основе тонкослойных транзисторов, однако идея наткнулась на серьезные практические преграды. Кроме того, во второй половине прошлого века, после того, как ученые продемонстрировали возможность изготовления качественных дисплеев на основе тонкопленочной технологии, многие исследовательские команды, исследовавшие этот вопрос были расформированы и до настоящего времени очень мало работы проводится в этом напрвлении.

Рисунок 1 Схема видов люминесценции.

Механизм предпробойной  электролюминесценции.

Рассмотрим механизм тонкопленочной электролюминесценции. Электроны, которые  являются основными носителями заряда в этом случае, инжектируются в  ЭЛ излучающий слой. Эти электроны  ускоряются електрическим полем  до тех пор пока некоторые их них  не достигнут энергий необходимых  для того, чтобы вызвать ударное  возбуждение люминесцентных центров, производящих ЭЛ свечение. Наиболее часто  встречающиеся люминесцентные центры в сульфиде цинка и других полупроводниках  – это ионы марганца и редкоземельные ионы. Введение активаторов позволяет получать широкий спектр  излучаемых цветов.  Как уже было отмечено выше, механизм ППЭЛ сильно отличается от механизма ИЭЛ. Можно выделить три основные процесса:

1. Инжекция носителей заряда
2. Распространение энергии носителей заряда в области сильного электрического поля.
3. Возбуждение люминесцентных центров

Здесь необходмимо особо  отметить механизм инжекции носителей  заряда. Когда полупроводник находится  в контакте с металлом, на границе  контакта формируется потенциальный  барьер, называемый барьером Шоттки. Особенность  высоковольтной электролюминесценции заключается в том, что при  высоких напряженностях поля становится возможным туннелирование электрона  через потенциальный барьер и, таким  образом, происходит инжекция носителей зарядов в полупроводник. Сама возможность туннелирования связана с тем, что в переменном поле высокой напряженности происходит уменьшение толщины потенциального барьера. Наглядно этот процесс представлен на рис. 2 и 3.

 

Рисунок 2 Изменение барьера Шоттки при действии поля на гетерогранице.

Рисунок 3 Туннелирование электронов через барьер Шоттки при при высоких значениях напряженности поля.

 Рассмотрим механизм порошковой ЭЛ. Множество механизмов было предложено для описания этого явления. Например, модель ударной ионизации, модель излучения Зенера, модель обратной ударной ионизации. Однако, до сих пор наиболее популярной теорией является модель биполярной полевой эмиссии, предложеная фишером. Тщательное изучение частиц сульфида цинка, содержащих медь, с использованием оптического микроскопа показало, что светоизлучающие области частиц имеют вытянутую форму, напоминающую хвост каметы. При дальнейшем изучении, Фишер обнаружил, что существует множество темных образований внутри частиц люминофора. Используя эти наблюдения Фишер предположил, что существуют проводящие включения на основе сульфида меди в частицах люминофора.  Эти включения имеют иглообразную форму и основные явления происходят около этих включений. Фишер ввел представление о биполярно природе инжекции носителей заряда, сущность которого заключается в следующем. При наложениии поля определенной полярности изиз одного конца проводящего включения в объем кристалла сульфида цинка выходят дырки, а из противоположного – электроны. Дырки захватываются центрами люминесценции, а электроны ловушками. При изменении полярности знаки носителей, выходящих из концов проводящих включений, меняются. Конец, из которого выходили дырки, при изменении знака поля будет поставлять электроны, последние могут рекомбинировать с дырками, находящимися на центрах люминесценции. (рис.4) Предложенная модель позволила Фишеру интерпретировать основные явления люминесценции: зависимость яркости свечения от напряженности, величину светоотдачи, стабильность, изменение цвета люминофора при повышении частоты возбуждающего поля.

Рисунок 4 Механизм порошковой электролюминесценции по Фишеру.

Примеры конструкций  тонкослойных электролюминесцентных  устройств

Тонкослойные ЭЛ устройства обладают хорошим потенциалом для  создания цветных дисплеев. Существует несколько подходов к конструированию  таких устройств:

1. ЭЛ на тонком слое диэлектрика и на стеклянном субстрате
2. ЭЛ на толстом слое диэлектрика
3. ЭЛ на керамической диэлектрической пластине
4. ЭЛ с толстым тыльным слоем диэлектрика
5. ЭЛ с применением сферических частиц

Следует отметить, что яркость  свечения зависит от проходящего  через цепь тока, чем больше ток, тем ярче люминесценция. Поэтому  диэлектрик подбирают таким образом, чтобы достич максимальной диэлектрической проницаемости. Для тонкослойных диэлектриков используют неорганические оксиды, для более толстых слоев – титанат бария с диэлектрическо проницаемостью около 2000. 

Случай 1) самый простой (рис.5). Люминофор заключается между двумя тонкими слоями диэлектрика, и подводятся электроды. Для того чтобы избежать пробоя и поломки устройства диэлектрик и непрозрачный электрод подбирают таким образом, чтобы в случае пробоя происходило устранение  пробоя. Это исторически первый метод, не самый удобный.

Рисунок 5 ЭЛ устройство с двумя тонкими диэлектрическими слоями

Случай 2) более интересен. Использование толстого слоя диэлектрика  из титаната бария позволяет избежать возможности пробоя. Надо сказать, что  яркость свечения в этом случае возрастает, что связано с огромной диэлектрической  проницаемостью титаната бария (рис.6).

Рисунок 6 Иллюстрация ЭЛ устройства на толстом слое диэлектрика

Способ 3) довольно удобен, но не позволяет получать большие ЭЛ пластины из-за хрупкости люминофора (рис. 7).

Рисунок 7 ЭЛ устройство на керамической диэлектрической пластине

Особо необходимо отметить способ 5), так как он позволяет  получать гибкие ЭЛ устройства. Как  показано на рисунке, используются сферы из титаната бария, заключенные в полимер. Таким образом достигается высокая яркость свечения и гибкость устройств (рис. 8).

Рисунок 8 ЭЛ устройство с применение сферических  частиц.

Заключение

Как видно из вешепреведенного материала, предпробойная электролюминеценция является очень итересной и перспективной областью исследования. На данный момент еще существует множество неизученных аспектов такого рода ЭЛ. Открывается огромное поле деятельности для исследлователя.

Следует отметить, что уже  сейчас этот принцип применяется  во многих устройствах, где невозможно или неудобно использование иных технологий. Например, порошковая ЭЛ хоть и имеет ряд ограничений, однако это наиболее подходящий вариант  для создения гибких устройств и  устройств сложной формы. В сочетании  с относительно низкой стоимостью,  эти устройства оказываются очень  конкурентноспособными и удобными в этой области. Уже изготовлены  многие устройства, работающие на тонкослойной ЭЛ. В дальнейшем можно предсказать, что именно электролюминецентные устройства будут все более и более вытеснять существующие светоизлучающие приборы.

 

Список литературы

1. Luminescent Materials and Applications.  Adrian Kitai. //Wiley – 2008. – P. 231-280.
2. Fundamentals of Fosfors W.M. Yen, S. Shionoya, H. Yamamoto// CRC Press. – 2007. – P. 130-160.
3. Неорганические люминофоры. О. Н. Казанкин и др.// Химия. – Л. 1975. –192стр.

 

 

 

 

Минск 2013