|
| |
|
Слаботочка Книги Рис. 2.16. Схемы трехуровневой (о) и четырехуровневых (б, в) систем энергетических переходов в люминесцирующем веществе: -->• - возбуждение,---> - безызлучательный переход, = - излучение В четырехуровневой схеме (рис. 2.16,6) излучательный переход идет не на равновесный уровень Ei, а на промежуточный Ей в другом варианте (рис. 2.16,е) и уровень Е2 оказывается промежуточным, а излучательный переход идет с близкого к нему метаста-бильного уровня Ег- Переходы El-Ei являются безызлучатель-ными, для заброса Ei-E может оказаться достаточной энергия теплового возбуждения. Заметим, что четырехуровневая схема отличается от трехуровневой более «чистой» спектральной линией, так как уровень Е\, «принимающий» электроны, не «засорен» (в отличие от £1) тепловыми носителями. Во всех схемах излучательный переход электрона сопровождается генерацией кванта с длиной волны 1= 1,23/Д£, (2.43) где SE - энергетический зазор излучательного перехода, эВ, равный Еч-Е\, Е2-El, Ег-El на рис. 2.16,а, б, в соответственно. Излучательный переход всегда сопровождается конкурирующими безызлучательными переходами через промежуточные уровни; при этом энергия расходуется бесполезно на нагрев образца. Во всех известных материалах интенсивность безызлучательных переходов возрастает при увеличении температуры, концентраций свободных носителей заряда и различных примесей. При некоторых значениях перечисленных факторов излучательные переходы практически подавляются; в этой связи говорят о температурном, концентрационном и примесном тушении люминесценции. Итак, для протекания люминесценции необходимо в самом общем случае выполнение четырех условий: используемый материал должен обладать дискретным спектром разрешенных электронных состояний (именно поэтому не наблюдается люминесценция металлов); конкретная схема энергетических уровней и вероятности переходов между ними должны обеспечивать возможность протекания трех процессов: возбуждения электронов, перехода их на центры излучения (в общем случае этого этапа может и не быть), перехода в равновесное состояние с испусканием кванта; энергия квантов возбуждающего воздействия должна превышать некоторый порог (например, Ез-Ei на рис. 2.16,а); вероятность излучательных переходов должна превышать вероятность безызлучательных. Основными параметрами люминесценции являются форма и характеристики возбуждающего воздействия; спектр люминесценции (при однородном квазимонохроматическом излучении - длина волны Ял и ширина спектра ДЯл); квантовый выход люминесценции Г), определяемый отношением числа рожденных фотонов к числу квантов (частиц), участвующих в возбуждении; постоянные времени релаксации люминесценции при резком включении Твкл и выключении Теыкл возбуждающего воздействия. Выделяют внутренний rjjni и внешний Цехг квантовые выходы, рассчитываемые по числу квантов, рожденных внутри вещества и эмиттированных за его пределы; при этом всегда гехгЦгш вследствие самопоглощения некоторой доли излучения в люминесци-рующем материале. Для люминесценции, как это следует из рассмотренного механизма, характерны две определяющие особенности: дискретный спектр излучения и большое число способов возбуждения. В оптоэлектронике наиболее широкое применение находит электролюминесценция , в процессе которой возбуждение осуществляется в соответствии с одним из трех механизмов. Наибольшую роль играет инжекционная электролюминесценция: возбуждение носителей заряда происходит вследствие их инжекции и накопления при прямом смещении р-п-перехода (см. рис. 2.6). Если используемый полупроводник удовлетворяет приведенным выше требованиям, то имеет место люминесценция. Данный механизм реализуется по схемам рис. 2.16, поэтому спектральная линия может быть очень узкой. Привлекает внимание тот факт, что обычно интенсивность излучения пропорциональна прямому току в широких пределах его изменения. Очень важна и малая инерционность процесса: постоянные времени Твкл, Твыкл соизмеримы с временем жизни носителей заряда, которое обычно не превышает lO-"*... 10- с. Предпробойная электролюминесценция (или эффект Дестрио) характерна для порошкообразных люминофоров. Типичный способ ее реализации состоит в следующем. Порошок сернистого цинка, активированного медью, серебром или марганцем, раэмешивается в связующем диэлектрике (биндере) и помещается между обкладками конденсатора, одна из которых прозрачная (рис. 2.17,а). При приложении к конденсатору достаточно большого напряжения в зернах люминофора образуются свободные электроны (имеют место туннельный механизм и лавинное размножение носителей заряда), которые смещаются к аноду (рис. Интересно отметить, что еще 15...20 лет назад при описании люминесценции электролюминесценция упоминалась на одном из последних мест (после фото- и катодолюминесценции) и определялась как свечение порошкообразных люминофоров при приложеиии переменного напряжения; прогресс оптоэлектроники сделал этот вид люминесценции доминирующим.   Рис. 2.17. Схема ячейки на порошковом электролюмииофоре (о) и размещение электронов и дырок в зернах при различной полярности смещения (б, в): / - прозрачный электрод; 2 -биндер; 3 - зерно люминофора 2.17,6). Оставшиеся после их ухода дырки захватываются ловушками, служащими центрами свечения. В следующий полупериод, когда поле меняет свое направление, электроны возвращаются к центрам свечения, занятым дырками, и происходит рекомбинация, сопровождающаяся генерацией квантов (рис. 2.17,в). Вследствие большого числа разрешенных переходов спектр этого излучения довольно широк, квантовый выход невелик, очень затянуто (до долей секунды) послесвечение. Характерная особенность процесса - сулерлинейная зависимость интенсивности от напряжения возбуждения. Предпробойная люминесценция имеет место и в тонких синтерированных проводящих пленках люминофоров при приложении как переменного, так и постоянного напряжений; здесь, однако, существенна и инжекция носителей заряда. В чистом Виде предпробойная люминесценция проявляется в свечении обратноомещенных р-п-переходов. Газоразрядная электролюминесценция, проявляющаяся в свечении тлеющего и дугового разрядов в газах, основана на таких процессах, как возбуждение и ионизация молекул в электрическом поле, образование газовой электронно-ионной плазмы, квантовые переходы электронов при возвращении молекул в равновесное состояние. Спектр этого излучения сильно размыт, квантовый выход невелик, возбуждение требует высокого напряжения (сотни и тысячи вольт), управление интенсивностью затруднено. Из неэлектрических методов возбуждения люминесценции в оптоэлектронике получили распространение два. Фотолюминесценция, при которой заброс электронов на верхние уровни происходит за счет поглощения квантов, характеризуется тем, что длина волны люминесценции всегда меньше длины волны возбуждающего излучения. Это положение, являющееся следствием закона сохранения энергии для квантовых переходов, называется правилом Стокса. Квантовый выход фотолюминесценции обычно близок к т1 = 1 и постоянен при изменении спектра и интенсивности возбуждения; спектр излучения определяется лишь зонной структурой люминофора и также не зависит от изменений возбуждающего воздействия. Механизм фотолюминесценции наи- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 [26] 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |
||||||||||||||