fiz_osnovy_elektroniki_КЛ

10.5. Люминесценция

Люминесценция – некогерентное электромагнитное излучение тела сверх его теплового излучения, имеющее длительность, значительно превышающую период колебания. Люминесценция возникает в результате предварительного возбуждения атомов от внешнего источника с последующим их переходом в стабильное состояние, сопровождающимся излучением квантов света. В зависимости от источника возбуждения различают: фотолюминесценцию (источник – свет), радиолюминесценцию (радиоактивное излучение), катодолюминесценцию (электронный пучок), электролюминесценцию (электрическое поле), химелюминесценцию (химические реакции) и т.д. Явление люминесценции было известно еще в глубокой древности (свечение гниющей древесины, светлячки, северное сияние) и находило практическое применение (в древней Помпее посередине мостовой выкладывались светящиеся минералы, чтобы дорога была видна ночью). В настоящее время люминесценцию применяют в электронно-лучевых трубках осциллографов и кинескопах телевизоров, лампах дневного света, светящихся красках, приборах с цифровой индикацией и т.д. Светодиоды также относят к люминесцентным приборам. Люминесцирующие вещества называют люминофорами. По типу люминесценции их подразделяют на фотолюминофоры, катодолюминофоры, электролюминофоры и т.д.

Люминесценция связана с переходами в многоуровневых квантовых системах, подобных квантовым генераторам (см. рис. 10.9). Поглощая от источника возбуждения энергию W, атом переходит в возбужденное состояние 3, откуда безизлучательно переходит на метастабильный уровень 2 с потерей части энергии A на тепло. Излучение происходит при переходе 2 1.

Энергия излучаемого кванта

меньше, чем поглощаемая. Излучение происходит в течение длительного времени после выключе-

ния источника возбуждения, постепенно ослабевая по мере истощения запаса метастабильных атомов, находящихся на уровне 2.В качестве люминофоров обычно применяют полупроводники с большой шириной запрещенной зоны Eg = W: сульфиды (ZnS, CaS, SrS), оксиды щелочноземельных металлов (ZnO, CaO) и другие соединения. Для создания уровней 2 (ловушек) (см. Рис. 10.10), на которых возможно длительное

143

пребывание электрона в возбужденном состоянии, полупроводники легируют металлами (Ag, Cu, Au, Mn, Co) и их комбинациями. Получаемая картина энергетических уровней представлена на рис. 10.10. Работа полупроводникового люминофора происходит следующим образом. Внешний источник, сообщая атому энергию W > W, переводит электрон из валентной зоны в зону проводимости 1, откуда часть электронов переходит на уровень ловушки 2, где может находиться длительное время. Далее возможна рекомбинация – воссоединение захваченного электрона с дыркой 3 или возвращение электрона под действием теплового движения в зону проводимости 4 с переходом 5 в валентную зону. Переходы 3 и 5 сопровождаются излучением кванта света hf. В некоторых полупроводниках люминесценция обусловлена межпримесной рекомбинацией – переходом электрона от донора к акцептору. В электролюминофорах излучение происходит в результате рекомбинации носителей заряда при инфекции электронов из n- в p-область.

Для экранов электронно-лучевых трубок применяют катодолюми-

нофоры ZnS – Ag (синее свечение), (Zn,Cd)S – Ag (желтое), CaWO4 (го-

лубое), Zn2SiO4 – Mn (зеленое), ZnS – Cu (сине-зеленое) и др. Люминофоры постоянного действия изготавливают путем добавок небольшего количества радиоактивных веществ (трития, урана) люминофорам.

10.6. Электрооптический эффект

Электрооптическим эффектом называется изменение комплексной диэлектрической проницаемости в оптическом диапазоне под действием электрического поля. Это явление используется для модуляции света и управления световым лучом. Материалы, предназначенные для использования их электрооптического эффекта, называют электрооптическими. Электрооптический эффект может быть обусловлен изменением действительной составляющей диэлектрической проницаемости (или показателя преломления n = ), мнимой составляющей (коэффициента затухания света) или рассеянием света при воздействии внешнего электрического поля. Описывают электрооптический эффект зависимостью от напряженности внешнего поля не самой диэлектрической проницаемости в оптическом диапазоне, а обратной ей величины a=1/ ,

называемой поляризационной константой.

В центросимметричных кристаллах и в изотропных средах (например в жидкостях) значение не зависит от знака приложенного напряжения, функция (E) четная (рис. 10.11, кривая 1). Изменение , как и поляризационной константы a, в первом приближении пропорционально квадрату напряженности поля:

144

Это так называемый квадратичный электрооптический эффект, или

эффект Керра (R – электрооптический коэффициент Керра). В нецентросимметричных кристаллах и текстурах от E может быть линейной (рис. 10.10, кривая 2). В этом случае изменение компонент поляризационных констант ai (i – 1, 2, …, 6) прямо пропорционально компонентам напряженности поля:

(при k = 1, 2, 3).

Это – линейный электрооптический эффект. Коэффициент про-

порциональности rik в уравнении (10.20) называют электрооптическим коэффициентом. Поскольку a, как и , является тензором второго ранга, а E – вектором, то r – тензор третьего ранга. Матрица компонентов тензора rik для кристаллов различной симметрии совпадает с матрицей пьезомодулей dij (см. п. 10.3.1). Линейный электрооптический эффект существует только в веществах, которые обладают пьезоэффектом. При подаче электрического напряжения в таких веществах возникают механические напряжения или деформации, которые приводят к изменению поляризационных констант вследствие упруго оптического эффекта. Таким образом, наряду с прямым воздействием электрического поля на показатель преломления имеется и косвенное – через механическое напряжение или деформацию. Непрямые изменения показателя преломления в результате воздействия электрического поля называют вторич-

ным (или ложным) электрооптическим эффектом. Электрооптиче-

ский коэффициент складывается из коэффициентов первичного и вторичного эффектов:

rik rik rik , (10.21)

причем, rik сравним по величине с rik . На высоких частотах, когда эле-

мент не успевает деформироваться вслед за изменением электрического поля, наблюдается только первичный эффект.

Изменение показателя преломления при подаче напряжения связано со смещением ионов и деформацией электронных оболочек, т.е. с поляризацией диэлектрика. Поэтому электрооптический эффект часто описывают зависимостью поляризационных констант от поляризованности P:

Учитывая, что P = o ( – 1)E, выражение (10.22) можно представить аналогично (10.20): a = m o( – 1)E. Отсюда

145

Коэффициенты mil имеют один и тот же порядок величины для разных нецентросимметричных кристаллов и слабо зависят от воздействия различных факторов. Разница в электрооптических коэффициентах rik диэлектриков в значительной мере обусловлена неодинаковыми диэлектрическими проницаемостями. У сегнетоэлектриков, где значение обычно на два порядка выше, чем у обычных диэлектриков, коэффициенты rik максимальны. Зависимость от температуры электрооптических коэффициентов у сегнетоэлектриков также обусловлена главным образом зависимостью от температуры. На Рис. 10.12 представлены кривые, характеризующие изменение коэффициентов r63 сегнетоэлектрических кристаллов дигидрофосфата калия KH2PO4 (KDP) и его дейтерированного аналога KD2PO4 (DKDP) в параэлектрической фазе. В зависимости от температуры r63, как и 33, подчиняется закону Кюри-Вейсса (см. уравнение 10.1) и в точке Кюри (123 К для KDP и 213 К для DKDP) достигает больших очень значений, что является прямым следствием аномалии 33.

Для технической характеристики качества электрооптических материалов часто вводят еще один параметр – полуволновое напряжение U /2, необходимое для создания в кристалле разности хода /2, где – длина волны проходящего света. Чем ниже U /2, тем меньшее напряжение необходимо для модуляции света данным кристаллом, и тем больший интерес он представляет для электрооптики. Это напряжение связано с электрооптическим коэффициентом r. Согласно выражению (10.20)

n = n(E) – n(0) = n3rE / 2. Оптическая разность хода лучей при наличии

Если вектор напряженности поля E ориентирован вдоль направления распространения света, то El = U (где U – приложенное напряжение). Приравнивая к /2, получим:

Значение U зависит от длины волны и обычно составляет единицы и десятки киловольт (рис. 10.12). Для снижения управляющего напряжения поле прикладывают перпендикулярно направлению распространения света, увеличивая длину и уменьшая поперечные размеры электрооптического элемента. Квадратичный электрооптический эффект, ярко

146

выраженный в кубических параэлектриках типа КТН (см. раздел 10.2), может быть превращен в линейный подачей постоянного смещающего поля E (см. рис. 10.11). Для меньшего переменного управляющего поля

откуда индуцированный постоянным полем линейный электрооптический коэффициент

Рис. 10.13. Полуволновое напряжение электрооптических кристаллов в видимой области спектра

147

10.7. Электреты

Электретом называют твердый диэлектрик, длительно создающий

вокружающем пространстве электростатическое поле в отсутствии внешних источников за счет предварительной электризации или поляризации.

Электреты являются электрическими аналогами постоянных магнитов. Поле электрета индуцируется зарядами предварительно созданной остаточной поляризации или электризации.

Впироэлектриках и поляризованных сегнетоэлектриках также имеется остаточная поляризация, однако ее заряды обычно компенсированы натекающими свободными зарядами, в результате чего внешнее поле равно нулю. В электретах остаточная поляризация компенсирована не полностью или перекомпенсирована свободными зарядами, а напряженность внешнего поля не равна нулю и может быть очень высокой – до пробивной напряженности окружающей среды.

Янтарь, натертый о сукно, притягивает легкие предметы. Это явление было описано древнегреческим философом Фалесом Милетским еще

вVI в. до н. э. Понятие о диэлектриках, сохраняющих остаточную поля-

ризацию подобно намагниченности постоянных магнитов, введено М. Фарадеем в 1838 г., а само слово “электрет” – О. Хевисайдом в 1896 г. Первые электреты при приложении электрического поля получены японским физиком М. Егути в 1919 г. В 1957 г. советскими физиками А.Н. Губкиным и Г.И. Сканави обнаружен электретный эффект в керамических материалах – CaTiO3, MgTiO3, SrTiO3 и др. Но массовое применение электретов началось после открытия и исследования в 60-х годах электретного эффекта в полимерах, таких как полотетрафторэтилен, полиэтилентерефталат, поликарбонат и др. Электреты классифицируются, прежде всего, по способу формирования зарядов.

Термоэлектреты получают при воздействии на нагретый диэлектрик электрического поля с последующим охлаждением в этом поле. Нагрев обычно производят до температуры плавления или размягчения для восков и смол, или до температуры стеклования для полимеров, когда, с одной стороны, резко облегчается ориентации полярных молекул под действием поля, а с другой – растет электрическая проводимость, что способствует ускорению процесса поляризации и накоплению объемных зарядов (ток абсорбции). После охлаждения диэлектрика в электрическом поле подвижность полярных молекул или свободных зарядов резко уменьшается, и диэлектрик может длительно сохранять сформированную остаточную поляризации и заряды.

Фотоэлектреты получают воздействием света на диэлектрик, помещенный в электрическое поле. Под действием света в диэлектрике возникает фотопроводимость. Освобождаемые светом носители зарядов

148

смещаются внешним электрическим полем и некоторые из них застревают на ловушках. После выключения света носители разноименных зарядов оказываются замороженными у противоположных сторон диэлектрика, который становится электретом (рис. 10.14 б). Таким образом, если в термоэлектретах перераспределение зарядов стимулируется повышенной температурой, то в фотоэлектретах – освещением.

Радиоэлектреты получают воздействием на диэлектрик радиоактивного излучения (ускоренных заряженных частиц). При излучении ускоренные заряженные частицы (электроны, ионы) либо выбивают электроны из поверхностного слоя, либо, наоборот, внедряются в поверхностный слой диэлектрика и создают в нем дополнительные дефекты; поверхность диэлектрика оказывается заряженной (рис. 10.14 г).

Электроэлектреты получают путем воздействия на диэлектрик только электрического поля, без нагрева или облучения, но физический процесс электризации фактически сводится к рассмотренным. В зазоре между электродом и диэлектриком в сильном поле образуется газовый разряд; ионы газа, ускоренные полем, бомбардируют поверхность диэлектрика, создавая дефекты и стабильные заряды в поверхностном слое (рис. 10.14 в). Процесс получения электроэлектрета протекает лучше при пониженном давлении газа (1–10 Па) в коронном разряде. Такие электреты иногда называют короноэлектретами.

Трибоэлектреты получают контактной электризацией, трением двух диэлектриков. При тесном соприкосновении двух различных тел часть зарядов (электронов) одного из них, с меньшей работой выхода, переходит на другой. Трение также нарушает нейтрализацию поверхностного заряда диэлектрика ионами воздуха. В результате при разделении контактирующих материалов их поверхности оказываются заряженными (рис. 10.14 д). Стабильные трибоэлектреты получают, например, при натирании сухим мехом политетрафторэтилена.

Электреты можно получить также за счет механического напряжения или деформации диэлектрика (механоэлектреты) и других воздействий. Как видно из рис. 10.14, кроме электретов с разноименными зарядами на противоположных сторонах, существуют электреты, имеющие во всем объеме заряд одного знака. Их называют моноэлектретами. В случае магнетизма монопольные магниты невозможны. Поэтому аналогами постоянных магнитов являются только дипольные (биполярные) электреты. Моноэлектреты нестабильны из-за быстрой компенсации заряда зарядами окружающей среды и со временем обычно переходят в биполярные электреты, так как на противоположной стороне диэлектрика оседают компенсирующие заряды другого знака.

Знак заряда электрета может совпадать со знаком формирующего напряжения на прилегающем электроде, а может быть противоположен ему. Заряд первого типа называют гомозарядом, а второго – гетероза-

149

рядом. Гомозаряды образуются инжекцией заряженных частиц в диэлектрик извне, как это происходит в электроили радиоэлектретах. Гетерозаряд формируется за счет смещения к противоположным сторонам собственных зарядов диэлектрика – связанных или свободных. Это происходит в случае наличия у диэлектрика дипольной или миграционной поляризации (термоэлектреты), а также накопления носителей заряда на ловушках в приэлектродных слоях диэлектрика – так называемой приэлектродной поляризации (некоторые электро- и фотоэлектреты). Гетерозаряд может быть получен и путем облучения диэлектрика заряженными частицами большой энергии (>10 кВ), проходящими через всю толщину диэлектрика и застревающими у его противоположной стороны (на передней стороне со временем оседают компенсирующие заряды другого знака).

С течением времени заряд электрета изменяется (рис. 10.15). Это связано с разрушением остаточной поляризации, освобождением носителей заряда, захваченных ловушками, нейтрализацией объемных зарядов за счет электропроводности диэлектрика. Стабильная составляющая заряда электрета связана с носителями, закрепленными на более глубоких ловушках, и наблюдается в материалах с очень высоким удельным сопротивлением, где постоянная времени разряда = o , где – удельное сопротивление многие годы.

Рис. 10.14. Виды электретов

Рис. 10.15. Зависимость поверхностной плотности заряда от времени для электретов с инжектированными зарядами (1)

и с остаточной поляризацией (2, 3)

150