Изменение электролюминесценции при освещении

Из рисунка 6 следует, что начиная с определенных напряжений, наблюдается рост яркости, т. е. появляются процессы, приводящие к усилению свечения при одно­временном действии света и поля. При этом измеренное ΔВ=ΔВ_фл+ΔВ_эл проходит через нуль и становится положительным. Свойства добавочного свечения имеет смысл, очевидно, рассматривать и сравни­вать со свойствами самой ЭЛ только в том случае, если ΔВ_эл отсчитывается от уровня фотолюминес­ценции при тех же напря­жениях. Для ряда образ­цов, особенно при подоб­ранных условиях возбуж­дения (высокие V), ΔВ_фл мало и практически все добавочное свечение обусловлено изменением ЭЛ (ΔВ≈ΔВ_эл). В других случаях необходимо вводить поправку на гашение ФЛ. Если усиление и ос­лабление свечения наблю­дается в одной спектраль­ной области, то разделить их при больших V невоз­можно, поэтому приходит­ся прибегать к экстрапо­ляции кривых В_ФЛ (V) в область больших напряжений.

Нa рис. 8 приведены зависимости от напряжения как добавочного свечения, так и самой ЭЛ. Введение поправки на тушение сближает наклоны прямых доба­вочного свечения и ЭЛ. То, что Δ₁ подчиняется эмпири­ческому закону, справедливому для ЭЛ, свидетельствует о сходстве механизмов возбуждения полем в обоих слу­чаях. Так как свет, способный вызвать ФЭЛ, увеличи­вает электропроводность люминофора, естественно пред­положить, что добавочное свечение связано с носителями, освобожденными при поглощении света. В этом случае первоначальный ток, входящий в барьеры, равен сумме темнового и фототока (I_о=I_т+I_ф) и яркость В_фэл-В_фл~I₀ (М-1), где М - коэффициент умножения. При слабом освещении, когда I_Ф мал по сравнению с I_т, напряжение V₀ почти не изменяется и ЭЛ, входящая в состав фотоэлектролюминесценции, примерно такова же, как и без освещения. В этом случае наклоны зависи­мостей ln В от V^-0,5 для ΔВ_эл и В_эл должны быть оди­наковы (рис. 8). При сильном освещении (I_ф>>I_т) ионизация и свечение соответствуют новым (сниженным) значениям V_o и наклон для ΔВ_эл может отличаться от наклона кривых яркости ЭЛ. В этом случае имеет смысл рассматривать изменение наклона величины Δ₂=В_фэл-В_фл, которая соответствует ЭЛ, связанной как с темновыми, так и фотоносителями. Увеличение интенсивности освещения Ф отвечает тогда росту пара­метра I₁R и должно привести к появлению зависимости наклона кривых Δ₂ от Ф с минимумом. Опытная зависимость наклона от Ф имеет такой же вид [46-48].

Таким образом, изменения тока через кристаллы и падения напряжения в объеме кристаллов I₁R, от кото­рого зависит наклон b₁ зависимости ln В от   V^-0,5, могут быть получены различными способами: изменением тем­пературы интенсивности облучения и размера кристаллов d. При этом кривые b₁ (Т), b₁(Ф) и b₁(d) имеют одну и ту же форму [46-48].

Для люминофоров с синим (ЭЛ-460) и желтым (ЭЛ-580) свечением ΔВ_эл также подчиняется эмпирической зависимости от напряжения, характерной для ЭЛ порошков, имеющих обычное распределение зерен по раз­мерам. То же наблюдалось для порошков (Zn,Сd)S:Мn, возбуждаемых рентгеновскими лучами [49] и для моно­кристаллов сульфида цинка, облучаемых γ-радиацией [50]. Можно, следовательно, сделать заключение, что добавочное свечение ΔВ_эл действительно связано с доба­вочной ЭЛ, обусловленной новыми носителями, создан­ными светом или другим способом и попавшими в об­ласти сильного поля в кристаллах. В пользу этого выво­да говорит также сходство зависимостей ΔВ_эл и В_эл от частоты и параллельное изменение обеих величин при старении образцов. Если ФЛ данного образца располагается в одной спектральной области, а ЭЛ - в другoй, то спектр ΔВ_эл близок те спектру именно ЭЛ. Схема процессов, включающая ударную ионизацию в поверхностных барьерах и оказавшаяся ранее пригодной для расчетов отдельных характеристик средней яркости ЭЛ, может быть применена и для вычисления характеристик [43, 48].

Кривые на рис. 9 представляют собой рассчитанные зависимости яркости ЭJI от параметра I₁R (I₁ -ток через кристалл при V₀ = 1 В,когда нет умно­жения, а R - сопротивление толщи кристалла) и отно­сящиеся к случаю I₁ ~(I₁R)². Как уже отмечалось, для кристаллов с малой концентрацией темновых носителей можно принять, что R~Ф^-1/2, (вероят­ность рекомбинации фотоносителей увеличивается с рос­том их концентрации), обратный ток барьеров при осве­щении I₁~Ф, поэтому I₁R~Ф^1/2, а I₁~(I₁R)², т. е. условия, принятые при вычислении кривых на рис. 9, соответствуют условиям, существующим в кристаллах при освещении.

Если при комнатной температуре большенство зерен люминофора характеризуется величиной I₁R = 1 В, то вертикальная линия АС на рис. 9 соответствует состоянию люминофора в темноте. Для верхней кривой (V = 20 В на одном зерне) яркость в темноте отвечает точке D. Дальнейшее увеличение яркости может быть достигнуто освещением, т. е. увеличением I₁R. При этом добавочную яркость ΔВ_эл можно получить отсчетом ее от горизонтальной линии DF. Как следует из рис. 9, величина ΔВ_эл может быть и отрицательной, если осве­щение велико (для верхней кривой переход к отрицательному ΔВ_эл наступает при I₁R > 4 В). Таким же образом можно получить ΔВ_эл и для других напряжений на кристаллах. При данном I₁R, т. е. определенной ин­тенсивности освещения, изменением только V можно получить переход от отрицательного ΔВ_эл к положи­тельному (например, повышая V от 13 до 20 В при I₁R=3 В). Подобные свойства добавочного свечения неоднократно наблюдались на опыте. Так как I₁R~√Ф, то для удобства сравнения с теоретическими зависимостя­ми ΔВ_эл(I₁R) опытные данные приведены в зависимости от √Ф. Толщина слоя люминофора (на­ходившегося в вакууме) составляла примерно 60 мкм, а средний размер зерен - 6 мкм, поэтому напряжению на одном зерне соответ­ствует удесятеренное значение напряжения. Опытные кривые ΔВ (Ф) были получены Патеком для других образцов из наблюдений волн яркости фотоэлектролюми­несценции [51].

Таким образом, основные свойства добавочного свечения в типичных электролюминесцирующих образцах сульфида цинка могут быть поняты на основе той же схемы явлений, которая описывает свойства самой ЭЛ. Возможно, что в других образцах могут осуществляться иные механизмы усиления свечения. В неэлектролюминесцирующих кри­сталлах, например, усиление ФЛ в присутствии поля может быть связано со сдвигом рекомбинационного равновесия в сторону увеличения вероятности излучательных переходов.

Подобная возможность рассматривалась Мейтосси, предполагавшим что помимо заполнения электронами под действием поля свободных центров свечения возмож­ны и другие способы увеличения числа безызлучательных рекомбинаций (например, отвод носителей в область, где вероятность таких переходов велика) или их уменьшения (освобождение полем уровней, с которых происходят переходы без излучения). Даже при отсутствии допол­нительных переходов, связанных с действием поля, периодические изменения концентрации электронов в разных областях кристалла (переменное напряжение) могут изменить соотношение между излучательными и безызлучательными переходами, если они по-разному зависят от концентрации носителей.

Присутствие на поверхности кристалла изгиба энер­гетических зон само по себе может влиять на величину стационарной фотолюминесценции приповерхностного слоя, так как поле изменяет степень заполнения локальных уровней и ту долю рекомбинаций в области объемного заряда, которая происходит с излучением.

Величина и знак изгиба зон (высота барьера) могут изменяться как при адсорбции молекул, обладающих различными свойствами, так и при заряжении конденсатора, одной из пластин которого является люминофор. Последний вариант соответствует условиям наблюдения «эффекта поля». При увеличении постоянного напряжения, приложенного к системе металл-диэлектрик-­полупроводиик, свечение приповерхностного слоя послед­него может вследствие изменения высоты барьера как увеличиваться, так и уменьшаться (люминесцентный эффект поля [52]). Изменения фотолюминесценции при этом особенно велики в том случае, когда неравновесные носители тока или экситоны создаются преимущественно в тонком слое у поверхности кристалла (используется свет из области поглощения основного вещества).

Рекомбинация носителей через поверхностные уровни имеет наибольшую скорость при определенных значе­ниях его, зависящих от коэффициентов захвата электронов и дырок центрами рекомбинации. Если поверхностная рекомбинация сопровождается излуче­нием (как в случае красной полосы сульфида кадмия), то по мере изменения напряжения интенсивность соответствующей спектральной полосы проходит через максимум [52]. В большинстве же случаев рекомбинация у поверхности является безызлучательной и увеличение ее скорости путем специальной обработки поверхности приводит к уменьшению яркости фотолюминесцеиции, как это наблюдалось на образцах арсенида галлия [52].

МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Для измерения яркости электролюминесценции в научно-исследовательской практике применяют установку, блок-схема которой представлена на рис. 10.

1- Генератор синусоидального напряжения

2- Повышающий трансформатор

3- Вольтметр

4- Разборная электролюминесцентная ячейка

5- Фотоэлемент

6- Микроамперметр

Генератор синусоидального напряжения (ГЗ-33, ГЗ-34 и др.) вырабатывает переменное электрическое напряжение в диапазоне частот от 18 Гц до 230 кГц и напряжением до 30 В.

  С помощью повышающего трансформатора амплитуда напряжения увеличивается до 300 В и подается на разборную электролюминесцентную ячейку (рис. 11).

1- Корпус

2- Латунный электрод

3- Латунное кольцо

4- Токопроводящее стекло

(прозрачный электрод)

5- Крышка

6- Резиновая прокладка

7- Суспензия люминофора в диэлектрике

 Для измерения яркости электролюминесценции перед разборной ячейкой устанавливают фотоэлемент, откоррегированный под кривую спектральной чувствительности глаза человека. Сигнал от фотоэлемента подается на микроамперметр, шкала которого градуирована в относительных или абсолютных единицах яркости.