WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 8 06;07 Влияние объемного заряда на характеристики тонкопленочных электролюминесцентных излучателей на основе сульфида цинка © Н.Т. Гурин, О.Ю. Сабитов, А.В. Шляпин Ульяновский государственый университет, 432700 Ульяновск, Россия e-mail: soy@sv.uven.ru (Поступило в Редакцию 3 августа 2000 г.) Используя экспериментальные зависимости от времени мгновенной яркости и полного тока, протекающего через тонкопленочный электролюминесцентный излучатель (ТП ЭЛИ) МДПДМ структуры на основе ZnS : Mn, рассчитаны вольт-фарадные, вольт-зарядовые и вольт-амперные характеристики ТП ЭЛИ и определены условия возникновения отрицательного дифференциального сопротивления S- и N-типов. Предложен механизм образования отрицательного сопротивления, основанный на ионизации и перезарядке глубоких донорных и акцепторных центров, обусловленных вакансиями цинка и серы, с образованием объемных зарядов вблизи катодной и анодной границ слоя люминофора.

Тонкопленочным (ТП) и электролюминесцентным нофора толщиной dp протекает ток Ip(t), включающий в (ЭЛ) излучателям (ЭЛИ) свойствена асимметрия струк- себя ток смещения и ток проводимости, которые опретуры и свойств, особенно существенная для наиболее эф- деляют кинетику процессов переноса носителей заряда, фективных по светотехническим параметрам образцов, возбуждения центров свечения, образования объемных полученных методом послойной атомной эпитаксии [1– зарядов и перераспределения поля в слое.

3]. Эта асимметрия связана с неравномерным распре- При известном законе изменения напряжения возбуделением дефектов структуры, примесей и обусловлен- ждения ТП ЭЛИ V(t) и токе во внешней цепи Ie(t) изменение среднего поля в слое люминофора Fp(t) опреных ими донорных и акцепторных уровней по толщине делится выражением слоя люминофора. Как свидетельствует ряд работ [1–5], объемный заряд, связанный с этими центрами, оказывает t существенное влияние на кинетику электролюминесцен1 Fp(t) = V(t) - Ie(t)dt. (1) ции ТП ЭЛИ. В частности, он может приводить к dp Ci появлению участка отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) S-типа на зависимости тока, проФормула (1) справедлива для нулевых начальных текающего через слой люминофора в режиме излучеусловий, когда действует первый полупериод напряжения ТП ЭЛИ, от среднего поля Fp в этом слое [5–7]. В то ния возбуждения. При ненулевых начальных условиях же время данные работы [4] свидетельствуют в пользу необходимо учитывать поле остаточной поляризации, существования при определенных условиях возбуждения сохраняющейся в ТП ЭЛИ от предыдущего полупериода люминофора участка ОДС N-типа на указанной зависинапряжения возбуждения противоположной полярности, мости, природа которого не выяснена.

В связи с этим целью данной работы является из- t 1 учение электрических характеристик ТП ЭЛИ в условиFp(t) = V(t) - Ie(t)dt + Fpol. (2) dp Ci ях образования объемных зарядов в слое люминофора, включая исследование условий появления ОДС S- и N-типов.

Поле Fpol включает в себя поле Fpi, обусловленное Как известно [5,8], в области напряжений возбужде- поляризационным зарядом Qpi, накопленным на состония, не превышающих порогового значения, соответ- яниях границы раздела люминофор–диэлектрик, а также ствующего началу свечения, ТП ЭЛИ может быть пред- поле Fps, обусловленное объемным зарядом в слое люмиставлен в виде последовательного соединения конден- нофора. В общем случае поле Fps может иметь несколько саторов, образованных двумя диэлектрическими слоя- составляющих, обусловленных различными объемными ми Ci и слоем люминофора Cp. После достижения зарядами и различно направленных по отношению к порогового напряжения в сильном электрическом поле полю Fpi. Поле Fpol спадает со временем в промежутке начинаются туннельная эмиссия электронов с состо- между двумя последовательными интервалами нахождеяний на границе раздела люминофор–диэлектрик, их ния ТП ЭЛИ в активном режиме, сопровождающемся ускорение в электрическом поле, возбуждение центров протеканием тока Ip(t).

свечения Mn2+ и ударная ионизация других центров, Заряд, переносимый через слой люминофора при отобусловленная дефектами кристаллической решетки и сутствии потерь на рекомбинацию и захвата носителей примесями. В результате после порога через слой люми- на ловушки, равен заряду, накопленному в активном Влияние объемного заряда на характеристики тонкопленочных электролюминесцентных излучателей... режиме на состояниях границы раздела Qp и связан с Ie(0) =Ce(dV (t)/dt) =CeVm/tm = const, то значение Fpt зарядом, протекшим во внешней цепи Qe [6], равно Ci + Cp 1 Vm Ce Vm Iettt Qp(t) = Qe(t) - CeV (t), (3) Fpt = tt - tt - + Fpol Ci dp tm Ci tm Ci где 1 Ci - Ce Vm Iett t = - tt + Fpol. (9) dp Ci tm Ci Qe(t) = Ie(t)dt (4) При (Ci - Ce)(Vm/tm) Iet, учитывая, что — заряд, протекающий во внешней цепи, определение Ce = CpCi/(Cp + Ci), выражение (9) приводится к виду которого также предполагает нахождение начальных условий.

CiVm Fpt tt + Fpol. (10) При указанных выше условиях связь между Qp(t) и dp(Ci + Cp)tm Fp(t) определяется в виде [6] Ток проводимости, протекающий через слой люминоFp(t) = CiV (t) - Qp(t). (5) фора при напряжениях возбуждения выше порогового и dp(Ci + Cp) отсутствии в нем объемного заряда, равен [4] В результате в слое люминофора приложенное поле Ci + Cp dV(t) уменьшается на величину, пропорциональную этому заIp(t) =Ie(t) - Cp Ci dt ряду Qp = Qpi, и поле этого заряда — поле остаточной поляризации к началу очередного цикла возбуждения Ci + Cp = Ie(t) - Ie(0). (11) может сохраняться несколько часов [6] и при V (t) =Ci равно Qpi(t) Из-за возникновения объемных зарядов в слое люмиFpi(t) =-, (6) dp(Ci + Cp) нофора ток Ip(t), определенный в соответствии с (11), будет иметь реактивную составляющую и содержать, а заряды Qp и Qe при этом связаны соотношением таким образом, информацию об образовании объемных Ci + Cp зарядов в слое люминофора. В этом случае при допуQp = Qe. (7) Ci щении идеальности диэлектрика (отсутствие в нем тока проводимости и объемных зарядов) емкость диэлектриСреднее пороговое поле в слое люминофора Fpt, соческих слоев ТП ЭЛИ Ci можно считать постоянной во ответствующее началу свечения, можно определить с всем диапазоне работы ТП ЭЛИ, и зависимость Ip(Fp), учетом (2) в виде определенная из формул (1) или (2) и (11), 1 Qet Fpt = Vt - + Fpol, (8) dFp(t) dV(t) dp Ci Ip(t) =Ci - (Ci + Cp)dp (12) dt dt где Vt, Qet — пороговые напряжение и заряд, протекаюбудет характеризовать условный полупроводниковый щий через ТП ЭЛИ.

прибор, включающий в себя слой люминофора с границаПри линейно нарастающем напряжении возбуждения ми раздела люминофор–диэлектрик с исходными толщиV(t) =(Vm/tm)/t, где Vm, tm — амплитудное значение наной dp, ”геометрической” емкостью Cp и с напряжением пряжения возбуждения и время нарастания V(t) от нуля на нем Vp(t) =Fp(t)dp.

до Vm соответственно; Vt = (Vm/tm)/tt, где tt — время Из формул (2), (12) следует, что если поле Fpol нарастания V (t) от нуля до Vt. Начало свечения ТП ЭЛИ зависит от времени гораздо слабее, чем V(t) и Fp(t), и пороговые параметры Vt, tt, Qet обычно определяются то ток Ip(t) можно считать не зависящим от Fpol. При произвольным заданием некоторого порогового уровня установлении поля Fp постоянным в активном режиме средней яркости свечения ТП ЭЛИ, равного, например, работы dFp/dt = 0 и при линейно нарастающем на1 или 10 cd/m2. Использование зависимостей L(t), Ie(t) пряжении V(t) ток Ip должен быть постоянным. При позволяет более точно определить указанные параметры, например, заданием некоторого минимального фиксиро- уменьшении скорости роста поля Fp(t) ток Ip(t) возванного приращения тока Iet(t) относительно допоро- растает; при изменении знака dFp/dt (после перехода функции Fp(t) через максимум) ток Ip(t) продолжает гового уровня или яркости L(t) относительно нулевого уровня, определяемого периодом дискретизации време- возрастать, достигая максимума при максимальной скони, соответствующим уровнем квантования амплитуды и рости спада Fp(t), после чего с уменьшением скорости погрешностью измерений. Поскольку до начала свечения спада Fp(t) ток Ip(t) уменьшается.

4 Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 50 Н.Т. Гурин, О.Ю. Сабитов, А.В. Шляпин Емкость ТП ЭЛИ в активном режиме работы Ce(t) В частных случаях при |dQp/dVp| = 2Ci-Ce(V) =2Ci, может быть определена в виде при |dQp/dVp| = Ci Ce(V), а при |dQp/dVp| < Ci значения Ce(V) становятся отрицательными, что соотIe(t) CiCp(t) Ce(t) = = ветствует спаду зависимости Qe(t) на участке нарастаdV(t)/dt Ci + Cp(t) ния зависимости V(t). При положительных значени-1 ях dV(t)/dt это приводило бы к изменению направления dQp(t) = Ci 1 + Ci. (13) тока Ie(t) на этом участке, что нереально.

dVp(t) Экспериментальные исследования были выполнены на ТП ЭЛИ со структурой МДПДМ, где М — нижний Протекание тока проводимости в активном режиме прозрачный электрод на основе SnO2 толщиной 0.2 µm, работы ТП ЭЛИ после начала свечения соответствует нанесенный на стеклянную подложку, и верхний непрорезкому возрастанию емкости Cp(t) [4]. При этом в зрачный тонкопленочный электрод на основе Al толщислучае фиксации постоянного значения среднего поля в ной 0.15 µm, диаметром 1.5 mm; П — электролюминесслое люминофора Fp величина Cp(t) = dQp(t)/dVp(t) центный слой ZnS : Mn (0.5% mass) толщиной 0.54 µm;

стремится к бесконечно большой и Ce(t) Ci, т. е. на Д — диэлектрический слой ZrO2 Y2O3 (13% mass) зависимости Ce(V) в активном режиме работы ТП ЭЛИ толщиной 0.15 µm. Слой люминофора наносили вакуумдолжен быть участок, на котором Ce Ci и не зависит термическим испарением в квазизамкнутом объеме с от V [2,3]. При этом в случае линейно нарастающего последующим отжигом при температуре 250C в теченапряжения возбуждения ток Ie(t), как иток Ip(t) (12), на ние часа, непрозрачный электрод — вакуум-термическим этом участке также постоянен [8], а зависимости Qp(Vp) или Qp(Fp) идут вертикально (параллельно оси ординат). испарением, тонкопленочные диэлектрические слои поПри образовании объемных зарядов в слое люми- лучали электронно-лучевым испарением.

нофора поле Fp не остается постоянным в активном Экспериментально исследованы зависимости тока и режиме работы ТП ЭЛИ, и в зависимости от величины мгновенной яркости свечения от времени при возбуCp(t) = dQp(t)/dVp(t) возможны следующие варианты ждении ТП ЭЛИ знакопеременным напряжением треповедения вольт-фарадной характеристики Ce(V ). угольной формы, подаваемым с генератора Г6-34 с до1. dQp/dVp > Cp и растет с увеличением напряже- полнительным усилителем-формирователем и внешним ния V, оставаясь конечной величиной. Это приводит генератором запуска Г5-89. Амплитуда импульсов сок возрастанию Ce(V ), но до значений, меньших Ci. ставляла (160-170 V) при коэффициенте нелинейности Если после этого с дальнейшим ростом напряжения V напряжения не более 2%. В режиме однократного запусdQp/dVp уменьшается, то соответственно уменьшается ка напряжение возбуждения представляло собой пачку Ce(V ) и, согласно (13), при сохранении положительного импульсов из двух периодов напряжения треугольной значения dV(t)/dt в рассматриваемом диапазоне напря- формы, следующих с частотой 2, 10, 50, 200, 500, жений V (в том числе при линейно нарастающем на- 1000 Hz. Время между однократными запусками Ts пряжении) подобный вид будут иметь зависимость Ie(V) изменялось в пределах 0.1-100 s. В непрерывном реи в соответствии с (1), (11) зависимости Ip(Vp) или жиме возбуждения частота изменялась от 10 до 1000 Hz.

Ip(Fp), т. е. в этом случае на вольт-амперной характе- Ток через ТП ЭЛИ измерялся с помощью включаемористике (ВАХ) слоя люминофора появляется участок го последовательно с ТП ЭЛИ резистора 0.1-10 k, ОДС N-типа. В частном случае при dQp/dVp = Ci падение напряжения на котором не превышало 1 V.

Ce(V ) =Ci/2. Мгновенное значение яркости L измерялось с помощью 2. При dQp/dVp 0 Ce(V ) также стремится к нулю. фотоэлектронного умножителя ФЭУ-84-3. Зависимости Это происходит, в частности, при достижении возра- напряжения возбуждения V, тока через ТП ЭЛИ Ie и стающим напряжением возбуждения V амплитудного мгновенной яркости свечения L от времени t фиксировазначения Vm с последующим его снижением. лись с помощью двухканального запоминающего осцил3. dQp/dVp < 0 и |dQp/dVp| > Ci. При конечной вели- лографа С9-16, связанного через интерфейс с персональчине dQp/dVp значение Ce(V) всегда больше Ci, причем ным компьютером, которые обеспечивали для каждого чем меньше |dQp/dVp| (ближе к Ci), тем больше Ce(V ). канала измерение и запоминание 2048 точек выбранного Если в процессе роста напряжения V |dQp/dVp| воз- периода дискретизации с погрешностью не более 2%.

растает после некоторого минимального значения, то Математическая и графическая обработка производилась Ce(V ) после соответствующего максимума уменьшается, с помощью прикладных программных пакетов Maple V стремясь при dQp/dVp к значению Ci. Этому Release 4 Version 4.00b и GRAPHER Version 1.06 2-D соответствует приближение к вертикальному участку Graphing System с использованием формул (1)–(13) при зависимостей Qp(Vp) или Qp(Fp) слева. При этом в Ci = 986 pF, Cp = 250 pF с учетом падения напряжесоответствии с теорией полупроводниковых приборов ния на токосъемном резисторе, которое вычиталось из с ОДС [9] отрицательная емкость всегда соответствует напряжения V(t). Значения Ci и Cp определялись исходя участку ОДС S-типа на ВАХ, т. е. зависимости Ip(Vp) из измеренного с помощью измерителя иммитанса Е7-или Ip(Fp) должны иметь такой участок во всех случаях, значения суммарной емкости ТП ЭЛИ Ce = 200 pF и когда Ce(V) > Ci. геометрических размеров ТП ЭЛИ.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Влияние объемного заряда на характеристики тонкопленочных электролюминесцентных излучателей... Рис. 1. Зависимости V (t) (1), L(t) (2) и Ie (3) при f = 50 Hz, Vm = 160 V. a — режим возбуждения с однократным запуском при Ts = 100 s и подачей отрицательной полуволны напряжения в первом полупериоде на верхний электрод (вариант -Al); b —то же при подаче положительной полуволны напряжения возбуждения в первом полупериоде на верхний электрод (вариант +Al); c — непрерывный режим возбуждения, положительная амплитуда V (t) соответствует варианту (-Al).

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.