Какова природа фото и электролюминесценции кратко

Обновлено: 04.07.2024

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.

- невысокая яркость свечения;

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.

- большой срок службы;

- высокая монохроматичность излучения.

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

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:

- глубиной проникновения в кристалле бомбардирующих электронов;

- используется низковольтное напряжение (единицы-десятки вольт);

- используются в вакуумных ЗСИ;

- напряжение накала = 5В;

- Ток анода сегмент (1-3)мА.

Преимущества вакуумных ЗСИ:

- высокая яркость свечения;

- минимум потребления энергии;

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.

- невысокая яркость свечения;

- большой срок службы;

- высокая монохроматичность излучения.

При подключении источника к обкладкам люминофор начинает светиться.

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 .

Низковольтная люминесценция характеризуется:

- глубиной проникновения в кристалле бомбардирующих электронов;

- используется низковольтное напряжение (единицы-десятки вольт);

- используются в вакуумных ЗСИ;

- напряжение накала = 5В;

- Ток анода сегмент (1-3)мА.

Преимущества вакуумных ЗСИ:

- высокая яркость свечения;

- минимум потребления энергии;

Недостатки: необходимо иметь три источника питания, хрупкость конструкции.

Электролюминесцентные излучатели: устройство и принцип действия, виды

Электролюминесценцией называется люминесценция, возбужденная действием электрического поля. Данное явление проявляет себя в полупроводниках и кристаллофосфорах, - в таких веществах, молекулы или атомы которых способны переходить в возбужденное состояние при прохождении через них электрического тока либо под действием приложенного электрического поля.

По сути электролюминесценцией является результат рекомбинации дырок и электронов в полупроводнике, при которой происходит излучение фотонов, - так электроны полупроводника отдают свою энергию. До того как начнется рекомбинация, дырки и электроны разделяются. Разделение достигается либо при помощи электронов с высокой энергией, получаемых путем ускорения сильным электрическим полем (в кристаллофосфорах электролюминесцентных панелей), либо активацией материала для получения p-n-перехода (как в светодиодах). В электролюминесцентных излучателях применяется электролюминесценция электролюминофора.

Порошковые излучатели впервые были разработаны в 1952 году. Они представляют собой многослойную структуру, в основании которой находится пластиковая или стеклянная подложка-пластина.

На пластину наносятся последовательно: проводящий прозрачный электрод из оксидов металлов (SnO2, InO2, CdO), затем 25-100 мкм слой электролюминофора, после — диэлектрический защитный слой (SiO, SiO2 либо лак), потом — непрозрачный металлический электрод. Люминофором служит сульфид цинка или селенид цинка, активируемый для яркости примесями марганца, меди или других элементов.

Поликристаллы (зерна) сульфида цинка сопрягаются друг с другом органическими смолами обладающими высокой диэлектрической проницаемостью. Поэтому для работы порошковому электролюминесцентному излучателю требуется переменное напряжение частотой от 400 до 1400 Гц при напряжении от 90 до 140 вольт для возбуждения.

Пленочные электролюминесцентные излучатели, в отличие от порошковых, содержат между электродами поликристаллическую пленку электролюминофора толщиной порядка 0,2 мкм, которую получают термическим испарением и осаждением в вакууме.

В таком электролюминофоре нет диэлектрика, поэтому пленочные излучатели работают при постоянном напряжении, причем уровень рабочего напряжения у них меньше чем у порошковых — всего от 20 до 30 вольт. Для повышения светоотдачи и яркости, а также для изменения цвета, пленочный люминофор активируют редкоземельными фтористыми материалами.

Трехслойный пленочный излучатель был создан в 1974 году. Он содержит две изоляционные пленки (Y2O3 и Si3N4) обладающие высокой диэлектрической проницаемостью.

Характерными параметрами электолюминесцентных излучателей являются: эффективная яркость, яркостная характеристика, кратность изменения яркости, зависимость эффективной яркости от частоты и спектр излучаемого света.

Эффективная яркость для порошковых излучателей определяется при определенной частоте и величине питающего переменного напряжения, соответствующей плотности тока.

Яркостная характеристика отражает зависимость яркости от напряжения; матричные экраны высокой контрастности строят на базе излучателей с очень нелинейной характеристикой.

Пленочные излучатели дают более высокие контрастность и разрешение чем порошковые. Кратность изменения яркости — по сути — крутизна яркостной характеристики при удвоении напряжения питания; у порошковых она достигает 25, у пленочных — 1000. Спектр, по сути — цвет, определяется активаторами, добавляемыми в люминофор.

К недостаткам электролюминесцентных излучателей относится большой разброс по параметрам. К тому же яркость в процессе их эксплуатации снижается до 3 раз за 4000 часов. Но это относится к первым электролюминофорам с частицами крупного размера.

Новейшие современные электролюминофоры имеют размеры частиц 12-18 нм, с ними яркость повысилась до 300 кд, а снижение яркости на 20% в первые 40 часов эксплуатации регулируется параметрами блока питания (частотой и напряжением возбуждения), и срок службы доходит таким образом до 12000 часов.

Различные конструкции непрозрачных электродов позволяют добиваться при помощи электролюминесцентных излучателей различных буквенных, символьных и цифровых форм отображения информации, строить на этой базе специальные матричные экраны.

Электролюминесцентные панели выпускаются в форме тонких пленок из неорганических или органических материалов. Цвет свечения у кристаллофосфоров зависит от активирующей примеси. В принципе такая панель — это плоский конденсатор, питаемый напряжением от 60 до 600 вольт, получаемым от встроенного преобразователя напряжения.

В качестве электролюминесцентных материалов используют: III—V InP, GaAs, GaN (в светодиодах), активированный серебром или медью сульфид цинка в виде порошка (дает сине-зеленое свечение), а для получения желто-оранжевого свечения используют сульфид цинка активированный марганцем.

Электролюминесцентный дисплей (ELD) — особый тип дисплея, созданный из слоя электролюминесцентного материала, состоящего из специально обработанных кристаллов фосфора или GaAs между двумя слоями проводника (между тонким алюминиевым электродом и прозрачным электродом). При подключении переменного напряжения на проводники электролюминесцентный материал начинает светиться.

Панели, дисплеи, провода и т.д — широко используемые в бытовой электронике и светотехнике электролюминесцентные осветители. Они служат в подсветке ЖК-дисплеев, шкал различных приборов, клавиатур, также применяются для декоративного оформления ландшафта и архитектурных сооружений.

Графические из знакосинтезирующие электролюминесцентные дисплеи отличающиеся высоким качеством даваемого изображения, хорошей контрастностью, высокой скоростью обновления и слабой температурной чувствительностью. Благодаря этим свойствам они применяются в военной, медицинской и других промышленностях.

Виды излучений

Тепловое излучение – излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов (или молекул) излучающего тела. Тепловым источником является солнце, лампа накаливания и т. д.

Катодолюминесценция – свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами. Благодаря ей светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизоров.

Хемилюминесценция – излучение света в некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии. Ее можно наблюдать на примере светлячка и других живых организмах, обладающих свойством светиться.

Фотолюминесценция – свечение тел непосредственно под действием падающих на них излучений. Примером являются светящиеся краски, которыми покрывают елочные игрушки, они излучают свет после их облучения. Это явление широко используется в лампах дневного света.

Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать определенную энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.

Спектры

Полосатые спектры

Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.

Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.

Спектральный анализ

Спектральный анализ - совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральный анализы позволяют определять элементный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения. Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта. Простейший спектральный аппарат - спектрограф.

Схема устройства призменного спектрографа

Фраунгоферовы линии

Вскоре выяснялось, что одна из самых отчётливых линий всегда появляется в присутствии натрия. В 1859 году Г.Кирхгоф и Р.Бунзен после серии экспериментов заключили: каждый химический элемент имеет свой неповторимый линейчатый спектр, и по спектру небесных светил можно сделать выводы о составе их вещества. С этого момента в науке появился спектральный анализ, мощный метод дистанционного определения химического состава.

Для проверки метода в 1868 году Парижская академия наук организовала экспедицию в Индию, где предстояло полное солнечное затмение. Там учёные обнаружили: все тёмные линии в момент затмения, когда спектр излучения сменил спектр поглощения солнечной короны, стали, как и было предсказано, яркими на тёмном фоне.

Природа каждой из линий, их связь с химическими элементами выяснялись постепенно. В 1860 году Кирхгоф и Бунзен при помощи спектрального анализа открыли цезий, а 1861 году — рубидий. А гелий был открыт на Солнце на 27 лет ранее, чем на Земле (1868 и 1895 годы соответственно).

Принцип работы

Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.

Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10—30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов. Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000—10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.

Спектр электромагнитных излучений

Свойства электромагнитных излучений. Электромагнитные излучения с различными длинами волн имеют довольно много различий, но все они, от радиоволн и до гамма-излучения, одной физической природы. Все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей степени проявляют свойства интерференции, дифракции и поляризации, характерные для волн. Вместе с тем все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей мере обнаруживают квантовые свойства.

Общим для всех электромагнитных излучений являются механизмы их возникновения: электромагнитные волны с любой длиной волны могут возникать при ускоренном движении электрических зарядов или при переходах молекул, атомов или атомных ядер из одного квантового состояния в другое. Гармонические колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.

Радиоволны. При колебаниях, происходящих с частотами от 10 5 до 10 12 Гц, возникают электромагнитные излучения, длины волн которых лежат в интервале от нескольких километров до нескольких миллиметров. Этот участок шкалы электромагнитных излучений относится к диапазону радиоволн. Радиоволны применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации.

Инфракрасное излучение. Электромагнитные излучения с длиной волны, меньшей 1-2 мм, но большей 8*10 -7 м, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением.

Область спектра за красным его краем впервые экспериментально была исследована в 1800г. английским астрономом Вильямом Гершелем (1738 - 1822 гг.). Гершель поместил термометр с зачерненным шариком за красный край спектра и обнаружил повышение температуры. Шарик термометра нагревался излучением, невидимым глазом. Это излучение назвали инфракрасными лучами.

Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источниками инфракрасного излучения служат печи, батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания.

С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте. Инфракрасное излучение применяется для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины.

Видимый свет. К видимому свету (или просто свету) относятся излучения с длиной волны примерно от 8*10 -7 до 4*10 -7 м, от красного до фиолетового света.

Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Свет является обязательным условием развития зеленых растений и, следовательно, необходимым условием для существования жизни на Земле.

Ультрафиолетовое излучение. В 1801 году немецкий физик Иоганн Риттер (1776 - 1810), исследуя спектр, открыл, что за

его фиолетовым краем имеется область, создаваемая невидимыми глазом лучами. Эти лучи воздействуют на некоторые химические соединения. Под действием этих невидимых лучей происходит разложения хлорида серебра, свечение кристаллов сульфида цинка и некоторых других кристаллов.

Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового света, называют ультрафиолетовым излучением. К ультрафиолетовому излучению относят электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 4*10 -7 до 1*10 -8 м.

Ультрафиолетовое излучение способно убивать болезнетворных бактерий, поэтому его широко применяют в медицине. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечного света вызывает биологические процессы, приводящие к потемнению кожи человека - загару.

В качестве источников ультрафиолетового излучения в медицине используются газоразрядные лампы. Трубки таких ламп изготавливают из кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей; поэтому эти лампы называют кварцевыми лампами.

Рентгеновские лучи. Если в вакуумной трубке между нагретым катодом, испускающим электрон, и анодом приложить постоянное напряжение в несколько десятков тысяч вольт, то электроны будут сначала разгоняться электрическим полем, а затем резко тормозиться в веществе анода при взаимодействии с его атомами. При торможении быстрых электронов в веществе или при переходах электронов на внутренних оболочках атомов возникают электромагнитные волны с длиной волны меньше, чем у ультрафиолетового излучения. Это излучение было открыто в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Рентгеном (1845-1923). Электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 10 -14 до 10 -7 м называются рентгеновскими лучами.

Рентгеновские лучи невидимы глазом. Они проходят без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света. Обнаруживают рентгеновские лучи по их способности вызывать определенное свечение некоторых кристаллов и действовать на фотопленку.

Способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои вещества используется для диагностики заболеваний внутренних органов человека. В технике рентгеновские лучи применяются для контроля внутренней структуры различных изделий, сварных швов. Рентгеновское излучение обладает сильным биологическим действием и применяется для лечения некоторых заболеваний. Гамма-излучение. Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.

Гамма-излучение - самое коротковолновое электромагнитное излучение ( -10 м). Его особенностью являются ярко выраженные корпускулярные свойства. Поэтому гамма-излучение обычно рассматривают как поток частиц - гамма-квантов. В области длин волн от 10 -10 до 10 -14 и диапазоны рентгеновского и гамма-излучений перекрываются, в этой области рентгеновские лучи и гамма-кванты по своей природе тождественны и отличаются лишь происхождением.

Спектр сине-зеленого источника излучения для радиочасов (аналогично изображенному на изображении выше). Длина волны максимума пика составляет 492 нм, а его ширина на середине высоты порядка 85 нм, то есть относительно широкая.

Электролюминесценция (EL) - это оптическое и электрическое явление, при котором материал излучает свет в ответ на электрический ток, проходящий через него, или на сильное электрическое поле . Это следует отличать от излучения света из-за температуры ( накаливание ) или воздействия химических веществ ( хемилюминесценция ).

Резюме

История

Механизм

Электролюминесценция - это результат излучательной рекомбинации электронов и электронных дырок в материале (обычно полупроводнике). Возбужденные электроны выделяют свою энергию в виде фотонов (то есть света). Перед рекомбинацией электроны и дырки отделяются друг от друга из-за индукции (полупроводник) в материале с образованием перехода (в полупроводниковых светоизлучающих устройствах, таких как светодиоды ) или из-за возбуждения ударами электронов высокой энергии, ускоренных сильным электрическим полем. (как с фосфором в электролюминесцентных дисплеях).

Примеры электролюминесцентных материалов

Практическое применение

Прожектор электролюминесцентный в действии (потребляет 0,08 Вт при 230 В, датируется 1960 годом, диаметр лампы 59 мм ).

Люминофор на основе электролюминесцентных поверхности часто используется в качестве подсветки для жидкокристаллических дисплеев . Они предоставляют информацию простым способом при относительно низком потреблении электроэнергии. Это делает их выгодными для батарей питания устройств , таких как пейджеры , часы и компьютерного управлением термостатами , а их зеленый - голубые свечения часто заметны в технологической среде. Однако для их использования требуется относительно высокое приложенное напряжение. Для устройств с батарейным питанием это напряжение должно генерироваться внутренней схемой преобразователя. Этот преобразователь часто издает слышимый шум при включенной подсветке. Для устройств, подключенных непосредственно к сети, это напряжение может быть получено непосредственно от линии питания. Так работают ночные огни .

В этих двух случаях электролюминесцентный материал должен быть помещен между двумя электродами, по крайней мере, один из которых должен быть прозрачным, чтобы пропускать свет. Таким образом, стекло, покрытое оксидом индия или оксидом олова, обычно используется в качестве прозрачного переднего электрода, а другой, расположенный внизу, покрыт отражающим металлом. В качестве прозрачного электрода можно использовать другие прозрачные материалы, такие как пленки углеродных нанотрубок или PEDOT.

В отличие от неоновых или люминесцентных ламп, электролюминесцентные лампы не являются устройствами отрицательного сопротивления и поэтому не требуют регулирования тока, протекающего через них. В принципе, лампы EL могут быть любого цвета, но наиболее часто используемые зеленые цвета довольно хорошо согласуются с максимальной чувствительностью человеческого зрения, позволяя получить наивысшую видимую интенсивность с наименьшим возможным источником электропитания.

Электролюминесцентная светоизлучающая панель от Dodge Charger 1966 г. Компания Chrysler начала производство автомобилей, оснащенных такими панелями, в 1960 году.

Электролюминесцентные устройства потребляют меньше энергии по сравнению с неоновыми лампами и имеют широкий спектр применения из-за их малой толщины (около 1 мм ), например, в предупреждающих знаках, маркировке самолетов и спасательных жилетах. Вдобавок к высокочастотному секвенсору последовательность предварительно нарезанных листов, образующих цепь, может создавать игривую анимацию, часто используемую в качестве украшения повседневных предметов, рекламных вывесок или даже аксессуаров, таких как кожаные изделия или автомобили.

Наконец, электролюминесцентный элемент был адаптирован в виде оптоволоконного или электролюминесцентного кабеля, состоящего из медной жилы, покрытой фосфором, проволоки из люминесцентного вещества и двух прозрачных оболочек из ПВХ. Преимущество этого устройства состоит в том, что он позволяет заменить обычные опорные провода, чтобы предложить альтернативу свету, такую как, в частности, дизайнерские наушники, мотоциклетные куртки, более заметные в ночное время, и для улучшения освещения общественных зданий.

Читайте также: