Рекомбинация электронов и дырок в полупроводниках может вызываться несколькими независимыми конкурирующими процессами. Иногда удобно отдельно рассматривать непосредственные переходы зона-зона и переходы с промежуточными шагами. Более важны для нас различия между излучательными и безызлучательными процессами

рекомбинации. При безызлучательных переходах энергия рекомбинации нагревает кристалл. При излучательных энергия рекомбинации преобразуется в кванты излучения. Если рекомбинация происходит в несколько этапов, может излучаться несколько квантов большей длины волны.

На рис. 8.1 схематически изображены несколько процессов рекомбинации. Наибольший интерес для нас представляет прямой зона - зонный излучательный переход (рис. 8.1, а). Основные конкурирующие безызлучательные переходы идут через глубоко лежащие в запрещенной зоне ловушечные уровни (рис. 8.1, в, г). Причиной появления этих ловушечных уровней могут быть примесные атомы, такие как золото или кремний, дислокации или другие дефекты кристаллической решетки, которые в большом количестве встречаются на поверхности полупроводника. Процессы рекомбинации зависят от расстояния до поверхности, макроскопических дефектов материала, нарушения непрерывности кристаллической структуры.

Рис. 8.1. Механизмы электронно-дырочной рекомбинации (в каждом случае отдельные стадии процесса следуют слева направо): а - прямой зона - зонный излучательный переход; излучательный зона - зонный переход с участием одного или нескольких фононов энергии в - переходы (возможно, безызлучательные) с участием глубоких акцепторных ловушек; г - переходы (возможно, безызлучательные) с участием глубокого донориого уровня; д - переходы (излучательиые или безызлучательные) с участием неглубокого акцепторного уровня; е - безызлучательный «сверлящий» рекомбинационный переход

В результате возникновения в нём к.-л. формы электрич. разряда. Из разл. типов Э. тв. тел наиболее важны инжекционная и предпробойная. Инжекц. Э. характерна для р - n-перехода в нек-рых ПП, напр. в SiC или GaP, в пост. электрич. , включённом в пропускном направлении. В re-область инжектируются избыточные дырки, а в р-область - эл-ны (или те и другие в тонкий слой между р- и n-областями). Свечение возникает при рекомбинации эл-нов и дырок в р - n-слое.

Предпробойная Э. наблюдается, напр., в порошкообразном ZnS, активированном Си, А1 и др. и помещённом в диэлектрик между обкладками конденсатора, на к-рый подаётся перем. звук. частоты. При макс. напряжении на обкладках конденсатора в люминофоре происходят , близкие к электрич. пробою: на краях частичек люминофора концентрируется сильное электрич. поле, к-рое ускоряет свободные эл-ны. Эти эл-ны могут ионизовать атомы; образовавшиеся дырки захватываются центрами люминесценции, на к-рых рекомбинируют эл-ны при изменении направления поля.

Э. газов - свечение газового разряда - используется в газоразрядных трубках. Э. тв. тел применяется для индикаторных устройств (электролюминесцентные знаковые индикаторы, мнемосхемы, изображений и т. д.).

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

- люминесценция, возбуждаемая электрич. полем. Наблюдается в газах и твёрдых телах. При Э. атомы (молекулы) вещества переходят в возбуждённое состояние в результате возникновения в нём к.-л. формы электрич. разряда. Из разл. типов Э. тв. тел наиб. важны и н ж е к ц и о н н а я и п р е д п р о б о й н а я. Инжекционная Э. характерна для р - n -перехода в нек-рых полупроводниках, напр. в SiC или GaP, в пост. электрич. поле, включённом в пропускном направлении. В n -область инжектируются избыточные дырки, а в p -область - электроны (или те и другие в тонкий слой между р- и n -областями). Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в р - n -слое.

Предпробойная Э. наблюдается, напр., в порошкообразном ZnS, активированном Сu, Аl, и др. веществах, помещённых в диэлектрик между обкладками конденсатора, на к-рый подаётся перем. напряжение звуковой частоты. При макс. напряжении на обкладках конденсатора на краях частичек люминофора концентрируется сильное электрич. поле, к-рое ускоряет свободные электроны, и происходят процессы, близкие к электрич. пробою. Электроны ионизуют атомы; образовавшиеся дырки захватываются центрами свечения, на к-рых рекомбинируют электроны при изменении направления поля.

Подобный механизм реализуется и в многослойных тонкоплёночных системах, где светящаяся плёнка толщиной ок. 1 мкм изолирована от обкладок конденсатора ещё более тонкими слоями диэлектрика. Особенностью таких систем является возможность создания в слое люминофора очень высокой напряжённости электрич. поля (~ 10 8 В/м), благодаря чему удаётся получить по неск. квантов света от каждого прошедшего сквозь слой электрона. Др. особенность- возможность получения бистабильного режима, в к-ром стационарная свечения зависит от того, достигнута ли данная амплитуда напряжения путём его повышения или понижения.

Возможны и др. механизмы предпробойной Э.- прямое центров свечения электронным ударом, а также внутризонная Э., в р - n -переходах, включённых в запорном направлении. При внутризонной Э. свободные электроны (или дырки) испускают при переходах в пределах зоны проводимости (валентной зоны), без участия центров свечения. Такая Э. отличается крайне широким спектром, охватывающим всю область прозрачности полупроводника и даже заходящим в область собств. поглощения.

Э. газов (свечение газового разряда) используется в газоразрядных трубках. Э. тв. тел применяется для индикаторных устройств (электролюминесцентные, знаковые индикаторы, мнемосхемы, преобразователи изображений и т.

Применяемые в настоящее системы с предпробойной Э. изготовляются гл. обр. на основе ZnS. Они подвержены деградации (постепенному снижению яркости во время работы) вследствие ионных процессов под действием сильного электрич. поля. Значительно более стойки системы на основе GaN, но технология их изготовления ещё недостаточно разработана. Разрабатываются также системы на основе органич. соединений с двойными связями.

Лит.: Прикладная электролюминесценция, М., 1974; Верещагин И. К., Электролюминесценция кристаллов, М., 1974; Верев-кин Ю. Н., Деградационные процессы в электролюминесценции твердых тел, Л., 1983. М. В. Фок.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Синонимы :

Смотреть что такое "ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ" в других словарях:

Электролюминесценция … Орфографический словарь-справочник

электролюминесценция - Явление свечения тел под воздействием электрического поля. [ГОСТ 13820 77] электролюминесценция Люминесценция, возникающая под действием электрического поля. [ГОСТ 25066 91] электролюминесценция Люминесценция, возбуждаемая электрическим полем.… … Справочник технического переводчика

Свечение газов при низких температурах вследствие прохождения по ним электрических разрядов. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. электролюминесценция (см. электро...) физ. люминесценция под действием… … Словарь иностранных слов русского языка

ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, свечение некоторых веществ, прежде всего, фосфора, при помещении их в поле переменного тока. У ФЛУОРЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП часть свечения вызвана электролюминесценцией, а часть ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЕЙ … Научно-технический энциклопедический словарь

Сущ., кол во синонимов: 3 люминесценция (13) свечение (17) электросвечение … Словарь синонимов

И; ж. Люминесценция, возникающая под действием электрического поля. ◁ Электролюминесцентный, ая, ое. Э ая лампа. Э. материал. * * * ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, люминесценция (см. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ), возбуждаемая электрическим полем.… … Энциклопедический словарь

Электролюминесцентный ночник середины прошлого века Электролюминесценция люминесценция, возбуждаемая электрическим полем. Наблюдается в веществах полупроводниках и кристаллофосфорах, атомы (или молекулы) которых переходят в возбуждённое… … Википедия

Люминесценция, возбуждаемая электрическим полем. Наблюдается в газах и кристаллофосфорах (См. Кристаллофосфоры), атомы (или молекулы) которых переходят в возбуждённое состояние при возникновении какой либо формы электрического разряда. Э … Большая советская энциклопедия

электролюминесценция - Electroluminescence Электролюминесценция (ЭЛ) Люминесценция, при которой светящееся тело получает энергию непосредственно из электрического поля. В электротехнике – испускание видимого света p n переходом, включенном в прямом направлении, под … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.

Электролюминесценция – это излучения света под действием электрического поля или протекающего тока. При воздействии электрического поля на полупроводник (называемый люминофором) возникает ударная ионизация атомов электронами, за счет электрического поля, а также эмиссия электронов из центра захвата. Вследствие этого концентрация свободных носителей превысит равновесную и полупроводник окажется в возбужденном состоянии, т.е. в состоянии при котором его внутренняя энергия превышает равновесную при данной температуре.

Устройство электролюминесцентного излучателя (конденсатора): на металлическое основание напыляется тонкий слой (до 20 мкм) полупроводника (сульфида цинка), поверх него наносится тончайший, прозрачный для видимого света, слой металла. При подключении к металлическим слоям источника (постоянного или переменного) возникает зеленовато-голубое свечение, яркость которого пропорциональна значению U источника. Если в состав люминофора входит селенид цинка, то можно получить белое, желтое или оранжевое свечение.

Недостатки:

Низкое быстродействие;

Нестабильный параметр;

Невысокая яркость свечения;

Малый ресурс.

Электролюминесценция наблюдается и в полупроводниковых диодах, при протекании через диод тока, при прямом включении. При этом электроны переходят из n-области в p-область и там рекомбинируют с дырками. В зависимости от ширины запрещенной зоны фотоны имеют частоты в видимой или невидимой человеком части светового спектра, сделанных из кремния, излучают невидимый инфракрасный свет.

Для светодиодов используется материалы с шириной запрещенной зоны от 1,6 эВ до 3,1 эВ (это красный и фиолетовый цвет), а поэтому широко используется для создания цифровых индикаторов, оптронов, лазеров.

Преимущество:

Технологичность;

Высокое быстродействие;

Большой срок службы;

Надежность;

Микро миниатюрность;

Высокая монохроматичность излучения.

По конструкции светодиоды различают: инжекционные, полупроводниковые лазеры, суперлюминесцентные (занимающие промежуточные значения и применяют в ВОЛС), с управляемым цветом свечения.

ЗСИ – знакосинтезирующие индикаторы, – в которых изображение получают с помощью мозаики на независимо управляемых преобразователях «электрический сигнал-свет».

В ЗСИ используется свечение, возникающее в люминофорах помещенных в сильное электрическое поле. Конструктивно они представляют собой группу конденсаторов, у которых одна из обкладок выполнена прозрачной, а другая не прозрачной.

При подключении источника к обкладкам люминофор начинает светиться.

Если прозрачный электрод сделать той или иной формы, то зона свечения повторит форму. Цвет сечения зависит от состава люминофора. Используются в дисплеях.

Яркость свечения зависит от значения U и частоты: U=160-250В, f=300-4000Гц.

Потребляемая мощность сотые-десятые доли ватт, яркость 20-65кд/м 2 .

Катодолюминесценция. При удалении из колбы газа (при давлении ≈ 1,3 Па) свечение газа ослабевают и начинают светиться стенки колбы. Почему? Электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, при таком разряжении редко сталкиваются с молекулами газа и поэтому, ускоренные полем, ударяясь о стекло, вызывает его свечение, так называемую катодолюминесценцию, а поток электронов, получил название катодных лучей.

Низковольтная вакуумная люминесценция. По механизму действия не отличается то высоковольтной и носит рекомендательный характер.

Сущность – люминофор бомбардируется электронами, которые возбуждают люминофор и приводят к нарушению термодинамического равновесия. Появляются электроны, энергия которых больше энергии для зоны проводимости, и дырки, имеющие энергию, меньшую потолка валентной зоны. В связи с неустойчивостью неравновесного состояния начинается процесс рекомбинации с излучением фотонов катодами, что сопровождается излучением.

Если рекомбинация будет осуществляться через ловушку, то через некоторое время носители могут вернуться на свои места, что увеличивает послесвечение.

Низковольтная люминесценция характеризуется:

Типом люминофора;

Глубиной проникновения в кристалле бомбардирующих электронов;

Используется низковольтное напряжение (единицы-десятки вольт);

Используются в вакуумных ЗСИ;

Напряжение накала = 5В;

U а = (20-70)В;

Ток анода сегмент (1-3)мА.

Преимущества вакуумных ЗСИ:

Высокая яркость свечения;

Многоцветность;

Минимум потребления энергии;

Большое быстродействие.

Недостатки: необходимо иметь три источника питания, хрупкость конструкции.

Контрольные вопросы к теме 2:

1 Понятие поляризации.

2 Виды поляризации.

3 Чем определяется электропроводность диэлектрика?

4 Указать виды электрического пробоя.

5 Указать особенности сегнетоэлектриков.

6 Пьезоэффект и его применение.

7 Указать виды газового разряд и их особенности.

8 Особенности электролюминесценции и катодолюминесценции.

Электроны дырки полупроводника могут комбинировать с излучением фотона. Можно представить себе четыре варианта таких процессов: переход электрона полосы проводимости к дырке валентной полосы и к дырке акцепторного уровня, переход электрона. донорного уровня к дырке валентной полосы и к дырке акцепторного уровня.

Чтобы полупроводник был излучателем света, надо, чтобы его структура благоприятствовала быстрой рекомбинации электронов

и дырок, а также позволяла вводить электроны в возбужденные состояния. Такие состояния будут получены, если удастся инжектировать электроны в полупроводник, в котором больше дырок, т. е. в n-кристалл. Тот же эффект получится введением дырок в полупроводник n-типа. Наконец, можно также прибегнуть к инжекции в изолятор дырок и электронов.

Если, пропуская ток через полупроводник, мы осуществим один из этих процессов, то произойдет прямое превращение энергии тока в свет, т. е. будет иметь место электролюминесценция.

Наиболее удобными для практического осуществления электролюминесценции оказались р - n-диоды, изготовленные из бинарных полупроводников типа фосфида или арсенида галлия. На рис. 308а дана схема энергетических уровней диода. Между p- и n-областями диода установится, как только что было объяснено, контактная разность потенциалов, уравновешивающая диффузию электронов (черные кружки) в p-область и дырок (светлые кружки) в n-область (рис. 308а, а)

При наложении поля (рис. 308а, б) барьер понижается, электроны начинают свое движение вправо на нашем чертеже, а дырки влево. В пограничном слое создаются благоприятные условия для рекомбинации всех четырех типов. Энергия образующихся фотонов, грубо говоря, равна зазору между полосами.

Конечно, процесс рекомбинации не обязательно должен сопровождаться излучением. Соответствующая энергия может перейти и в тепло. Если бы удалось осуществить идеальный случай, то выход излучения превосходил бы подводимую электрическую энергию и прибор работал бы как холодильник, черпая тепло в кристалле и окружающей среде.

Все излучение распространяется в плоскости пограничного слоя. Два конца диода, перпендикулярные границе, полируются таким образом, чтобы создалась резонансная полость. При больших токах излучение становится стимулированным со всеми

вытекающими отсюда следствиями в отношении остроты направленности поляризации и когерентности.

К настоящему времени удалось создать большое количество полупроводниковых лазеров. Все они относятся к бинарным полупроводникам, комбинирующим элементы II-VI, а также III - V столбцов таблицы Менделеева. В соответствии с ширинами зазоров, колеблющимися в пределах нескольких единиц электрон-вольт, созданы полупроводниковые лазеры, охватывающие диапазон длин волн от ультрафиолета до далекого инфракрасного света.

Инжекционная электролюминесценция была обнаружена О. В. Лосевым в 1923 при изучении кристаллических детекторов на основе карбида кремния. Лежит в основе принципа действия светодиодов и полупроводниковых лазеров. Электролюминесценция - это люминесценция, возбуждаемая электрическим полем. Наблюдается в газах и твердых телах . При электролюминесценции атомы (молекулы) вещества переходят в возбужденное состояние в результате возникновения в нем какой-либо формы электрического разряда. Инжекционная электролюминесценция наблюдается при включении p-n-перехода в прямом направлении. При приложении внешнего напряжения U, понижающего контактную разность потенциалов, в n-область вводятся (инжектируются) избыточные дырки, а в р-область - электроны, или те и другие вводятся в высокоомный тонкий слой между n- и р-областями. Основное значение здесь имеет характер контактов между электродами и светящимся веществом. Инжекционная электролюминесценция, т.е. генерация оптического излучения в р-n-переходе, объединяет два процесса: инжекцию носителей и собственно электролюминесценцию.

Если р - п -переход находится под напряжением, приложенным в прямом направлении, то дырки из р-области и электроны из п-области движутся навстречу друг другу и рекомбинируют с излучением, попадая в область перехода. Например, если концентрация электронов в n-области больше, чем концентрация дырок в p-области, т.е. nn>pp, то происходит инжекция электронов из n-области в p-область .

Инжектированные через p-n переход неосновные носители заряда диффундируют вглубь материала. За счет процессов рекомбинации их концентрация убывает по мере удаления от области объемного заряда.

Рисунок 1. - Инжекция

При постоянной скорости рекомбинации концентрация неосновных носителей заряда будет уменьшаться с расстоянием по экспоненциальному закону. Расстояние, на котором их концентрация уменьшится в е раз, равно диффузионной длине. Эту величину можно принять за глубину, на которую проникают инжектированные носители заряда. Таким образом, глубину проникновения электронов в р-область можно считать равной диффузионной длине Ln в р-материале, а глубину проникновения дырок в n-область - диффузионной длине Lp в n-материале .

Рекомбинирующие электроны переходят с более высоких энергетических уровней зоны проводимости, близких к ее нижней границе, на более низкие уровни, расположенные вблизи верхней границы валентной зоны. При этом выделяется фотон, энергия которого почти равна ширине запрещенной зоны E g .

Германий и кремний не пригодны для светодиодов, так как ширина запрещенной зоны у них слишком маленькая. Для современных светодиодов применяют главным образом фосфид галлия GaP и карбид кремния SiC, а также некоторые тройные соединения, называемые твердыми растворами, состоящие из галлия, алюминия и мышьяка (GaAlAs) или галлия, мышьяка и фосфора (GaAsP) и др. Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получать свечения различных цветов.

Процесс рекомбинации состоит в переходе электронов из зоны проводимости в валентную зону и сопровождается выделением избыточной энергии . Часть этой энергии расходуется на нагревание кристалла, а остальная излучается в виде квантов света.

При включении светодиода в обратном направлении инжекции носителей не будет, ток будет малым, и инжекционной электролюминесценция не будет. Процесс рекомбинации состоит в переходе электронов из зоны проводимости в валентную зону и сопровождается выделением избыточной энергии. Часть этой энергии расходуется на нагревание кристалла, а остальная излучается в виде квантов света .

Рекомбинация может происходить также с участием уровней примеси. При рекомбинации электронов и дырок в этом слое возникает свечение. Цвет свечения при инжекционной электролюминесценции зависит от материала-основы и природы примесей. Широкое распространение получили светодиоды на основе GaP, излучающие в зеленой, желтой и красной областях спектра .

Применение инжекционной электролюминесценции в светоизлучателях

В 1950 году появилось сообщение американских специалистов Пэйна, Магера и Джерома о практическом использовании явления электролюминесценции, выразившемся в создании ими нового источника света - электролюминесцентной лампы. С этого года во многих странах, в том числе и СССР, началось развитие глубоких исследований явлений электролюминесценции и их практического применении в источниках света нового типа и принципиально новых усилителях света, усилителях световых изображений, телевизионных приемных приборах, вычислительных машинах и других устройствах.

Значительная часть работ по инжекционной электролюминесценции посвящена исследованию физики этого явления. Именно благодаря успехам в исследовании механизма люминесценции и природы центров излучательной и безызлучательной рекомбинации удалось разработать технологию получения эффективных светодиодов на основе карбида кремния и фосфида галлия.

Рассмотрим некоторые свойства электролюминесценции важные с точки зрения практического применения. Речь будет идти о частных случаях электролюминесценции - свечении, возникающих в кристаллах при наложении на них больших внешних электрических полей.

Конструкция электролюминесцентного источника света схематично показана на рис.2. Для наглядности толщина слоев сильно и непропорционально увеличена. Мелкокристаллический порошок люминесцирующего вещества распределен здесь в диэлектрике из смолы, образуя тонкий слой между электродами. Один из электродов прозрачен.

В большинстве конструкций опорной деталью является стеклянная пластина, на одной столоне которой создается проводящее прозрачное покрытие из окиси олова или окиси кадмия. Проводящее покрытие может представлять собой также тонкую пленку напыленного золота или же мелкоструктурную сетку из латуни либо фосфористой бронзы. На поверхность проводящего слоя наносится слой диэлектрика, содержащий электролюминофор, чаще всего на основе сульфида цинка. Затем создается второй электрод, обычно в виде тонкого слоя напыленного в вакууме алюминия. Этот электрод служит также для отражения излучаемого света в сторону прозрачного электрода. На краях элемента укрепляются две мягкие металлические прокладки, соединяемые электродами. Изготовление прибора завершается покрытием тыловой стороны слоем диэлектрика, защищающего тонкие слои от механических повреждений и попадания в них влаги и пыли, а также изолирующего их электрически.

Рисунок 2. - Конструкция электролюминесцентного источника света (в разрезе): 1– стеклянная пластина; 2 - изолятор; 3 - контактный металлический электрод; 4 - защитное покрытие; 5 - прозрачная проводящая пленка; 6 - электролюминофор; 7 - металлическая пластина; 8 - контактный электрод проводящего покрытия.

Яркость электролюминесцентных источников света в течение первых часов работы возрастает, а затем со временем уменьшается. Они могут сохранять 90% первоначальной яркости после 1000 часов работы и 75% после 4000 часов. Для сравнения заменим, что в люминесцентных лампах световой поток после работы в течение 2000-2500 часов снижается на 30%, а средняя продолжительность горения ламп накаливания составляет всего 1000 часов.

Основные параметры светодиодов следующие:

1. Сила света, измеряемая в канделах (единица силы света, испускаемая стандартным специальным источником) и указываемая для определенного значения прямого тока. У светодиодов сила света обычно составляет единицы –сотни мКд.
2. Яркость, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности (десятки - сотни кандел на см2).
3. Постоянное прямое напряжение (2-3 В).
4. Цвет свечения и длина волны, соответствующие максимальному световому потоку.
5. Максимальный допустимый постоянный прямой ток (десятки мА).
6. Максимальное допустимое постоянное обратное напряжение (единицы В).
7. Диапазон температур окружающей среды, при которых светодиод может нормально работать (например, от –60 до +700С).

Проведя анализ инжекционной электролюминесценции, я выяснила, что электролюминисценция это явление благодаря которому можно получать полупроводниковые излучатели. Электролюминисценция - это свечение, возникающее при возбуждении твердого тела переменным электрическим полем или током. Особенностью этого процесса является отсутствие необходимости нагрева тела, как в случае свечения накаленных тел. В настоящее время данное направление является актуальной темой для исследования .