Физико-химические и электрофизические процессыв электролюминесцентных излучателях на основесоединений А2В6 и их моделирование тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

Качалов Олег Викторович

Физико-химические и электрофизические процессы в электролюминесцентных излучателях на основе соединений Л266 и их моделирование

Специальность 02.00.04. - «Физическая химия»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ставрополь - 1998

Работа выполнена на кафедре материалов и компонентов твердотельной тропики Ставропольского государственного технического университета.

Научный руководитель:

Кандидат физико-математических наук,

доцент Каргин Николай Иванович

Официальные оппоненты:

Лауреат Государственной премии СССР, доктор физико-математических наук,

главный научный сотрудник ФИАН Тимофеев Юрий Петрович

Кандидат технических наук,

доцент Кривошеев Николай Валентинов

Ведущая организация:

Ульяновский государственный технический университет

Защита состоится 18 декабря 1998 г. в 14 часов на заседании flHccepTauHOh совета Д 064.11.01 по специальности «Физическая химия» Ставропольског сударственного технического университета, 355029, г. Ставрополь, пр. Ку. ва, 2, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ставропольского roc; ственного технического университета.

Автореферат разослан 17 ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат химических наук, доцент Седлярова В.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Благодаря развитию физической химии, физики полупроводников, появлению новых технологий нанесения электролюминесцентных и диэлектрических тонких пленок, большое внимание уделяется разработке и созданию электролюминесцентных источников излучения. Актуальными задачами в данной области являются снижение возбуждающего напряжения и увеличение яркости электролюми'несцентных изделий с одновременным увеличением срока службы и улучшением стабильности работы устройств. Для решения этих задач разработан ряд эквивалентных схем и математических моделей, взаимосвязывающих отдельные параметры работы электролюминесцентных излучателей (ЭЛИ) и условия возбуждения. Однако отсутствуют схемы и модели, позволяющие в полной мере учитывать весь спектр экспериментальных данных, касающихся работы реальных устройств, их асимметрию, проводить комплексное исследование влияния физико-химических свойств и процессов, протекающих в отдельных слоях, на рабочие характеристики излучателя.

Данная работа посвящена исследованию физико-химических и электрофизических процессов в ЭЛИ на основе'широкозонных полупроводниковых соединений А2В6, их моделированию и установлению связей между режимами возбуждения, составом излучателей и их рабочими характеристиками.

Цель работы. Цель работы состояла в:

- экспериментальном и теоретическом изучении физико-химических и электрофизических процессов в ЭЛИ;

- разработке эквивалентных схем тонкопленочных электролюминесцентных структур (ТПЭЛС) постоянного и переменного тока;

- создании математических моделей работы ТПЭЛС путем последовательного физическо-химического и математического описания процессов, протекающих в ЭЛ-устройствах, и проведении комплексного изучения влияния

конструкции структуры, физико-химических свойств входящих в ее состав слоев, режимов возбуждения электролюминесценции на стабильность работы излучателя, пороговое напряжение и другие эксплуатационные характеристики устройства.

Для решения этой проблемы потребовалось:

1. Исследовать физико-химические процессы, протекающие при получении и работе ЭЛИ, и установить основные критерии создания стабильных электролюминесцентных устройств, удовлетворяющих требованиям к средствам отображения информации.

2. Изучить механизм токопрохождения в электролюминофорах постоянного тока на основе широкозонных полупроводниковых соединений с учетом технологии получения и принципов создания излучателей на их основе.

3. Теоретически и экспериментально исследовать вольт-амперные, вольт-яркостные, температурные, спектральные характеристики ЭЛИ постоянного и переменного тока.

4. Разработать эквивалентные схемы ТПЭЛС переменного и постоянного тока, в полной мере отражающие рабочие параметры реальных устройств, и исследовать на их основе методами математического моделирования физико-химические и электрофизические процессы в отдельных слоях.

5. Подтвердить достоверность разработанных схем и моделей путем сравнения экспериментальных электрофизических характеристик ТПЭЛС и расчетных данных.

Научная новизна. Проведен комплексный анализ физико-химических и электрофизических процессов, протекающих в ЭЛИ на основе соединений А2В6. Созданы эквивалентные схемы ТПЭЛС постоянного и переменного тока, разработаны физические и математические модели работы ТПЭЛС. При этом получены следующие новые научные результаты, которые могут быть использованы для разработки, создания и применения электролюминесцентных устройств:

Экспериментально исследованы физико-химические особенности образования гетероперехода в порошковых электролюминофорах, возбуждаемых постоянным полем (ЭЛПП), изучено влияние концентрации второй фазы на крутизну вольт-яркостной характеристики, коэффициент умножения носителей заряда; определены процессы токопрохождения в ЭЛИ постоянного тока; разработаны эквивалентные схемы ТПЭЛС постоянного и переменного тока, которые, в отличие от существующих, в полной мере отражают процессы, возникающие при работе реального устройства; созданы математические модели, взаимосвязывающие рабочие характеристики ТПЭЛС (яркость, ток, напряжение на отдельных слоях, напряжение пробоя структуры) с параметрами возбуждающего напряжения и свойствами составляющих слоев; проанализировано влияние физико-химических свойств и состава слоев ТПЭЛС переменного тока, а также условий возбуждения электролюминесценции на рабочие характеристики ЭЛИ.

Для обоснования достоверности разработанных моделей проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных. Показано их совпадение для различных по составу электролюминесцентных устройств.

Положения, выносимые на защиту:

1. Исследованы физико-химические особенности формирования гетероперехода в ЭЛПП в зависимости от количества осаждаемой ионно-обменным методом второй фазы Си^Б.

2. Проведено комплексное исследование влияния физико-химического состава и электрофизических свойств отдельных слоев ТПЭЛС на рабочие параметры устройства.

3. Определено, что в ЭЛПП зависимость тока от напряжения определяется генерацией свободных носителей путем туннелирования электронов, стимулированного фононами.

4. Разработаны эквивалентные схемы ТПЭЛС постоянного и переменного тока, отражающие реальные процессы в ЭЛИ.

5. Разработаны математические модели, пригодные для исследования влияния режимов возбуждения, физико-химических свойств и состава отдельных слоев на рабочие характеристики ЭЛИ.

Практическая значимость работы заключается в разработке теоретической и практической основы для получения электролюминесцентных устройств с улучшенными характеристиками:

Произведена оптимизация процесса нанесения второй фазы на ЭЛПП ионно-обменным методом; показано, что в рабочем интервале напряжений ТПЭЛС постоянного тока на основе соединений АгВб преобладающим механизмом токопрохождения является туннелирование носителей заряда, стимулированное фононами; разработана эквивалентная схема ТПЭЛС постоянного тока и методика, позволяющая определять наилучшие эксплуатационные условия таких структур; созданы эквивалентная схема и математическая модель ТПЭЛС переменного тока, с использованием которых проведено комплексное исследование влияния физико-химического состава отдельных слоев на рабочие характеристики устройства; разработан ряд рекомендаций по использованию ТПЭЛС переменного тока вида АЬОэ-У^Оз^пБМп-УгОз-А^Оэ при создании промышленных источников излучения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной конференции World Ceramics Congress & Forum on New Materials (Флоренция, Италия 1998), Третьей региональной конференции по микроэлектронике (Нижний Новгород, 1996), XXXIII международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 1995), Межвузовской научной конференции «Лейбниц - мыслитель, философ, человек» (Ставрополь, 1996), Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные материалы и технологии для средств отображения информации» (Кисловодск, 1996), XXV научно-технической конференции по результатам научно-исследовательской работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов за

1994 г. (Ставрополь, 1995), Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления» (Таганрог, 1997), Второй Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Электроника и информатика - 97» (Москва, 1997), Всероссийском симпозиуме «Математическое моделирование и компьютерные технологии» (Кисловодск, 1997).

Публикации. Автором опубликовано 14 печатных работ, из них 10 по теме диссертации.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 132 страницы машинописного текста, 50 рисунков, 9 таблиц, библиографию из 116 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертационной работы обосновывается актуальность темы, определяются цели и задачи, приведено краткое содержание по главам, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту, показана практическая значимость работы.

В первой главе дан обзор современного состояния в области исследования физико-химических и электрофизических свойств электролюминесцентных излучателей. Рассмотрены существующие эквивалентные схемы и математические модели ТПЭЛС, показаны их недостатки.

Во второй главе описана методика получения ЭЛИ постоянного и переменного тока и измерения их основных электрофизических параметров, приведены схемы экспериментальных установок.

Для рассмотрения физико-химических особенностей формирования гетероперехода 2п8-Сих5 на электролюминофор ЭЛС-580 (7п8:Мп) была нанесена вторая фаза ионно-обменным методом. Нанесение фазы Си^Б на шихту люми-

нофора осуществляют из раствора сернокислой меди. Для приготовления 1 М раствора сернокислой меди, навеску в 249,68г Си80.|'5Н2С) помещают в стеклянный стакан емкостью 0,5л и растворяют в дистиллированной воде (объем 300 мл) нагретой до 80°С. Раствор выливают в мерную колбу емкостью 1л, перемешивают, охлаждают до комнатной температуры, затем доводят дистиллированной водой объем до метки. Непосредственно перед нанесением из полученного 1М раствора готовят путем разбавления дистиллированной водой раствор СиБС^ необходимой концентрации. Полученный раствор приливают к предварительно смоченному этиловым спиртом порошку электролюминофора и перемешивают в течение 7 мин, время отсчитывается по секундомеру. На заключительном этапе производится фильтрация и сушка ЭЛПП.

В процессе нанесения второй фазы на поверхности протекают реакции

типа:

2п8+хСи804=х2п804+Сих84+( 1 -х^пБ, где 1 < х < 2.

Эти реакции приводят к появлению поверхностного твердого раствора ZnS:CuxS и в дальнейшем - к появлению слоя Сих8. Такой процесс протекает по всей поверхности сульфида цинка до образования мономолекулярного слоя, так как в тех местах, где образовались «пятна» монослоя, скорость осаждения Сих8 резко замедляется вследствие перехода механизма процесса из кинетического в диффузионную область. Но если первая стадия процесса идет равновероятно по всей поверхности, то вторая, начинающаяся после образования твердого поверхностного раствора и монослоя Сих8 имеет различную скорость на разных участках поверхности.

При исследовании тонкопленочных электролюминесцентных излучателей использовались ТПЭЛС постоянного тока вида гп8:Мп-Сих8 и ТПЭЛС переменного тока на основе люминесцентных слоев 2п8:Мп и 2п8:8ш. В качестве диэлектрических слоев для ТПЭЛС переменного тока использовались комбинированные слои У2Оз-А12Оз, Та205-А1203, Т12УЬ207-А120з, А1203-8Ю2.

ТПЭЛС изготавливались методами термовакуумного и электронно-лучевого напыления.

Вольт-яркостную (ВЯХ) и вольт-амперную (ВАХ) характеристики ЭЛПП измеряли при помощи разборного электролюминесцентного конденсатора (ЭЛК), состоящего из двух плоскопараллельных электродов. Отрицательный электрод изготовлен из бронзы и запрессован в изолирующий корпус ЭЛК. Положительным электродом является стекло с токопроводящим покрытием из 5п02. Оно фиксируется в ЭЛК при помощи навинчивающейся крышки с диафрагмирующим отверстием, через которое наблюдалось излучение.

Установка для изучения электрофизических и оптических свойств ЭЛИ постоянного тока приведена на рис.1.

Рис. 1. Блок-схема установки для изучения электрофизических и оптических свойств электролюминесцентных излучателей.

Для возбуждения электролюминесценции использовался универсальный источник питания УИП-2. Яркость электролюминесценции регистрировали селеновым фотоэлементом с корригирующим фильтром ФЭС-10 совместно с микроамперметром М95. Система ФЭС-10 - М95 отградуирована в единицах яркости кд/м2. Измерение яркости проводили только при подъеме напряжения не более 5 секунд при каждом напряжении, чтобы исключить влияние старения

1 - УИП-2

2 - Мультиметр С1-107

3 - Вольтметр ВУ-15

4 - Фотоэлемент ФЭС-10

5 - Микроамперметр М95 с шунтом Р-4

5

6-ЭЛК

ЭЛПП. Измерения повторяли не менее трех раз, полученные данные обрабатывали графически или методом наименьших квадратов. ВАХ измеряли одновременно с ВЯХ, для чего в цепь возбуждения люминофора включен мультиметр С1-107. При исследовании ТПЭЛС постоянного тока вместо ЭЛК использовалось готовое изделие.

При измерении ВАХ и ВЯХ ТПЭЛС переменного тока применялась аналогичная схема. Для возбуждения люминесценции использовался генератор синусоидальных сигналов ГЗ-ЗЗ. Переменное напряжение измерялось вольтметром B3-38A. Для контроля формы возбуждающего напряжения и получения осциллограмм тока, протекающего через структуру, служил двухканальный осциллограф С1-93.

Спектральные характеристики ТПЭЛС были получены с использованием автоматизированного измерительного комплекса на базе монохроматора МДР-23У. В целях регистрации и обработки сигнала разработано оригинальное программное обеспечение, реализованное на языках Turbo С++ и Turbo Pascal с использованием методов объектно-ориентированного программирования. К достоинствам программы следует отнести то, что она позволяет отображать полученный результат как в табличной, так и в графической формах, а также проводит сглаживание результатов измерений математическими методами. Быстродействие ЭВМ позволяет регистрировать сигнал с частотой до 1МГц, что дает возможность получать гладкий и точный вид спектральной характеристики в виде, пригодном для дальнейшей компьютерной обработки. Благодаря проведенной работе по автоматизации процесса снятия спектральных характеристик стало возможным исследование спектров излучения электролюминесценции в объеме, необходимом для комплексного изучения влияния режимов возбуждения ТПЭЛС на физико-химические и электрофизические процессы, происходящие в ЭЛИ.

Для расчета рабочих характеристик эквивалентных схем ТПЭЛС, получения осциллограмм тока и напряжения использовалась компьютерная про-

грамма MicroSim Schematics (версия 5.4). Для численной обработки экспериментальных данных были использованы пакет программ Statictica (версия 5.0) и оригинально разработанное программное обеспечение. Результаты данных разработок были опубликованы в работах [7-10].

Третья глава посвящена исследованию физико-химических и электрофизических процессов в электролюминесцентных излучателях, разработке эквивалентных схем ТПЭЛС постоянного и переменного тока и созданию на их основе математических моделей для изучения влияния состава и структуры электролюминесцентного изделия на его рабочие характеристики.

Для изучения физико-химических особенностей образования гетероперехода в ЭЛПП вида ZnS:Mn-CuxS был получен ряд образцов с разным количеством второй фазы. Осаждение второй фазы проводили ионно-обменным методом из раствора CUSO4 разной концентрации, которая варьировалась в пределах от 0,05 до 1,5М. Для определения связи электрофизических характеристик ЭЛПП с концентрацией второй фазы измеряли В АХ и ВЯХ предварительно отформованных образцов. Полученные данные приведены на рис.2,3.

< Е

45

30

15

О

и, В

30

о

Рис. 2. Зависимость тока от напряжения возбуждения ЭЛПП и концентрации второй фазы.

Как следует из рис. 2 с повышением содержания фазы СихБ в ЭЛПП происходит увеличение тока, протекающего через образец, что связано с увеличением омической составляющей, т.е. тока через фазу Сих5. На рис.3, видно, что увеличение концентрации второй фазы приводит вначале к увеличению яркости электролюминесценции, однако, при превышении концентрацией некоторого значения, происходит резкий спад яркости и уменьшение энергетической эффективности электролюминесценции.

Рис. 2. Зависимость яркости электролюминесценции от напряжения возбуждения ЭЛПП и концентрации второй фазы.

Изучение электронно-микрографических снимков ЭЛПП позволило сделать вывод, что спад яркости связан с появлением морфологически отличимой фазы CuxS, а следовательно возрастанию шунтирующего тока через CuxS и уменьшению тока через гетеропереход ZnS-CuxS. Расчет крутизны вольт-яркостной характеристики показал аналогичные результаты. С помощью численных методов получены аналитические выражения, взаимосвязывающие величину тока и концентрацию раствора CuS04, использовавшегося при нанесении второй фазы, что позволяет оптимизировать процесс получения ЭЛПП.

Для изучения механизма токопрохождения и свойств барьера ZnS-CuxS представляется необходимым изучение изменения свойств инжектора первичных электронов. В этих целях был рассчитан коэффициент умножения носителей заряда М. Показано, что с возрастанием концентрации Cu%S величина М уменьшается, что может быть связано с увеличением ширины барьера. Наибольшим энергетическим выходом, яркостью электролюминесценции обладали

образцы, вторая фаза которых была нанесена по стандартной методике из 0,5М раствора Си504. Сделан вывод, что при синтезе порошковых электролюминофоров постоянного тока важным моментом является контролирование количества осажденной фазы СихБ в целях увеличения яркости, энергетического выхода и крутизны ВЯХ.

Для исследований ТПЭЛС постоянного тока был выбран образец, в котором в качестве люминесцентного слоя использовался сульфид цинка, легированный марганцем. В качестве слоя второй фазы использовался СихБ. При первоначальной подаче напряжения наблюдается процесс формовки ТПЭЛС, в результате которого на границе раздела слоев образуется гетеропереход. В связи с тем, что СихБ является вырожденным полупроводником, предлагается рассматривать образующийся барьер как барьер Шоттки. Изучение механизмов образования гетероперехода 2п5-Сих5 позволяет сделать вывод, что высота барьера лежит в пределах 1,6+2,0 эВ. При комнатной температуре носитель заряда не может преодолеть его надбарьерным путем, а следовательно наиболее вероятным механизмом прохождения носителей заряда является туннелирова-ние электронов из СихБ в зону проводимости гпБ.

Учитывая вышесказанное, был получен аналитический вид зависимости тока /', протекающего через гетеропереход, от напряжения У( 1).

1=1.

ехр

'еУ^

\кТ)

-1

(1)

где к - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, е - заряд электрона.

Для полного отражения физико-химических и электрофизических свойств ТПЭЛС постоянного тока предлагается при создании эквивалентной схемы отдельно выделить ту часть слоя 7п5, которая не затронута процессом формовки, и барьер, образовавшийся на границе раздела сульфидов цинка и меди. В этом случае эквивалентная схема (рис.4.) будет представлять собой последовательно соединенные сопротивления Я| (сопротивление слоя 2п5), У (сопротивление барьера) и параллельные им емкости С[ и С2 соответственно,

которые вводятся для учета емкостных свойств слоев. Следует отметить, что, учитывая (1), У-нелинейное сопротивление.

металлическим электрод

J

/ /

Е1 У

н н —и

с. 1т'

чн

люминесцентный слой

гетеропереход

слои второй фазы

Рис.4. Схематическое изображение разреза электролюминесцентной пленочной структуры постоянного тока и ее эквивалентная схема.

На основе разработанной эквивалентной схемы получена математическая модель (2), связывающая возбуждающее напряжение, ток, протекающий через структуру, и напряжение на отдельных слоях ТПЭЛС.

\их=]-р-а 'еи,

}=]; ехр

кТ

— 1

(2)

и = их + и2

где 11) - напряжение на балластном слое люминофора, иг - напряжение на гетеропереходе, и - возбуждающее напряжение, ] - плотность тока, р-удельное сопротивление люминесцентного слоя, (1-толщина люминесцентного слоя.

С помощью данной модели и оригинально разработанного программного обеспечения был произведен расчет плотности тока ] и напряжений 1_1|, иг ТПЭЛС постоянного тока вида 2п8:Мп-Сих5. Показано хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных.

С использованием эквивалентной схемы и математической модели разработана методика определения наилучших режимов эксплуатации ТПЭЛС. Для этого предлагается совмещать в одних осях координат экспериментальную и расчетную (2) зависимости тока от величины возбуждающего напряжения. Интервал напряжений, на котором возникает значительное расхождение расчетной (2) и экспериментальной кривой, следует считать нежелательным при эксплуатации ЭЛ-прибора, так как на этом интервале в механизме токопрохо-ждения начинают наряду с туннельным принимать участие и другие процессы (надбарьерный, пробойный), что приводит к быстрому старению структуры и нестабильности ее работы.

Используя накопленный опыт в области конструирования эквивалентных схем ТПЭЛС переменного тока и учитывая недостатки существующих схем, была создана эквивалентная схема, пригодная для моделирования как симметричных, так и несимметричных устройств, учитывающая емкостные и проводящие свойства люминесцентного слоя (рис. 5.).

Отрицательный полупериод

Люминесцентны й сппй

Положительный полупериод

Рис. 5. Эквивалентная схема ТПЭЛС переменного тока.

Емкостные свойства люминесцентного и диэлектрических слоев представлены последовательно соединенными емкостями Сл и С, соответственно. Для учета резкого возрастания проводимости слоя люминофора при превышении определенного уровня напряжения в схему были введены диоды Зенера Дз и Д4. До превышения некоторого порогового напряжения ток определяется проводимостями Олп и Оло для положительного и отрицательного полупериодов возбуждающего напряжения соответственно и поведение устройства можно описать линейной цепью. При этом ток I через структуру и напряжение на слое люминофора и, будут описываться выражениями (3) и (4).

у© сли

I = ' —, (3)

1 + -

у'со С„

в, + /со С,

и =___(4)

' сл+Мся+са)'

где со - частота возбуждающего напряжения, j - мнимая единица, и - возбуждающее напряжение.

В области пробоя диодов Зенера в проводимости принимают участие элементы С3п и С,о эквивалентной схемы. Для такого режима работы был получен набор аналитических выражений тока, протекающего через структуру и напряжения на слое люминофора, которые были численно проанализированы.

Наличие в эквивалентной схеме отдельных ветвей для положительного и отрицательного полупериодов возбуждающего напряжения дает возможность ее применения к несимметричным устройствам. Такая необходимость возникает не только при моделировании ТПЭЛС с одним диэлектриком или на керамической подложке, но и для ТПЭЛС с одинаковыми диэлектрическими слоями, т.к. нанесение нижнего слоя осуществляется на подложку с токопроводя-щим покрытием (как правило БпОг), а нанесение верхнего диэлектрика производится на электролюминесцентный слой, в связи с чем наблюдается различие кристаллического строения, дефектной ситуации, а следовательно и электрофизических свойств диэлектрических слоев.

Для подтверждения правильности разработанной эквивалентной схемы были произведены экспериментальные измерения электрофизических характеристик ТПЭЛС вида АЬОз-УгОз^пБМп-УгОз-АЬОз. Возбуждение электролюминесценции производилось синусоидальным напряжением с амплитудой 150В при частоте 1 кГц. Расчетные величины показали хорошее совпадение с экспериментальными данными (рис.6.).

I, мкА 1001

-100

0,5 мс

Рис.6. Измеренный (сплошная линия) и вычисленный (пунктир) ток через ТПЭЛС переменного тока.

Проведено сравнение экспериментальных и расчетных осциллограмм тока и напряжения в импульсном режиме возбуждения. Показано их совпадение для импульсов прямоугольной формы различной длительности и частоты.

С помощью описанной модели были проведены комплексные исследования зависимости рабочих характеристик прибора от физико-химических и электрофизических свойств диэлектрических и люминесцентных слоев. На основе полученных результатов были разработаны рекомендации по получению стабильных ТПЭЛС переменного тока, обладающих достаточной яркостью свечения и имеющих низкое напряжение возбуждения электролюминесценции. Результаты исследований, изложенных в данной главе, были опубликованы в работах [1-3,5,6].

В четвертой главе для подтверждения туннельного механизма токопро-хождения проведено исследование экспериментальных и теоретических зависимостей яркости в электролюминофорах постоянного тока от температуры.

При туниелировании, стимулированном фононами, температурная зависимость

усредненной вероятности отрыва электрона электрическим полем имеет вид:

_, , ,(йлЛ оз

\nlV(T) = const+ 2ash2[-Y)cth— (5)

2(2 д)"2

где г = -

мнимое время туннелирования, Е - напряженность элек-

трического поля, а - постоянная электронно-колебательного взаимодействия (параметр стоксовых потерь), Д - энергия связи электрона, а - частота колебательного кванта фонона, Т - абсолютная температура, ё - толщина образца.

Примем со=0,043 эВ, что соответствует энергии продольного оптического фонона решетки гпБ, ё=10~3 м. Так как яркость электролюминесценции В ~ то при и=сопБ1:

где

In В(отн.ед)

In В = const + с ■ cth\ — ,

U т)

tffl>(2A

(6)

с = 2 • a -sh

U

= const

г

Рис. 7. Зависимость яркости ЭЛИ с 2пБ:Мп в качестве люминофора от температуры, полученная экспериментально (°) и рассчитанная по формуле (7) (-).

j

С использованием численных методов получен аналитический вид зависимости (7), с хорошей точностью описывающий экспериментальные результаты (рис. 7).

1п В = 0,876698 + 1,67-10"4 • с/лГ—

\2Т

(7),

Проделанная работа позволяет сделать вывод, что при надлежащем выборе коэффициентов в уравнении (6) температурная зависимость яркости электролюминесценции может быть описана выражением, полученным в предположении туннелирования носителей заряда, стимулированного фононами, через барьер на границе раздела люминесцентного слоя и слоя второй фазы.

Изучены экспериментальные вольт-яркостные и деградационные зависимости ТПЭЛС переменного тока с разным составом люминесцентных и диэлектрических слоев. С применением автоматизированного измерительного комплекса на базе монохроматора МДР-23У получены зависимости интенсивности электролюминесценции на разных длинах волн и спектральные характеристики ТПЭЛС при разных параметрах возбуждающего напряжения. На основе полученных экспериментальных данных разработан ряд рекомендаций по технической реализации монохромных и полноцветных дисплеев с использованием ТПЭЛС. Результаты исследований, изложенных в данной главе, опубликованы в работах [2,4].

В заключение работы сформулированы ее основные результаты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В данной работе были получены следующие результаты: 1. Исследованы физико-химические процессы формирования гетероперехода в ЭЛИ постоянного тока вида 7п8:Мп-Сих5 и исследован механизм то-копрохождения в электрических полях с напряженностью 105-И07В/см. На основе анализа температурных и вольт-амперных характеристик показано, что

преобладающим механизмом преодоления электронами потенциального барьера является туннелирование, стимулированное фононамн.

2. Проведены комплексные исследования физико-химических и электрофизических процессов, протекающих при нанесении и работе диэлектрических и люминесцентных слоев. На основе полученных результатов даны рекомендации по созданию и эксплуатации ЭЛИ, характеризующихся высокой надежностью, низким рабочим напряжением, уровнем яркости электролюминесценции, достаточным для создания средств отображения информации.

3. Разработаны эквивалентные схемы ТПЭЛС постоянного и переменного тока, отражающие процессы, происходящие в реальных ЭЛ-устройствах. Эквивалентная схема ТПЭЛС переменного тока разработана с учетом асимметрии диэлектрических слоев.

4. Созданы математические модели ЭЛИ, позволяющие проводить комплексное исследование влияния физико-химического состава отдельных слоев и условий возбуждения электролюминесценции на рабочие параметры структур.

5. Экспериментально исследованы ВАХ и ВЯХ ТПЭЛС постоянного и переменного тока при разных параметрах возбуждающего напряжения и показано их хорошее совпадение с расчетами, проведенными с помощью разработанных математических моделей.

6. Изучены спектральные характеристики ЭЛИ переменного тока разного состава и в различных режимах возбуждения, разработан ряд рекомендаций по использованию таких устройств при создании промышленных источников излучения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Каргнн Н.И., Качалов О.В. Математическое моделирование электрофизических процессов, протекающих в тонкопленочных электролюминесцентных структурах на постоянном токе. //Материалы третьей региональной конференции по микроэлектронике, - Нижний Новгород, 1996, - с.70-77.

2. В.М. Sinelnikov, N.I. Kargin, V.V. Gavrilov, O.V. Kachalov. Processes of defect formation during synthesis of ZnS tablet targets, activated by rare earth halides.: Abstracts of World Ceramics Congress & Forum on New Materials. -Florence, Italy, 1998.

3. Каргин Н.И., Качалов O.B. Математическое моделирование электрофизических процессов, протекающих в тонкопленочных электролюминесцентных структурах на постоянном токе.: Тезисы докладов Межвузовской научной конференции «Лейбниц - мыслитель, философ, человек». - Ставрополь, 1996. -41с.

4. Синельников Б.М., Кривошеева Л.Н., Скибин С.Ю., Качалов О.В., Михнев Л.В. Исследование спектральных характеристик ЭЛПП на основе тройной системы халькогенидов цинка, активированных марганцем. //Сборник научных трудов Ставропольского государственного технического университета. Серия «Физико-химическая». - 1998. - Вып.1. - с. 41-43.

5. Каргин Н.И., Качалов О.В. Математическое моделирование электрофизических процессов, протекающих в тонкопленочных электролюминесцентных структурах на основе ZnS:Mn на постоянном токе.: Материалы XXXIII международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс». - Новосибирск, 1995. - с.37.

6. Каргин Н.И., Качалов О.В. Оптимизация вольт-амперной характеристики ТПЭЛС переменного тока и разработка методики определения для последней наилучших эксплуатационных условий.: Тезисы докладов Всероссин-

ской научно-технической конференции «Перспективные материалы и технологии для средств отображения информации». - Кисловодск, 1996. - 65с.

7. Игнатов, С.Ю. Скибнн, О.В. Качалов. Разработка системы автоматического регулирования и контроля работы монохроматора МДР-23У.: Тезисы докладов XXV научно-технической конференции по результатам научно-исследовательской работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов за 1994 г. Том II. - Ставрополь, 1995. - 10с.

8. Каргин Н.И., Немешаев А.Ю., Качалов О.В., Михнев Л.В. Измеритель малых токов на базе 1ВМ-совместимой ЭВМ.: Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные материалы и технологии для средств отображения информации». - Кисловодск, 1996. - 109с.

9. Немешаев А.Ю., Качалов О.В. Автоматизированный комплекс для измерения малых сигналов в области физики твердого тела. //Тезисы докладов Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления», - Таганрог, 1997, - с.219.

10. Синельников Б.М., Каргин Н.И., Качалов О.В., Володихина И.И., За-харьящева В.В., Михнев Л.В. Программная реализация статистической обработки данных, полученных методом мгновенного фиксирования э.д.с. в соединениях АгВ6. //Сборник научных трудов «Математическое моделирование и вычислительный эксперимент в естественных, гуманитарных и технических науках, Том 2, - Кисловодск, 1997, - с.32.