Elektroluminesensi injeksi ditemukan oleh O.V. Losev pada tahun 1923 saat mempelajari detektor kristal berdasarkan silikon karbida. Mendasari prinsip pengoperasian LED dan laser semikonduktor. Electroluminescence adalah pendaran yang tereksitasi oleh medan listrik. Diamati dalam gas dan padatan ah. Dengan electroluminescence, atom (molekul) suatu zat menjadi tereksitasi sebagai akibat dari terjadinya beberapa bentuk pelepasan listrik di dalamnya. Elektroluminesensi injeksi diamati ketika sambungan p-n dihidupkan ke arah depan. Ketika tegangan eksternal U diterapkan, yang mengurangi perbedaan potensial kontak, lubang berlebih dimasukkan (disuntikkan) ke daerah-n, dan elektron ke daerah-p, atau keduanya dimasukkan ke dalam lapisan tipis resistivitas tinggi di antara daerah n. - dan wilayah p. Signifikansi utama di sini adalah sifat kontak antara elektroda dan zat bercahaya. Elektroluminesensi injeksi, mis. Pembangkitan radiasi optik pada sambungan pn menggabungkan dua proses: injeksi pembawa dan elektroluminesensi itu sendiri.

Jika sambungan p-n berada di bawah tegangan yang diterapkan dalam arah maju, maka lubang dari daerah p dan elektron dari daerah n bergerak menuju satu sama lain dan bergabung kembali dengan radiasi, jatuh ke daerah transisi. Misalnya, jika konsentrasi elektron di daerah n lebih besar daripada konsentrasi lubang di daerah p, yaitu. nn>pp, kemudian elektron disuntikkan dari daerah n ke daerah p.

Pembawa muatan minoritas yang disuntikkan melalui sambungan pn berdifusi jauh ke dalam material. Karena proses rekombinasi, konsentrasinya menurun seiring dengan jarak dari daerah muatan ruang.

Gambar 1. - Injeksi

Pada kecepatan tetap rekombinasi, konsentrasi pembawa muatan minoritas akan berkurang seiring dengan jarak menurut hukum eksponensial. Jarak penurunan konsentrasinya sebanyak e kali sama dengan panjang difusi. Nilai ini dapat diambil sebagai kedalaman penetrasi pembawa muatan yang disuntikkan. Dengan demikian, kedalaman penetrasi elektron ke daerah p dapat dianggap sama dengan panjang difusi Ln dalam bahan p, dan kedalaman penetrasi lubang ke daerah n dapat dianggap sama dengan panjang difusi Lp di daerah n. -bahan.

Elektron yang bergabung kembali berpindah dari tingkat energi yang lebih tinggi pada pita konduksi, dekat dengan batas bawahnya, ke tingkat yang lebih rendah yang terletak di dekat batas atas pita valensi. Dalam hal ini, sebuah foton dilepaskan, yang energinya hampir sama dengan celah pita E g.

Germanium dan silikon tidak cocok untuk LED karena celah pitanya terlalu kecil. LED modern terutama menggunakan galium fosfida GaP dan silikon karbida SiC, serta beberapa senyawa terner yang disebut larutan padat yang terdiri dari galium, aluminium dan arsenik (GaAlAs) atau galium, arsenik dan fosfor (GaAsP), dll. untuk mendapatkan cahaya warna yang berbeda.

Proses rekombinasi terdiri dari peralihan elektron dari pita konduksi ke pita valensi dan disertai dengan pelepasan energi berlebih. Sebagian energi ini digunakan untuk memanaskan kristal, dan sisanya dipancarkan dalam bentuk kuanta cahaya.

Saat LED menyala arah sebaliknya Tidak akan ada injeksi pembawa, arus akan kecil, dan tidak akan ada elektroluminesensi injeksi. Proses rekombinasi terdiri dari peralihan elektron dari pita konduksi ke pita valensi dan disertai dengan pelepasan energi berlebih. Sebagian energi ini digunakan untuk memanaskan kristal, dan sisanya dipancarkan dalam bentuk kuanta cahaya.

Rekombinasi juga dapat terjadi dengan partisipasi tingkat pengotor. Ketika elektron dan lubang bergabung kembali di lapisan ini, terjadi cahaya. Warna pancaran selama elektroluminesensi injeksi bergantung pada bahan dasar dan sifat pengotor. LED berbasis GaP banyak digunakan, memancarkan spektrum wilayah hijau, kuning, dan merah.

Penerapan elektroluminesensi injeksi pada pemancar cahaya

Pada tahun 1950, sebuah laporan oleh spesialis Amerika Payne, Mager dan Jerome muncul penggunaan praktis fenomena electroluminescence, yang mengakibatkan terciptanya sumber cahaya baru - lampu electroluminescent. Sejak tahun ini, di banyak negara, termasuk Uni Soviet, pengembangan penelitian mendalam terhadap fenomena elektroluminesensi dan penerapan praktisnya pada sumber cahaya jenis baru dan penguat cahaya baru yang fundamental, penguat gambar cahaya, perangkat penerima televisi, komputer dan perangkat lain dimulai.

Sebagian besar pekerjaan elektroluminesensi injeksi dikhususkan untuk mempelajari fisika fenomena ini. Berkat kemajuan dalam studi mekanisme pendaran dan sifat pusat rekombinasi radiasi dan non-radiasi, teknologi untuk memproduksi LED efisien berdasarkan silikon karbida dan galium fosfida dapat dikembangkan.

Mari kita perhatikan beberapa sifat electroluminescence yang penting dari sudut pandang aplikasi praktis. Kita akan berbicara tentang kasus khusus elektroluminesensi - cahaya yang terjadi pada kristal ketika medan listrik eksternal yang besar diterapkan padanya.

Desain sumber cahaya electroluminescent ditunjukkan secara skematis pada Gambar 2. Untuk lebih jelasnya, ketebalan lapisan meningkat secara signifikan dan tidak proporsional. Bubuk kristal halus dari zat luminescent didistribusikan di sini dalam dielektrik resin, membentuk lapisan tipis di antara elektroda. Salah satu elektrodanya transparan.

Pada sebagian besar desain, bagian pendukungnya adalah pelat kaca, pada satu stolon di mana lapisan transparan konduktif dari oksida timah atau kadmium oksida dibuat. Lapisan konduktif juga dapat berupa lapisan tipis emas yang tergagap atau jaring berstruktur halus yang terbuat dari kuningan atau perunggu fosfor. Lapisan dielektrik yang mengandung elektroluminofor, paling sering berbahan dasar seng sulfida, diterapkan pada permukaan lapisan konduktif. Elektroda kedua kemudian dibuat, biasanya dalam bentuk lapisan tipis aluminium yang diendapkan secara vakum. Elektroda ini juga berfungsi untuk memantulkan cahaya yang dipancarkan menuju elektroda transparan. Di tepi elemen, dua gasket logam lunak dipasang, dihubungkan dengan elektroda. Pembuatan perangkat diselesaikan dengan menutupi sisi belakang dengan lapisan dielektrik, yang melindungi lapisan tipis dari kerusakan mekanis dan masuknya uap air dan debu, serta mengisolasinya secara elektrik.

Gambar 2. - Desain sumber cahaya electroluminescent (tampilan bagian): 1– pelat kaca; 2 - isolator; 3 - elektroda logam kontak; 4 - lapisan pelindung; 5 - film konduktif transparan; 6 - elektroluminofor; 7 - pelat logam; 8 - elektroda kontak dari lapisan konduktif.

Kecerahan sumber cahaya electroluminescent meningkat selama jam-jam pertama pengoperasian dan kemudian menurun seiring waktu. Mereka dapat mempertahankan 90% kecerahan asli setelah 1000 jam pengoperasian dan 75% setelah 4000 jam. Sebagai perbandingan, mari kita gantikan bahwa pada lampu neon, fluks cahaya setelah pengoperasian selama 2000-2500 jam berkurang 30%, dan waktu pembakaran rata-rata lampu pijar hanya 1000 jam.

Parameter utama LED adalah sebagai berikut:

1. Intensitas cahaya diukur dalam candela (satuan intensitas cahaya yang dipancarkan oleh sumber khusus standar) dan ditentukan untuk nilai arus maju tertentu. Untuk LED, intensitas cahaya biasanya berkisar antara satuan hingga ratusan mCd.
2. Kecerahan, sama dengan rasionya intensitas cahaya terhadap luas permukaan cahaya (puluhan – ratusan candela per cm2).
3. Tegangan maju konstan (2-3 V).
4. Warna cahaya dan panjang gelombang sesuai dengan fluks cahaya maksimum.
5. Arus maju searah maksimum yang diijinkan (puluhan mA).
6. Tegangan balik konstan maksimum yang diijinkan (satuan V).
7. Kisaran suhu lingkungan, di mana LED dapat beroperasi secara normal (misalnya, dari –60 hingga +700С).

Setelah menganalisis elektroluminesensi injeksi, saya menemukan bahwa elektroluminesensi adalah sebuah fenomena yang memungkinkan diperolehnya pemancar semikonduktor. Electroluminescence adalah cahaya yang terjadi ketika benda padat tereksitasi oleh medan atau arus listrik bolak-balik. Ciri khusus dari proses ini adalah tidak perlunya memanaskan tubuh, seperti dalam kasus benda pijar yang menyala. Saat ini arah ini adalah topik hangat untuk penelitian .

Elektron lubang pada semikonduktor dapat bergabung dengan emisi foton. Kita dapat membayangkan empat varian dari proses tersebut: transisi elektron pita konduksi ke lubang pada pita valensi dan ke lubang pada tingkat akseptor, dan transisi elektron. tingkat donor ke lubang pita valensi dan ke lubang tingkat akseptor.

Agar semikonduktor menjadi pemancar cahaya, strukturnya harus mendukung rekombinasi elektron yang cepat.

dan lubang, dan juga memungkinkan untuk memasukkan elektron ke keadaan tereksitasi. Keadaan seperti itu akan diperoleh jika elektron dapat diinjeksikan ke dalam semikonduktor yang memiliki lebih banyak lubang, yaitu ke dalam kristal-n. Efek yang sama dapat dicapai dengan memasukkan lubang ke dalam semikonduktor tipe-n. Terakhir, kita juga dapat menyuntikkan lubang dan elektron ke dalam isolator.

Jika, dengan melewatkan arus melalui semikonduktor, kita melakukan salah satu proses ini, maka akan terjadi konversi langsung energi arus menjadi cahaya, yaitu elektroluminesensi.

Yang paling nyaman untuk implementasi praktis elektroluminesensi ternyata adalah dioda pn yang terbuat dari semikonduktor biner seperti galium fosfida atau galium arsenida. Pada Gambar. Gambar 308a menunjukkan diagram tingkat energi dioda. Antara daerah p dan n dioda, seperti yang baru saja dijelaskan, beda potensial kontak akan terbentuk, menyeimbangkan difusi elektron (lingkaran hitam) ke daerah p dan lubang (lingkaran terbuka) ke daerah n ( Gambar 308a, a)

Ketika sebuah medan diterapkan (Gbr. 308a, b), penghalang diturunkan, elektron mulai bergerak ke kanan pada gambar kita, dan lubang ke kiri. Kondisi yang menguntungkan untuk rekombinasi keempat jenis dibuat di lapisan batas. Energi foton yang dihasilkan, secara kasar, sama dengan jarak antar garis.

Tentu saja proses rekombinasi tidak harus dibarengi dengan radiasi. Energi yang sesuai juga dapat diubah menjadi panas. Jika kasus ideal dapat diterapkan, maka keluaran radiasi akan melebihi masukan energi listrik dan perangkat tersebut akan bekerja seperti lemari es, menarik panas dari kristal dan lingkungan.

Semua radiasi merambat pada bidang lapisan batas. Kedua ujung dioda, tegak lurus terhadap batas, dipoles sedemikian rupa sehingga menciptakan rongga resonansi. Pada arus tinggi, radiasi menjadi terstimulasi dengan segala cara

akibat yang timbul mengenai tajamnya arah polarisasi dan koherensi.

Sampai saat ini, hal itu telah dimungkinkan untuk dibuat sejumlah besar laser semikonduktor. Semuanya milik semikonduktor biner, menggabungkan unsur II-VI, serta kolom III-V dari tabel periodik. Laser semikonduktor telah dirancang untuk menjangkau panjang gelombang dari sinar ultraviolet hingga inframerah jauh berdasarkan lebar celah yang berkisar dari beberapa elektron volt.

Kementerian pendidikan yang lebih tinggi Ukraina

Nasional Universitas Teknik Ukraina

"Kiev Institut Politeknik»

Abstrak tentang topik tersebut:

Pendaran

elektroluminesensi

Diselesaikan oleh: siswa tahun ke-2

PSF PM-91 Milokosty A.A.

Diperiksa oleh: Nikitin A.K.

Rencana:

1. Pendahuluan________________________________________________3

2. Klasifikasi fenomena pendaran_______4

3. Jenis pendaran_________________________________5

4. Ciri-ciri fisik pendaran___7

5. Kinetika pendaran______7

6. Zat bercahaya______9

7. Metode penelitian__________11

8. Luminofor ________________________________11

9. Daftar literatur bekas__________14

Perkenalan

Pendaran adalah radiasi yang melebihi radiasi termal suatu benda pada suhu tertentu dan memiliki durasi yang jauh lebih lama daripada periode gelombang cahaya. Bagian pertama dari definisi ini dikemukakan oleh E. Widoman dan memisahkan pendaran dari radiasi termal kesetimbangan. Bagian kedua - tanda durasi - diperkenalkan oleh S.I. Vavilov untuk memisahkan pendaran dari fenomena pendaran sekunder lainnya - pemantulan dan hamburan cahaya, serta dari emisi terstimulasi, bremsstrahlung partikel bermuatan.

Oleh karena itu, agar pendaran dapat terjadi, diperlukan sumber energi tertentu, berbeda dari energi internal kesetimbangan suatu benda, yang sesuai dengan suhunya. Untuk mempertahankan pendaran stasioner, sumber ini harus dari luar. Pendaran non-stasioner dapat terjadi selama transisi suatu benda ke keadaan setimbang setelah eksitasi awal (peluruhan pendaran). Sebagai berikut dari definisinya sendiri, konsep pendaran tidak mengacu pada atom atau molekul yang memancarkan individu, tetapi juga pada agregat - benda. Tindakan dasar eksitasi molekul dan emisi cahaya bisa sama dalam kasus radiasi termal dan pendaran. Perbedaannya hanya terletak pada jumlah relatif transisi energi tertentu. Dari definisi pendaran juga dapat disimpulkan bahwa konsep ini hanya berlaku untuk benda yang mempunyai suhu tertentu. Jika terjadi penyimpangan yang kuat dari kesetimbangan termal, tidak masuk akal membicarakan kesetimbangan suhu atau pendaran.

Fitur durasi sangat penting secara praktis dan memungkinkan untuk membedakan pendaran dari proses non-kesetimbangan lainnya. Secara khusus, ia memainkan peran penting dalam sejarah penemuan fenomena Vavilov-Cherenkov, sehingga memungkinkan untuk menetapkan bahwa cahaya yang diamati tidak dapat dikaitkan dengan pendaran. Pertanyaan tentang pembenaran teoritis kriteria Vavilov dipertimbangkan oleh B.I. Stepanov dan B.A. Afanasevich. Menurut mereka, untuk mengklasifikasikan cahaya sekunder sangat penting memiliki ada atau tidaknya proses peralihan antara penyerapan energi yang menggairahkan pendaran dan emisi pendaran sekunder (misalnya, transisi antara level elektronik, perubahan energi getaran, dll.). Proses peralihan seperti itu merupakan karakteristik pendaran (khususnya, terjadi selama eksitasi pendaran non-optik).

Klasifikasi fenomena pendaran

Berdasarkan jenis eksitasinya dibedakan: ionoluminescence, candoluminescence, cathodoluminescence, radioluminescence, x-ray luminescence, electroluminescence, photoluminescence, chemiluminescence, triboluminescence. Berdasarkan durasi pendaran, dibedakan antara fluoresensi (cahaya pendek) dan pendar (cahaya panjang). Sekarang konsep-konsep ini hanya mempertahankan makna kondisional dan kualitatif, karena tidak mungkin untuk menunjukkan batasan apa pun di antara keduanya. Kadang-kadang fluoresensi dipahami sebagai pendaran spontan, dan pendar dipahami sebagai pendaran terstimulasi (lihat di bawah).

Klasifikasi fenomena pendaran yang paling rasional, berdasarkan karakteristik mekanisme proses dasar, pertama kali diusulkan oleh Vavilov, yang membedakan antara proses pendaran spontan, paksa, dan rekombinasi. Selanjutnya, pendaran resistif juga diisolasi.

Jenis pendaran

1) Pendaran resonansi(lebih sering disebut fluoresensi resonansi ) diamati dalam uap atom (merkuri, natrium, dll.) dalam beberapa molekul sederhana dan, terkadang, lebih banyak lagi sistem yang kompleks. Emisi ini bersifat spontan dan terjadi dari tingkat energi yang sama yang dicapai dengan menyerap energi cahaya rangsang. Ketika kepadatan uap meningkat, pendaran resonansi berubah menjadi hamburan resonansi.

Dalam semua kasus, jenis cahaya ini tidak boleh diklasifikasikan sebagai pendaran dan harus disebut hamburan resonansi.

2) Pendaran spontan termasuk transisi (radiatif atau, lebih sering, non-radiatif) ke tingkat energi, dari mana radiasi itu berasal. Jenis pendaran ini merupakan karakteristik molekul kompleks dalam uap dan larutan, serta pusat pengotor dalam padatan. Kasus khusus adalah pendaran yang disebabkan oleh transisi dari keadaan eksiton.

3) Metastabil atau pendaran terstimulasi ditandai dengan transisi ke tingkat metastabil yang terjadi setelah penyerapan energi dan transisi selanjutnya ke tingkat radiasi sebagai akibat dari komunikasi energi getaran (karena energi internal tubuh) atau kuantum cahaya tambahan, misalnya, inframerah. Contoh pendaran jenis ini adalah pendar bahan organik, di mana tingkat triplet bawah bersifat metastabil molekul organik. Pada saat yang sama, dalam banyak kasus, dua pita durasi pendaran diamati: panjang gelombang panjang, sesuai dengan spontan transisi T-S 0 dan kemudian (fluoresensi lambat atau pita β), dan panjang gelombang pendek, bertepatan dalam spektrum dengan fluoresensi dan sesuai dengan transisi paksa T-S 1 dan kemudian transisi spontan s 1 -s 0 (pendar atau pita α).

4) Pendaran rekombinasi terjadi sebagai akibat dari penyatuan kembali partikel-partikel yang terpisah selama penyerapan energi rangsang. Dalam gas, rekombinasi radikal atau ion dapat terjadi, sehingga molekul berada dalam keadaan tereksitasi. Transisi selanjutnya ke keadaan dasar dapat disertai dengan pendaran. Dalam padatan kristal, pendaran rekombinasi terjadi sebagai akibat munculnya pembawa muatan yang tidak seimbang (elektron atau lubang) di bawah pengaruh sumber energi tertentu. Perbedaan dibuat antara pendaran rekombinasi selama transisi zona-zona dan pendaran pusat cacat atau pengotor (yang disebut pusat pendaran). Dalam semua kasus, proses pendaran mungkin melibatkan penangkapan pembawa pada perangkap dan selanjutnya dilepaskan melalui cara termal atau optik, yaitu mencakup karakteristik proses dasar pendaran metastabil. Dalam kasus pendaran pusat, rekombinasi terdiri dari penangkapan lubang pada tingkat utama pusat dan elektron pada tingkat tereksitasi. Emisi terjadi sebagai akibat peralihan pusat dari keadaan tereksitasi ke keadaan dasar. Pendaran rekombinasi diamati pada fosfor kristal dan semikonduktor tipikal, seperti germanium dan silikon. Terlepas dari mekanisme proses dasar yang menyebabkan pendaran, emisi pada akhirnya terjadi melalui transisi spontan dari satu keadaan energi ke keadaan energi lainnya. Jika transisi ini diperbolehkan, maka terjadi radiasi dipol. Dalam kasus transisi terlarang, radiasi dapat berhubungan dengan dipol listrik dan magnet, kuadrupol listrik, dll.

Ciri-ciri fisik pendaran

Seperti radiasi lainnya, pendaran dicirikan oleh spektrum (kerapatan spektral fluks radiasi) dan keadaan polarisasi. Studi tentang spektrum pendaran dan faktor-faktor yang mempengaruhinya adalah bagian dari spektroskopi.

Bersamaan dengan ini karakteristik umum, ada yang khusus untuk pendaran. Intensitas pendaran itu sendiri jarang menjadi perhatian. Sebaliknya, rasio energi yang dipancarkan dan diserap diperkenalkan, yang disebut keluaran pendaran. Dalam kebanyakan kasus, output ditentukan dalam kondisi tunak sebagai rasio daya yang dipancarkan dan diserap. Dalam kasus fotoluminesensi, konsep hasil kuantum diperkenalkan dan spektrum hasil dipertimbangkan, yaitu. ketergantungan keluaran pada frekuensi cahaya yang menggairahkan dan spektrum polarisasi – ketergantungan derajat polarisasi pada frekuensi cahaya yang menggairahkan. Selain itu, polarisasi pendaran dicirikan oleh diagram polarisasi, yang kemunculannya dikaitkan dengan orientasi dan multipolaritas sistem pemancar dan penyerap dasar.

Kinetika pendaran, khususnya, penampakan kurva pertumbuhan setelah eksitasi dihidupkan dan kurva peluruhan pendaran setelah dimatikan, dan ketergantungan kinetika pada berbagai faktor: suhu, intensitas sumber rangsangan, dll., berfungsi sebagai karakteristik penting pendaran. Kinetika pendaran sangat bergantung pada jenis proses dasar, meskipun tidak ditentukan secara unik olehnya. Peluruhan pendaran spontan dengan hasil kuantum mendekati kesatuan selalu terjadi menurut hukum eksponensial: I(t)=I 0 exp(-l/τ), di mana τ mencirikan umur rata-rata keadaan tereksitasi, yaitu sama dengan kebalikan dari probabilitas Transisi spontan per satuan waktu. Namun, jika hasil kuantum pendaran kurang dari satu, yaitu pendaran padam sebagian, maka hukum peluruhan eksponensial dipertahankan hanya dalam kasus paling sederhana, ketika probabilitas padam Q adalah konstan. Dalam hal ini, τ=1/(A+Q), dan hasil kuantum η=A/(A+Q), di mana Q adalah probabilitas transisi nonradiatif. Namun, Q sering kali bergantung pada waktu yang berlalu sejak eksitasi molekul tertentu, dan kemudian hukum peluruhan pendaran menjadi lebih kompleks. Kinetika pendaran terstimulasi dalam kasus satu tingkat metastabil ditentukan oleh jumlah dua eksponensial.

Pendaran tereksitasi oleh medan listrik

Animasi

Keterangan

Electroluminescence adalah pendaran yang tereksitasi oleh medan listrik. Diamati dalam gas dan padatan. Dengan electroluminescence, atom (molekul) suatu zat menjadi tereksitasi sebagai akibat dari terjadinya beberapa bentuk pelepasan listrik di dalamnya. Dari berbagai jenis Dalam elektroluminesensi padatan, injeksi dan pra-penguraian adalah yang paling penting. Elektroluminesensi injeksi adalah karakteristik sambungan pn di beberapa semikonduktor, misalnya SiC atau GaP, dalam medan listrik konstan yang diaktifkan dalam arah transmisi. Kelebihan lubang disuntikkan ke daerah n, dan elektron ke daerah p (atau keduanya ke lapisan tipis antara daerah p dan n). Cahaya terjadi ketika elektron dan lubang bergabung kembali di lapisan pn.

Elektroluminesensi pra-penguraian diamati, misalnya, dalam bubuk ZnS, diaktifkan oleh Cu, Al, dll., ditempatkan dalam dielektrik di antara pelat kapasitor, yang padanya tegangan frekuensi audio bolak-balik diterapkan. Pada tegangan maksimum pada pelat kapasitor, proses yang mendekati gangguan listrik terjadi di fosfor: medan listrik yang kuat terkonsentrasi di tepi partikel fosfor, yang mempercepat elektron bebas. Elektron ini dapat mengionisasi atom; lubang yang dihasilkan ditangkap oleh pusat pendaran, tempat elektron bergabung kembali ketika arah medan berubah.

Karakteristik waktu

Waktu inisiasi (log ke -3 hingga -1);

Seumur hidup (log tc dari -1 hingga 9);

Waktu degradasi (log td dari -6 hingga -3);

Waktu pengembangan optimal (log tk dari 0 hingga 6).

Diagram:

Implementasi teknis dari efeknya

Pilihan 1:

Sebenarnya, ini adalah obeng probe listrik biasa, dimasukkan ke dalam soket listrik untuk memeriksa keberadaan tegangan.

Elektroluminesensi dalam indikator gas

Beras. 1

Sebutan:

3 - tabung neon dengan bentuk sewenang-wenang;

Pilihan 2: Implementasi solid state di semikonduktor pn elektroluminesensi

Pada kenyataannya - LED standar yang digunakan untuk indikasi cahaya menyala pada peralatan elektronik rumah tangga modern.

Implementasi elektroluminesensi solid-state di persimpangan pn

Beras. 2

Sebutan:

3 - persimpangan pn;

4 - fluks radiasi fluoresen;

U adalah tegangan ggl bolak-balik.

Menerapkan efek

Electroluminescence adalah pendaran suatu zat yang tereksitasi oleh medan listrik. Fenomena ini diamati pada gas dan padatan ketika atom atau molekul menjadi tereksitasi di bawah pengaruh energi listrik yang ditransfer ke mereka.

Elektroluminesensi gas telah dipelajari sejak pertengahan abad terakhir dan digunakan dalam sumber cahaya pelepasan gas. Elektroluminesensi padatan ditemukan pada awal abad ini oleh G. Round dan O.V. Losev ketika mempelajari fenomena kontak pada silikon karbida dan pada tahun 30-an oleh J. Destriot dalam kristal seng sulfida terisolasi ketika mempelajari efek Gudden-Paul. Pada tahun-tahun berikutnya, penelitian dilakukan tentang proses eksitasi pendaran oleh medan listrik pada berbagai material dan struktur komposit. Efek ini diterapkan pada perangkat industri pada tahun 60an dan 70an. Kemajuan teknis dalam penciptaan sumber radiasi electroluminescent ini disebabkan oleh perkembangan teori kuantum padatan dan kemajuan teknologi semikonduktor.

Elektroluminesensi berbeda dari jenis pendaran lainnya terutama dalam cara energi disuplai ke zat. Dalam kasus yang paling spesifik, energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan radiasi disuplai langsung oleh medan listrik, yang mengubah energi potensial atau kinetik elektron dalam benda padat. Saat mempelajari elektroluminesensi, perhatian khusus diberikan pada proses transfer energi listrik, yaitu. mekanisme eksitasi atau ionisasi pusat pendaran. Ketika pusat-pusat yang tereksitasi kembali ke keadaan dasar dengan emisi cahaya, cukup memperhitungkan pengaruhnya Medan listrik pada kondisi rekombinasi untuk struktur tertentu dari pusat-pusat ini, meskipun secara umum medan juga dapat mempengaruhi karakteristik energi dari pusat-pusat tersebut dan zat utama.

Sebagian besar zat electroluminescent termasuk dalam fosfor kristal, di mana proses eksitasi dan pendaran tidak hanya dapat mempengaruhi pusat pendaran individu (atom pengotor atau cacat titik lainnya dan kompleksnya), tetapi juga kristal secara keseluruhan.

Ada beberapa jenis proses yang menyebabkan munculnya cahaya pada benda padat dalam medan listrik. Dalam semua kasus, medan harus mendorong munculnya pusat pendaran yang tereksitasi secara langsung atau tambahan, pembawa non-ekuilibrium di zona energi yang diizinkan, yang menyebabkan munculnya radiasi selama rekombinasi berikutnya.

Keunikan elektroluminesensi mencakup fakta bahwa sampel luminescent dalam banyak kasus memiliki sifat listrik dan optik yang tidak homogen bahkan sebelum penerapan medan listrik. Lapangan beroperasi di area dengan intensitas yang meningkat, mis. dalam berbagai macam hambatan potensial. Jika kristal sudah homogen sebelum penerapan medan listrik, maka pengaruh medan tersebut juga menyebabkan perubahan sifat listrik di berbagai daerah kristal.

Kehadiran daerah kristal yang terhubung seri dengan kekuatan medan listrik tinggi dan rendah pasti mengarah pada interaksinya. Distribusi tegangan pada sampel dapat bergantung pada sifat awal daerah ini pada suhu tertentu dan pada intensitas ionisasi di daerah medan kuat. Karakteristik kristal luminescent yang diisolasi dari elektroda sangat kompleks, karena selain memperumit rangkaian listrik, dalam hal ini pengaruh polarisasi sampel juga ditambahkan, yang menyebabkan eksitasi kristal yang tidak merata seiring waktu.

Medan mengontrol proses eksitasi dan proses rekombinasi, dan dalam kasus kristal terisolasi, proses ini dapat dipisahkan dalam waktu (setelah pembangkitan pembawa, mereka dipisahkan dan gerakan sebaliknya terjadi ketika arah medan berubah). Proses-proses ini dapat berdampak signifikan pada kecerahan radiasi sesaat dan rata-rata waktu, serta hasil elektroluminesensi.

Pembawa non-ekuilibrium tambahan yang dapat menyebabkan terjadinya radiasi dapat diperoleh dalam kristal dengan dua cara berikut: di bawah pengaruh medan listrik yang kuat di dalam kristal itu sendiri atau sebagai akibat dari redistribusi spasial di bawah pengaruh medan listrik. sudah ada dalam padatan. Metode utama elektroluminesensi menarik ini dilakukan di transisi, termasuk dalam arah maju dan mundur.

Ketika sambungan dihidupkan ke arah depan, elektron dan lubang disuntikkan ke daerah yang berdekatan dengan jenis konduktivitas yang berlawanan. Medan luar mengurangi medan transisi dan injeksi terjadi dalam kondisi medan listrik lemah. Medan listrik eksternal meningkatkan energi potensial pembawa muatan dengan tanda berbeda dan menciptakan kondisi untuk pendekatan dan rekombinasinya. Jenis elektroluminesensi ini disebut injeksi dan digunakan pada LED.

Ketika sambungan dihidupkan dalam arah sebaliknya, maka pada kuat medan listrik yang cukup tinggi - 105-106 V/cm di daerah transisi terjadi peningkatan arus balik yang terkait dengan peningkatan konsentrasi di bawah pengaruh listrik. kerusakan karena proses terowongan atau tumbukan, dan radiasi yang terkait dengan rekombinasi dan proses lainnya.

Peningkatan energi kinetik elektron terjadi selama proses tumbukan di medan listrik yang kuat; elektron yang dipercepat ini mampu menciptakan pasangan lubang elektron atau secara langsung mengionisasi atau menggairahkan pusat pendaran. Elektroluminesensi jenis ini disebut prebreakdown. Elektroluminesensi pra-penguraian dalam medan kuat dapat terjadi tidak hanya pada sambungan pn, tetapi juga pada sambungan hetero, penghalang permukaan, butiran polikristalin, dan lapisan tipis fosfor. Dalam hal ini, kristal dapat diisolasi dari satu atau kedua elektroda, dan tegangan eksitasi dapat bervariasi. Karena, ketika elektroluminesensi tereksitasi oleh tegangan bolak-balik, pembawa muatan secara berkala disuplai ke permukaan kristal, peran perangkap permukaan dan pusat rekombinasi meningkat dibandingkan dengan fotoluminesensi. Keadaan permukaan fosfor secara signifikan dapat mempengaruhi besarnya elektroluminesensi juga karena luas konsentrasinya bidang luar dan eksitasi terletak dalam beberapa kasus langsung di permukaan kristal. Elektroluminesensi pra-kerusakan digunakan dalam indikator datar.

Jenis elektroluminesensi padatan lainnya belum digunakan secara luas karena hasil energinya yang rendah.

Fenomena elektroluminesensi pra-kerusakan saat ini digunakan dalam sumber cahaya film: bubuk dan film tipis, tereksitasi oleh tegangan konstan dan bolak-balik. Sampel industri pertama dari pemancar elektroluminesen berdasarkan bubuk fosfor diperoleh pada akhir tahun 50-an. Mereka masih digunakan dalam sumber cahaya untuk berbagai keperluan sebagai panel electroluminescent: lampu, indikator cahaya, indikator alfanumerik, diagram mnemonik, dll.

Elemen pemancar cahaya bubuk adalah struktur multilayer dengan dasar transparan: pelat kaca atau film polimer. Sumber radiasi terdiri dari elektroda transparan di bagian dasar, lapisan luminescent, dan elektroda buram kedua. Radiasi keluar melalui elektroda dan basa transparan.

Lapisan luminescent terdiri dari bubuk fosfor dengan pengikat organik atau anorganik. Ketebalan lapisan luminescent adalah 30-100 mikron, kandungan pengikat untuk emitor yang tereksitasi dengan tegangan bolak-balik adalah 30-50 persen, dan untuk emitor yang tereksitasi oleh medan konstan 5-25 persen. Pemancar ini juga berbeda dalam ukuran butir bahan bubuk luminescent: fosfor yang tereksitasi oleh tegangan bolak-balik memiliki ukuran partikel rata-rata 1 hingga 10 mikron, dan fosfor untuk tegangan konstan berbutir lebih halus - dari 0,2 hingga 2 mikron.

Serbuk seng dan kadmium sulfida serta senyawa sulfoselenida terutama digunakan sebagai fosfor. Dalam beberapa tahun terakhir, bahan luminescent berdasarkan kalsium dan strontium sulfida telah dikembangkan. Tembaga, mangan, galium, perak, timbal, dan zat lain digunakan sebagai aktivator, yang dimasukkan ke dalam fosfor dalam jumlah dari satuan hingga seperseratus persen. Kehadiran tembaga dalam fosfor ini adalah suatu keharusan, karena ia membentuk fase terpisah (tembaga sulfida) pada permukaan butiran ketika muatan dikalsinasi. Untuk membentuk fasa tersendiri, tembaga dimasukkan dalam jumlah yang melebihi batas kelarutannya dalam bahan fosfor.Kontak fasa-fasa tersebut menyebabkan munculnya heterojungsi pada permukaan butiran fosfor sehingga menyebabkan konsentrasi medan listrik pada penghalang permukaan. . Doping dengan tembaga menyebabkan peningkatan kecerahan radiasi dan peningkatan efisiensi electroluminescence. Warna cahaya fosfor ditentukan oleh jenis dan jumlah pengotor yang dimasukkan; industri memproduksi bahan bercahaya yang memancarkan seluruh rentang yang terlihat. Nilai kecerahan tertinggi diperoleh untuk fosfor berdasarkan seng sulfida yang diolah dengan mangan, dengan kuning binar. Fosfor berbasis sulfida dianggap menjanjikan logam alkali tanah, diolah dengan halida unsur tanah jarang.

Pernis dielektrik berdasarkan resin epoksi, sianoetilselulosa, polivinil alkohol sianoetil eter dan lain-lain, serta pengikat enamel kaca, digunakan sebagai pengikat pada lapisan luminescent.

Karakteristik pencahayaan penghasil emisi bergantung pada faktor desain, teknologi, dan operasional. Faktor struktural dan teknologi meliputi jenis fosfor, ukuran butiran bubuk, jenis pengikat, ketebalan dan kandungan lapisan luminescent, dll. Faktor operasional meliputi amplitudo dan frekuensi tegangan rangsang, suhu, kelembaban lingkungan, dll. Biasanya, eksitasi elektroluminesensi pada pemancar bubuk dihasilkan oleh tegangan konstan 50 -300 V atau bervariasi dengan frekuensi 50-5000 Hz. Kecerahan emisi panel electroluminescent berkisar antara 5 hingga 150 cd/m2. Industri dalam negeri memproduksi indikator electroluminescent seperti ITEL, IEM, MEL dan lain-lain, yang digunakan sebagai sumber cahaya, indikator digital, mnemonic dan layar grafis format kecil.

Kerugian dari indikator electroluminescent bubuk termasuk nilai kecerahan yang terbatas dan masa pakai yang singkat, yang sebagian besar disebabkan oleh difusi tembaga dan kotoran lainnya. Meskipun ada penelitian ekstensif mengenai fenomena degradasi pada struktur pemancar cahaya bubuk, daya tahan perangkat tidak melebihi beberapa ribu jam.

Penelitian tentang sumber radiasi film tipis dimulai setelah studi tentang bubuk fosfor. Untuk waktu yang lama, film dianggap sebagai objek yang cocok untuk mempelajari fisika elektroluminesensi. Minat terhadap penelitian struktur electroluminescent film tipis meningkat tajam setelah peneliti Sharp mempresentasikan layar datar film tipis pertama dengan karakteristik fungsional tinggi pada tahun 1974. Kemajuan dalam teknologi film tipis, serta perkembangan struktur di mana lapisan fosfor setebal 1 mikron terletak di antara dua lapisan dielektrik yang lebih tipis, telah memungkinkan terciptanya pemancar yang tereksitasi oleh tegangan bolak-balik, yang memiliki kecerahan dan masa pakai yang lebih tinggi. dibandingkan dengan penghasil bubuk.

Struktur electroluminescent film tipis arus searah dan bolak-balik dipelajari sebagai sumber radiasi. Keuntungan dari struktur film tipis arus searah Hal ini terutama mengacu pada tegangan kontrol rendah - 3-20 V. Elemen pemancar cahaya biasanya diperoleh dengan menerapkan lapisan luminescent seng sulfida atau selenida ke substrat semikonduktor (silikon, germanium, galium arsenida, dll.). Penggunaan karakter fisik Antarmuka semikonduktor-fosfor adalah salah satu metode untuk menyediakan pembawa energi tinggi. Perbedaan fungsi kerja elektron digunakan di sini untuk menyuntikkan pembawa panas ke dalam lapisan fosfor, di mana mereka merangsang elektroluminesensi. Mekanisme injeksi utama adalah penerowongan elektron melalui penghalang energi pada pita konduksi. Teknik untuk mengendalikan injeksi pembawa ke dalam lapisan electroluminescent yang telah dicoba untuk mengendalikan perangkat pemancar cahaya DC meliputi penggunaan dioda MIS bias negatif, heterojungsi, dan kombinasi lapisan resistif. Namun, tidak satu pun dari pendekatan ini yang mengarah pada penciptaan teknologi yang layak untuk pemancar DC film tipis, dan juga belum mampu memecahkan masalah pengendalian perangkat. Selain itu, elemen pemancar ini memiliki kecerahan dan keluaran cahaya yang relatif rendah. Sumber radiasi arus bolak-balik elektroluminesen film tipis memiliki karakteristik fungsional yang lebih tinggi karena sejumlah fitur fisik.

Fenomena umum elektroluminesensi pada film tipis pada dasarnya tidak berbeda dengan fenomena serupa pada bubuk fosfor. Namun, dibandingkan dengan penghasil bubuk yang tereksitasi oleh tegangan bolak-balik, film fosfor terisolasi memiliki ciri-ciri berikut. Karena ketebalan film yang kecil, tidak diperlukan tindakan khusus untuk memusatkan medan pada lapisan fosfor yang sempit, oleh karena itu salah satu fungsi tembaga - untuk menciptakan daerah penghalang setebal sekitar 0,1 mikron dalam kristal bahan bercahaya - adalah dihilangkan. Oleh karena itu, proses penuaan yang terkait dengan difusi tembaga juga hilang, masa pakai sumber radiasi film tipis dapat melebihi 20.000 jam. Ketika film luminescent dieksitasi oleh tegangan bolak-balik, efisiensi electroluminescence tidak melebihi beberapa persen, namun kecerahannya bisa sangat tinggi melalui penggunaan medan listrik yang lebih tinggi, arus yang signifikan, dan daerah medan tinggi yang lebih panjang. Pemancar ini memiliki resolusi lebih tinggi, ketahanan terhadap pengaruh termal dan radiasi, keseragaman spasial gambar, kemudahan memperoleh halftone, dan sudut pandang yang besar, sehingga menjanjikan untuk mereproduksi gambar televisi berwarna.

Keberhasilan yang dicapai telah membuat prospek untuk menciptakan penghasil emisi multi-warna yang sangat efisien, stabil, menjadi sangat nyata.

berdasarkan struktur film. Hal ini menjelaskan besarnya minat belajar properti fisik struktur electroluminescent film tipis, komponennya dan teknologi untuk memproduksi penghasil emisi.