WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 2 06;07 Кинетика электролюминесценции тонкопленочных излучателей на основе сульфида цинка на ультранизких частотах © Н.Т. Гурин, А.В. Шляпин, О.Ю. Сабитов Ульяновский государственный университет, 432700 Ульяновск, Россия e-mail: soy@sv.uven.ru (Поcтупило в Редакцию 13 марта 2001 г.) Представлены результаты исследования кинетики мгновенной яркости свечения тонкопленочных электролюминесцентных структур, возбуждаемых знакопеременным напряжением треугольной формы частотой 0.1-2 Hz. Обнаружены два участка нарастания во времени мгновенной яркости и тока, ”быстрый” и ”медленный”, которым соответствуют разные области на полевых, зарядовых зависимостях мгновенной яркости и на других электрофизических характеристиках. На основании решения кинетического уравнения получены зависимости мгновенной яркости и внутреннего квантового выхода от времени. Результаты объясняются образованием объемных зарядов в слое люминофора, сопровождающем уменьшением эффективной толщины этого слоя, и изменением механизма возбуждения центров свечения.

Одной из основных характеристик тонкопленочных зависимостями мгновенной яркости, а также вольт-амэлектролюминесцентных излучателей (ТП ЭЛИ) явля- перными и вольт-зарядовыми характеристиками слоя ется вольт-яркостная характеристика (ВЯХ), отражаю- люминофора.

щая зависимость средней (кажущейся) яркости свече- Для решения данной задачи были выполнены эксния от амплитуды знакопеременного напряжения воз- периментальные исследования ТП ЭЛИ со структубуждения [1]. Средняя яркость при этом получа- рой МДПДМ, где М — нижний прозрачный электется в результате усреднения по времени импульсов род на основе SnO2 толщиной 0.2 µm, нанесенный на мгновенной яркости — так называемых волн яркости, стеклянную подложку, и верхний непрозрачный тонковид которых зависит от формы напряжения возбужде- пленочный электрод на основе Al толщиной 0.15 µm, ния. При этом постоянная спада мгновенной яркости, диаметром 1.5 mm; П — электролюминесцентный определенная для разных форм напряжения возбужде- слой ZnS : Mn (0.5% mass.) толщиной 0.54 µm; Д — ния, дает значение времени жизни возбужденных цен- диэлектрический слой ZrO2 Y2O3 (13% mass.) толтров свечения, в частности Mn2+, которое составляет щиной 0.15 µm. Слой люминофора наносили ваку1.3-1.5 ms в ZnS с малым содержанием Mn и умень- умтермическим испарением в квазизамкнутом объеме шается с ростом концентрации Mn [1,2]. Однако из- при температуре подложки 250C с последующим отвестные данные о форме ВЯХ не позволяют детально жигом при температуре 250C в течение часа, неописать физические процессы, определяющие кинетику прозрачный электрод — вакуумтермическим испарениэлектролюминесценции в таких структурах, а также ем, диэлектрические слои получали электронно-лучевым другие характеристики ТП ЭЛИ. Во многом это вы- испарением.

звано тем, что большинство исследований выполняются Экспериментально исследованы зависимости мгновенили на частотах напряжения возбуждения выше 50 Hz, ной яркости свечения L и тока через ТП ЭЛИ Ie от когда соседние волны яркости перекрываются, или с времени t при возбуждении ТП ЭЛИ знакопеременным использованием прямоугольных импульсов напряжения, напряжением треугольной формы, подаваемым с генеили на синусоидальном напряжении возбуждения, что ратора Г6-34 с дополнительным усилителем — формисущественно затрудняет анализ физических процессов рователем и внешним генератором запуска Г5-89. Амв ТП ЭЛИ. В то же время исследования на линейно плитуда импульсов составляла 160 V при коэффициенте нарастающем напряжении с частотой ниже 50 Hz, ко- нелинейности напряжения не более 2%. В режиме одногда все характеристические времена, свойственные про- кратного запуска напряжение возбуждения представляло цессу электролюминесценции, имеют значения меньше собой пачку импульсов из двух периодов напряжения четверти периода напряжения возбуждения, позволяют треугольной формы, следующих с частотой 2 Hz. Время провести детальный анализ кинетики электролюминес- между однократными запусками Ts изменялось в преценции ТП ЭЛИ [2].

делах 1-100 s. В непрерывном режиме возбуждения Целью работы является изучение кинетики мгновен- частота составляла 0.1, 0.2, 0.5 и 2 Hz. Ток Ie изменой яркости свечения ТП ЭЛИ при возбуждении ли- рялся с помощью включаемого последовательно с ТП нейно нарастающим напряжением низкой частоты во ЭЛИ резистора сопротивлением 100 -10 k, падение взаимосвязи с кинетикой тока, протекающего через слой напряжения на котором не превышало 1 V. Мгновенное люминофора, поля в этом слое, с полевыми, зарядовыми значение яркости измерялось с помощью фотоэлектронКинетика электролюминесценции тонкопленочных излучателей на основе сульфида цинка... ного умножителя ФЭУ-84-3. Зависимости напряжения где t возбуждения, тока через ТП ЭЛИ и мгновенной яркости Qe(t) = Ie(t) dt (4) свечения от времени фиксировались с помощью двухканального запоминающего осциллографа С9-16, связанного через интерфейс с персональным компьютером, — заряд, протекающий во внешней цепи; Qpol — которые обеспечивали для каждого канала измерение остаточный поляризационный заряд.

и запоминание 2048 точек выбранного периода дискре- При этом значения Qpol и Fpol, а также истинное тизации с погрешностью не более 2%. Математиче- положение зависимостей Qp(t) и Fp(t) относительно ская и графическая обработка производилась с помощью оси абсцисс определялись аналогично [3] с погрешноприкладных программных пакетов Maple V Releaseстью ±2%. Все расчетные зависимости были получены Version 4.00b и GRAPHER Version 1.06. 2-D Graphing с использованием формул (1)–(4) при Ci = 986 pF, System.

Cp = 250 pF с учетом падения напряжения на токосъемПри известном законе изменения напряжения возбуж- ном резисторе, которое вычиталось из напряжения V (t).

дения ТП ЭЛИ V (t) и токе во внешней цепи Ie(t) измене- Значения Ci и Cp определялись исходя из значения ние среднего поля в слое люминофора Fp(t) определится суммарной емкости ТП ЭЛИ Ce = 200 pF, измеренного с выражением [3] помощью измерителя иммитанса Е7-14, и геометрических размеров ТП ЭЛИ.

t Полученные экспериментальные зависимости L(t) 1 Fp(t) = V (t) - Ie(t) dt + Fpol, (1) и Ie(t) (рис. 1), а также расчетные зависимости Ip(t), dp Ci 0 Fp(t), L(Qp), Ip(Fp), Qp(Fp) (рис. 2) характеризуются следующими особенностями: 1) слабой асимметригде dp — толщина слоя люминофора; Ci — емкость ей импульсов тока Ip(t) в непрерывном режиме возконденсатора, образованного двумя диэлектрическими буждения при подаче положительной и отрицательной слоями ТП ЭЛИ.

полуволн напряжения на верхний электрод (варианПоле Fpol включает в себя Fpi, обусловленное поляриты (+Al) и (-Al) соответственно) аналогично [3,4], зационным зарядом Qpi, накопленным на состояниях грауменьшающейся с ростом частоты f, и существенной ницы раздела люминофор–диэлектрик, а также поле Fps, асимметрией волн яркости L(t), также уменьшающейся обусловленное объемным зарядом в слое люминофора.

с увеличением частоты; амплитуда волны яркости выше В общем случае поле Fps может иметь несколько состав варианте (+Al) по сравнению с вариантом (-Al) влящих, обусловленных различными объемными зарядапримерно в 3.4 раза на частоте f = 0.1Hz и в 1.5 раз ми и различно направленных по отношению к полю Fpi.

на f = 2Hz (рис. 1); 2) появлением аналогично [3,4] Поле Fpol спадает со временем в промежутке между в режиме однократного запуска в первом полупериоде в двумя последовательными интервалами нахождения ТП варианте (-Al) дополнительного пика тока Ip, амплитуда ЭЛИ в активном режиме, сопровождающимися протекоторого растет с увеличением Ts, и соответствующего канием тока Ip через слой люминофора. Этот ток изему пика мгновенной яркости L (рис. 2, a, e), что объясза возникновения объемных зарядов имеет реактивную няется увеличением вероятности возбуждения центров составляющую и характеризует условный полупроводнисвечения, пропорциональной плотности тока Ip [2,4];

ковый прибор, включающий в себя слой люминофора с 3) наличием двух четко выраженных участков нарастаграницами раздела люминофор–диэлектрик с исходными ния зависимостей L(t), Ip(t), ”быстрого” и ”медлен”геометрической” емкостью слоя люминофора Cp, толного” с границей раздела между ними, обозначенной щиной dp, с напряжением на нем Vp(t) =Fp(t)dp [3,4], и точкой 1, в которой скорость нарастания L и Ip меняс учетом (1) равен ет знак (рис. 2, a, e); 4) внешним подобием зависимостей L(t) и Ip(t) во всех случаях, кроме варианта (+Al), Ci + Cp dV(t) Ip(t) =Ie(t) - Cp f = 2Hz (рис. 2, a, e); 5) близостью точки 1 начала Ci dt существенного замедления нарастания L и Ip от времени (рис. 2, a, e) к точке начала появления S-образных участdFp(t) dV(t) = Ci - (Ci + Cp) dp. (2) ков на вольт-амперной характеристике (ВАХ) слоя люdt dt минофора Ip(Fp) (рис. 2, d) [3–5], на зависимостях L(Fp) Заряд, переносимый через слой люминофора при от(рис. 2, c) и Qp(Fp) (рис. 2, h); 6) близкой к линейной сутствии потерь на рекомбинацию и захвата носителей зависимости L(Ip) на первом участке, за исключением на ловушки, равен заряду, накопленному в активном начальной области, где эта зависимость сверхлинейна, режиме на состояниях границы раздела Qp и связан с и уменьшением крутизны наклона зависимости L(Ip) зарядом, протекшим во внешней цепи Qe [2,3], (рис. 2, b) при переходе точки 1 и особенно точки 1 ;

7) наличием также двух участков роста яркости L при Ci + Cp увеличении заряда Qp, ”сильного” и ”слабого” с граQp(t) = Qe(t) - CeV(t) + Qpol, (3) Ci ницей между ними, определяемой точкой 1 (рис. 2, g) аналогично [2].

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 76 Н.Т. Гурин, А.В. Шляпин, О.Ю. Сабитов Рис. 1. Зависимости мгновенной яркости (1), тока (2) и напряжения возбуждения (3) от времени в непрерывном режиме возбуждения. Частота напряжения возбуждения f, Hz: a —0.1, b —0.2, c —0.5, d — 2. Первый полупериод соответствует варианту (-Al).

Для объяснения полученных результатов рассмотрим свечения, обусловленной излучательными переходами в кинетику процесса. Как известно [1,6], мгновенная яр- основное состояние.

кость свечения ТП ЭЛИ L(t) связана с концентрацией При этом зависимость N(t) в предположении прямого возбужденных центров свечения N(t) формулой ударного возбуждения центров свечения определяется решением кинетического уравнения [6,7] AintdpN(t) AN1PrdpN(t) L(t) = =, (5) dN(t) N(t) = (t) N - N(t) -, (6) dt где A — постоянная, определяемая в приближении мо- где Ip(t) нохроматичности излучения и диффузно-рассеивающей (t) = (7) поверхности ТП ЭЛИ в виде A = K0 f · h/; K0 — qSe коэффициент выхода излучения из ТП ЭЛИ; f — — вероятность возбуждения центров свечения в едивидность излучения; h — постоянная Планка; — ницу времени, Se — площадь ТП ЭЛИ, q — заряд частота излучения; int — внутренний квантовый выход электрона.

ТП ЭЛИ, равный int = N1Pr; N1 — число центров При условии постоянства и независимости от N свечения, возбуждаемых одним электроном, прошедшим и от t решением уравнения (6) является [8] через слой люминофора N1 = dpN [1]; — сечение ударного возбуждения центров свечения; N — концентN(t) =e- (t) dt+ dt рация центров свечения; Pr = /r — вероятность (t) dt+ dt излучательной релаксации центра свечения; — время (t)Ne dt + C, (8) жизни центра свечения в возбужденном состоянии; r — постоянная времени релаксации возбужденных центров где C — постоянная интегрирования.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Кинетика электролюминесценции тонкопленочных излучателей на основе сульфида цинка... Рис. 2. Характеристики ТП ЭЛИ на частоте f = 2 Hz. Штриховые кривые V (t), жирные кривые — непрерывный режим возбуждения, тонкие кривые — режим возбуждения с однократным запуском Ts = 100 s; I — вариант (-Al), II — вариант (+Al).

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 78 Н.Т. Гурин, А.В. Шляпин, О.Ю. Сабитов Так как максимальные значения, соответствую- При 2 и 1 = 3, что, как далее будет показано, щие наибольшему в исследованном диапазоне частот имеет место в указанном диапазоне частот напряжения значению тока Ip2 1.6 · 10-6 A на частоте 2 Hz в возбуждения точке 2 (рис. 2, e) и определенное по формуле (7) Aint при 2 · 10-16 cm2, Se = 2mm2 [1,6], составляL(t) = Ip1 1 - e-t/2 + et/3. (17) qSePr 3 + ет = 10-1 s-1, а величина 1.5 · 10-3 s [2], 1/ 667 s-1, то во всем исследуемом диапазоне час При 1, 2, тот выполняется соотношение (t) 1/. Учитывая, что при t = 0 Ip(t) =0, N(t) =0 постоянная интегриAint L(t) = Ip(t). (18) рования C = 0, а также выполняется соотношение (7), qSePr решение (8) уравнения (6) имеет вид На участке спада зависимость Ip(t) аппроксимируется N выражением N(t) = e-t/ · Ip(t)et/ dt. (9) qSe Ip2 Ip(t) = e-t/4 + e-t/5, (19) На первом ”быстром” участке роста тока Ip(t) (рис. 2, e) зависимость Ip(t) в непрерывном режиме 4, 5 — постоянные спада тока Ip(t).

возбуждения аппроксимируется функцией вида Решение (8) уравнения (6) в этом случае имеет вид t-t 1 Ip2 Ip(t) =Ip1e, (10) N N(t) = e-t/4 + e-t/ qSe 2 4 - 5 - где 1 — постоянная нарастания тока Ip(t); t1 — момент 2 времени, соответствующий точке 1.

+ Ip1 - e-t2/2 + et2/ При этом решение (9) приводится к виду 2 - 3 + t-t 1 1 2 N 1 N + + N(t) = Ip1e = Ip1(t) (11) 1 + 2 - 3 + qSe 1 + qSe 1 + Ip2 и зависимость L(t) с учетом (5) имеет вид - + e-t/, (20) 2 4 - 5 - Ad22N2Pr 1 Aint p L(t) = Ip(t) = Ip(t). где t2 — момент времени, соответствующий точке 2, qSe 1 + qSePr 1 + t2 = 1/4 f, а зависимость L(t) выглядит следующим (12) образом:

При Aint Ip2 4 Aint L(t) = e-t/4 + e-t/ L(t) = Ip(t). (13) qSePr 2 4 - 5 - qSePr 2 + Ip1 - e-t2/2 + et2/На втором ”медленном” участке роста тока Ip(t) 2 - 3 + (рис. 2, e) зависимость Ip(t) в непрерывном режиме 1 2 возбуждения можно аппроксимировать выражением + + 1 + 2 - 3 + Ip(t) =Ip1 1 - e-t/2 + et/3, (14) Ip2 - + e-t/. (21) где 2, 3 — постоянные нарастания тока до и после 2 4 - 5 - точки изменения знака скорости нарастания тока Ip на При 2 и 1 = втором участке (рис. 2, e) соответственно.

Pages:     || 2 |



© 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.