Электролюминесценция

А.Мицкевич кандидат физико-математических наук (1961 год)

В 1923 году советский радиофизик О.Лосев подметил, что при прохождении через кристалл электрического тока наблюдается излучение света. Он высказал предположение: возможно, свет возникает в результате нагревания кристалла или из-за искрового разряда в местах неплотного контакта между поверхностью кристалла и проволочным электродом.

Лосев изучал открытое им явление вплоть до 1941 года и в своих работах убедительно показал, что им открыто новое явление, которое нельзя свести к ранее известным физическим эффектам. Оказывается, электрическая энергия в некоторых кристаллах может превращаться в свет, минув стадию нагревания вещества.

В 1936 году французский физик Ж. Дестрио сообщил, об обнаруженном им свечении некоторых веществ – электролюминофоров – в переменном электрическом поле низкой частоты. Для того чтобы наблюдать это свечение, вещество надо было поместить между двумя пластинами плоского конденсатора, в котором электролюминофор выполнял роль изолятора. При достаточно высокой напряженности поля в таком конденсаторе начинают светиться все вещества. Но наиболее яркое свечение при сравнительно низких значениях напряженности наблюдается у соединений цинка, особенно у сернистого цинка, активированного медью.

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВНУТРИ КРИСТАЛЛА!

С тех пор оба эффекта – эффект Лосева и эффект Дестрио – тщательно изучаются с целью выяснения механизма превращения электрической энергии в свет в твердом теле. Чем объясняются явления электролюминесценции? Ответ на этот вопрос надо искать в поведении электрических зарядов кристаллов – электронов и «дырок».

Электролюминесценции Лосева наблюдается при прохождении постоянного тока через кристалл полупроводника в «пропускном» направлении. По-видимому, не существует «минимальной» напряженности поля, при которой начинается свечение Лосева. Его яркость возрастает пропорционально количеству зарядов, протекающих через кристалл в единицу времени. В этом случае оба типа носителей тока – электроны и «дырки» — двигаются навстречу друг другу и при встрече рекомбинируют, то есть взаимно погашают свои движения. В результате излучаются кванты света. Электролюминесценции такого рода наблюдается у полупроводников на границе выпрямляющего слоя. У кристаллов карборунда рекомбинация сопровождается излучением видимого света, у германия и окиси меди – излучением инфракрасных лучей.

Электролюминесценции Дестрио наблюдается при более высоких средних значениях приложенного электрического поля. Значит, кроме ускорения движения зарядов, оно приводит в действие какой-то «спусковой механизм», который начинает работать только при достаточно высоком значении напряженности. Возможно, что происходит отрыв электронов кристаллической решетки, который наступает при напряженных, близких к электрическому пробою. При этом электроны успевают приобрести в поле достаточную энергию, чтобы путем столкновения оторвать следующие электроны, а те, в свою очередь, — новые электроны и так далее. В кристалле развивается своего рода «цепная реакция» размножения электронов, которые возбуждают центры свечения кристалла.

Собственно, возникновение такой электронной лавины и вызывает пробои изолятора. Однако в электролюминофорах пробой не наступает. Почему? Измерения показывают, что электролюминесценции Дестрио наступает при напряженности меньшей, чем напряженность электрического поля, необходимого для пробоя.

Однако, надо помнить, что, когда говорят о величине поля в кристалле электролюминофора, имеют в виду лишь среднюю напряженность. В действительности напряженность поля может изменяться в широких пределах в ту или иную сторону от среднего значения, в зависимости от особенностей строения кристалла. В частности, в кристалле могут быть такие нарушения структуры, на которых электрическое поле «концентрируется», значительно превосходя среднее значение. Области концентрации поля могут возникать на границе раздела между полупроводником и областями, имеющими иной химический состав или другой тип проводимости. Здесь могут возникать местные поля, достаточно высокие, чтобы сработал «спусковой механизм» электролюминесценции Дестрио. Местный характер перенапряжение не позволяет электрическому пробою развиваться во всей массе кристалла. 

Наблюдение под микроскопом электролюминесценции кристаллов сернистого цинка, активированного медью, показывает, что свечение возникает не во всей массе кристалла, как при обычной фотолюминесценции, а только в отдельных его точках, главным образом на поверхности. Оказывается, именно в этих точках строение кристалла неоднородно. (Неоднородности возникают при изготовлении электролюминофоров.) Это доказывает, что схема механизма электролюминесценции, о которой говорилось выше, в остальном правильна.

ЛАМПЫ ИЗ… ПОРОШКА

Хотя в картине электролюминесценции все еще много «белых пятен» и требуется дополнительные усилия исследователей, чтобы их ликвидировать, техника незамедлительно приступила к практическому использованию замечательных свойств этого оптического явления в полупроводниках.

Прежде всего были сделаны попытки создать принципиально новые источники света: потребовалось электролюминофоры, которые довольно ярко светятся при сравнительно низких электрических напряжениях.

Электролюминесцентная лампа — это плоский конденсатор, у которого по крайней мере один электрод прозрачный (см. цветную вкладку). Первоначально его делали из стекла, на поверхность которого наносился тонкий, прозрачный слой окиси олова или окиси титана, хорошо проводящих электрический ток. Изолирующей прокладкой конденсатора служит слой электролюминофора. Так как электролюминофоры – вещества порошкообразные, их вводят в виде взвеси в какой-нибудь лак или смолу, которая после застывания образует пленку. В усовершенствованном варианте электролюминофор вводят в эмаль, который покрывает металлические листы. Прозрачный электрод наносится прямо на поверхность эмали. Вторым электродом служит металлическая подложка.

Яркость электролюминесцентной лампы тем больше, чем больше напряжение и чем выше частота переменного тока. Если есть специальные источники питания – звуковые генераторы большой мощности, можно добиться яркости телевизионного экрана. Большего пока достичь не удалось, поэтому электролюминесцентные источники света не могут в обозримом будущем конкурировать с обычными источниками света.

Однако они очень удобны для сигнального, аварийного и декоративного освещения, тем более что можно получить различные оттенки свечения – от голубого до красного. Поверхность такой «лампы» может составлять несколько квадратных дециметров, их применяют в качестве светового элемента для отделки потолков и стен внутри помещений.

Но, пожалуй, важнее не превращение с помощью электролюминофоров электричества в свет в целях освещения, а возможность легко и удобно электрические сигналы превращать в световые. Во многих случаях важна не величина яркости, а световой сигнал о наличии или отсутствия электрического сигнала. Эту задачу выполняют специальные табло – несколько электролюминесцентных ламп, совмещенных на одной панели. Для изготовления табло никакого монтажа не требуется. Просто на слой электролюминофора, нанесенного на стеклянную токопроводящую подложку, сверху еще наносится проводящей краской несколько раздельных электродов нужной конфигурации.

УСИЛИТЕЛЬ СВЕТА

Наиболее неожиданной и многообещающей оказалось возможность использовать электролюминесценцию для усиления яркости изображений. Для этого между пластинами-электродами, кроме слоя электролюминофора, вводится еще слой светочувствительного полупроводника, который под действием падающего на него света может управлять величиной напряжения, приходящегося на слой электролюминофора. В тех местах полупроводника, куда проектируется свет относительно высокой яркости, его сопротивления току мало, и, следовательно, тем наибольшее падение потенциала будет происходить на слое электролюминофора. Он в этих местах будет светиться ярко. Наоборот, там, где изображение на слое полупроводника относительно темное, падение напряжения будет происходить главным образом на слое полупроводника, и в этих местах электролюминофор светиться не будет (см. цветную вкладку).

Сейчас в качестве полупроводника для электролюминесцентных усилителей яркости применяются соединения кадмия с серой, селеном и теллуром. Эти соединения, как и электролюинофоры, порошкообразные и для изготовления светочувствительной слоя вводятся в связующие вещества: смолы, эмали, пластмассы. Таким образом, дополнительный слом в электролюминесцентном конденсаторе существенно не меняют его строения, но тем не менее превращает в прибор с новыми возможностями: проектирую на одну сторону конденсатора почти неосязаемое глазом изображение, на противоположной стороне мы можем видеть его усиленным, ярким. Электролюминесцентные усилители яркости начинают применяться для проектирования телевизионных изображений на экраны больших размеров.

Электролюминофоры позволяют решать и такую необычную задачу, как преобразование невидимых лучей – ультрафиолетовых, инфракрасных, рентгеновских – в видимые. Преобразователи излучения по конструкции не отличаются от усилителей яркости, разница заключается в том, что для приемного слоя выбирается полупроводник, который сильно меняет свое сопротивление под действием невидимых лучей. Применяя их в рентгеновских аппаратах, можно получить яркое и четкое изображение картины просвечивания при значительно меньшей интенсивности лучей, чем обычно.

СОПЕРНИК КИНЕСКОПА

Электронно-лучевая трубка – кинескоп – наиболее важная и «деликатная» деталь телевизора. Электролюминесценция позволяет заменить его жесткой конструкцией, внешне напоминающей картину на стене.

Электролюминесцентному конденсатору можно придать мозаичную структуру, поместив люминофор между двумя плоскостями с взаимно перпендикулярным расположением токопроводящих полос. Образуется «координатная сетка», на которой можно зажечь любую «точку», подводя питание к соответствующей паре пересекающихся полос. Но как подводить к каждой точке экрана питание в такой последовательности и такой величины, чтобы оно соответствовало строчно-кадровой развертке современного телевидения?

Проблема распределения телевизионных сигналов по электролюминесцентному растру является наиболее сложной, и вначале казалось, что ее решение сводит на нет все технологические преимущества плоского экрана перед кинескопным. Однако в последнее время в этой области появились идеи, показывающие, что разумное решение может быть найдено. С каждым элементом растра можно сочетать такое устройство, которое бы, во-первых, зажигало его и, во-вторых, адресовало следующий телевизионный импульс к соседнему элементу растра.

Такое устройство было создано. Это так называемый «трансфлюксор». По сообщениям зарубежной печати, он представляет собой миниатюрный трансформатор с тремя обмотками и ферритовым сердечником особой конструкции.

Электролюминесцентный экран на трансфлюксорах с 1 200 элементами уже испытывался, качество воспроизведения телевизионной картины было примерно таким, как в первых телевизионных установках с механической разверткой изображения. Улучшить картину можно, увеличив число элементов растра. Но это значит, что пропорционально должно возрасти количество трансфлюксоров, которые нужно монтировать на экране вручную. Удобная схема электролюминесцентного телевизионного экрана еще ждет своего решения.

Среди многочисленных применений электролюминесценции назову еще усилители контрастов, позволяющее «превращать» размытое изображение в более четкое, а также электролюминесцентные триггеры и элементы «памяти» для электронных счетно-решающих машин (условно изображено на цветной вкладке внизу). В этой области физики еще много работы. В сущности, она только начинается, и сейчас даже трудно сказать, как изменится окружающий нас мир света и красок благодаря электролюминофорам.