Материал: Исследование влияния частоты переменного электрического поля на яркость люминесценции различных люминофоров

Исследование влияния частоты переменного электрического поля на яркость люминесценции различных люминофоров

Содержание

Введение

. Физические явления в электролюминесцентных излучателях

.1 Безизлучательные процессы. Квантовый и энергетический выход люминесценции

.2 Способы возбуждения электролюминесценции

. Основные понятия люминесценции кристаллов

.1 Виды люминесценции

.2 Основные характеристики люминесцирующих веществ        

.3 Люминесцентные методы исследования электронных и дырочных ловушек в твёрдом теле

. Влияние внешних электрических полей и высоких гидростатических давлений на характеристики галофосфатных люминофоров

.1 Способы повышения величины и стабильности светового потока люминесцентных ламп

.2 Способы определения параметров люминесцентных ламп по характеристикам люминофоров

.3 Влияние коротковолнового ультрафиолетового излучения на стабильность светового потока люминесцентных ламп

.4 Влияние ртути на стабильность светового потока люминесцентных ламп

Охрана труда

.1 Воздействие негативных факторов на человека и способы его воздействия

.2 Обеспечение оптимальных параметров микроклимата на рабочих местах производственных помещений

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия развитие физики твердого тела привело к созданию новых электролюминесцентных источников света, в которых излучающими элементами являются кристаллы, находящиеся в электрическом поле. Основанные на этом явлении электролюминесцентные приборы применяются сейчас в различных областях науки и техники.

Плоские протяженные электролюминесцентные панели и миниатюрные источники света используются для светотехнических целей, фотометрии, в информационных каналах, обеспечивающих передачу информации (в том числе по волоконно-оптическим линиям связи) и ее отображение с помощью различных индикаторов и экранов. Электролюминесцентные индикаторы применяются, например, для вывода цифровых данных в ЭВМ, в электронных часах и для отображения разнообразной и быстро меняющейся информации в сложных системах управления движущимися объектами, производственными процессами и т. д.

Рассмотрены физические основы работы излучателей различного типа, их конструктивные и технологические особенности, светотехнические параметры и характеристики. Систематизированы сведения об источниках света на основе порошкообразных люминофоров, о тонкопленочных излучателях и светоизлучающих диодах. Хотя принципы действия источников света, использующих поликристаллические, пленочные и монокристаллические материалы, часто близки, различия в технологии изготовления, конструкции и характеристиках соответствующих групп приборов оказываются настолько большими, что целесообразно рассматривать их отдельно.

Люминесценция, как известно, может возбуждаться различными путями. В зависимости от способа подведения энергии к веществу различают фотолюминесценцию, возникающую при облучении вещества светом, катодолюминесценцию, появляющуюся при падении быстрых электронов на люминофор, рентгено- люминесценцию и другие виды свечения.

Электролюминесценция возникает под действием электрического поля. Энергия, необходимая для появления люминесценции, поставляется электрическим полем, которое изменяет потенциальную или кинетическую энергию электронов в твердом теле. При электролюминесценции кристаллов происходит непосредственное преобразование электрической энергии в световую энергию, причем КПД этого процесса в некоторых случаях может достигать 100% (для сравнения следует сказать, что КПД обычных ламп накаливания не превышает нескольких процентов).

Известно несколько типов процессов, приводящих к появлению люминесценции твердых тел в электрическом поле. Наиболее простым примером возбуждения может служить свечение, возникающее в р-n-переходах, включенных в прямом и обратном направлениях. В одном случае внешнее поле дает возможность электронам из n-области и дыркам из p-области сблизиться и рекомбинировать, в результате чего возникает так называемая инжекционная электролюминесценция. В другом случае неравновесные электроны и дырки (или возбужденные центры свечения) создаются сильным полем p-n-перехода, включенного в обратном направлении. Рекомбинация этих носителей приводит к излучению, которое часто называют предпробойным, так как необходимое напряжение близко к тому, при котором происходит электрический пробой перехода (резкое возрастание тока, связанное с генерацией электронно-дырочных пар вследствие лавинных или туннельных процессов).

Два основных вида электролюминесценции впервые наблюдал Лосев О. В. в 1923 г. на кристаллах карбида кремния, применявшихся в детекторных радиоприемниках. Хотя представление о p-n-переходах в то время еще отсутствовало, О. В. Лосев правильно описал наблюдавшиеся явления, связав один из видов свечения с холодным электронным разрядом в твердом теле.

Успехи в понимании различных явлений электролюминесценции были достигнуты значительно позже, после развития квантовой теории твердых тел и в результате получения и исследования р-n-переходов в различных веществах. Излучающие в видимой области спектра диоды (светодиоды) изготовить значительно труднее, чем обычные полупроводниковые диоды, применяемые в электрических схемах. Широкое использование светодиодов началось, поэтому, только в 60-х годах. Сейчас во всем мире ежегодно выпускается несколько десятков миллионов приборов, использующих электролюминесцентные излучатели, в том числе портативные калькуляторы, содержащие индикаторы на светодиодах.

Исследование электролюминесценции сульфида цинка было начато Г. Дестрио в 1936 г. Сульфид цинка в виде мелкокристаллических порошков или тонких пленок и сейчас является одним из основных материалов, которые используются при изготовлении электролюминесцентных устройств с большой площадью светящихся поверхностей.

Само явление электролюминесценции интересно тем, что находится на пересечении целого ряда разделов физики и техники, таких, как оптические и электрические свойства твердых тел, физика и химия широкозонных соединений, электроника и светотехника. С появлением электролюминесцентных излучателей связано и развитие нового направления электроники - оптоэлектроники.

В ряде случаев электролюминесцентные излучатели обладают высокой яркостью (103 кд/м2), достаточными сроком службы (104 ч) и быстродействием (1 нс). Излучатели имеют разнообразные электрические и светотехнические параметры, некоторые типы излучателей хорошо сочетаются со схемами, использующими полупроводниковые приборы. Применение излучателей вместе с фотоприемниками позволяет осуществить усиление и преобразование световых сигналов, а также электрическую изоляцию различных блоков устройств. Общая тенденция перехода от вакуумных и газоразрядных приборов к твердотельным не миновала, таким образом, и область источников света.

Актуальность проблемы заключается в том, что люминесцентные лампы обладают рядом существенных недостатков:

a)   Вольтамперная характеристика люминесцентных ламп на рабочем участке, соответствующем дуговому разряду, - падающая. Иначе говоря, проводимость лампы имеет тенденцию к постоянному росту. Если не принять мер по ограничению тока, лампа разрушится. Поэтому необходимо включать последовательно с лампой сопротивление, падение напряжения на котором позволяет стабилизировать ток лампы. Такое сопротивление называется балластным. Балластное сопротивление может быть любым. Однако использование активного балласта приведёт к большим потерям мощности и энергии. Ёмкость, включённая последовательно с лампой, вследствие постоянного перезаряда исказит характер тока через лампу и при частоте 50 Гц вызовет снижение светового потока. Как правило, в схемах зажигания РЛ используется индуктивный балласт - дроссель.

b)      Необходимость повышения коэффициента мощности, который при применении индуктивного балласта снижается до 0,3…0,6. Для этого используется либо местная (отдельной лампы), либо групповая компенсация cos φ путём установки конденсаторов.)         Напряжение зажигания люминесцентной лампы больше напряжения сети, что требует создания схем, обеспечивающих условия зажигания.)  Пульсация светового потока лампы требует применения схем, сдвигающих по фазе ток в соседних лампах или увеличивающих частоту питающего напряжения.

Поэтому, исходя из вышеизложенного, необходимо проанализировать изменение пульсации светового потока на увеличение частоты питающей сети, а также обратную зависимость, то есть изменение частоты переменного электрического поля на яркость люминесценции различных люминофоров.

Цель исследования: проанализировать зависимость частоты переменного электрического поля на яркость люминесценции различных люминофоров.

Задачи исследования: определить способность люминофоров изменять уровень яркости свечения в зависимости от частоты питающей сети.

Объект исследования: люминофоры ЛГ-34, ЛГ-1, ЛГ-1К.

Предмет исследования: изменение яркости свечения люминофоров ЛГ-34, ЛГ-1, ЛГ-1К в зависимости от частоты питающей сети.

Методы исследования: анализ различных конструкций, исследование преимуществ и недостатков различных систем синтеза кристаллофосфоров, исследование стабильности светового потока люминесцентных ламп.

1. Физические явления в электролюминесцентных излучателях

Большинство электролюминесцирующих веществ относится к классу так называемых кристаллофосфоров, в которых процессы возбуждения и свечения могут затрагивать не только отдельные центры свечения (атомы примеси или другие точечные дефекты и их комплексы), но и кристалл в целом [14, 15]. В самом общем виде процессы изменения энергии электронов в кристалле удобно рассматривать с помощью схемы энергетических состояний электронов.

На рисунке 1.1 приведена часть энергетической схемы кристалла, являющегося диэлектриком или полупроводником.

Рисунок 1.1 Схема основных электронных переходов: ЗП - зона проводимости; ВЗ - валентная зона

Верхняя зона возможных энергий электронов является самой нижней из серии зон, которые при обычных температурах практически не заполнены электронами (зона проводимости), нижняя - ближайшая из заполненных электронами зон энергии (валентная зона). Переход, отмеченный стрелкой 1, соответствует поглощению энергии. При этом в зоне проводимости появляется электрон, а в валентной зоне - пустой уровень (дырка). Переход 2 описывает ионизацию примеси, имеющей локальный уровень в запрещенной зоне. Обратные переходы (рекомбинация электрона и дырки) сопровождаются выделением энергии в виде света и тепла. Подобные переходы (4-9) также могут происходить через уровни примеси или непосредственно из зоны в зону.

Многие люминофоры являются компенсированными полупроводниками, т. е. содержат почти в равных количествах как донорные, так и акцепторные примеси. Часть электронов, поставляемых донорами (D), располагается в этом случае на уровнях акцепторов (A). Поскольку доноры и акцепторы оказываются теперь заряженными, они могут объединяться во время приготовления люминофора в донорно-акцепторные пары, и переходы, сопровождающиеся излучением, могут происходить внутри таких пар. Эффективной рекомбинации через донорно-акцепторные пары способствует то, что электроны из зоны проводимости с большей вероятностью захватываются положительно заряженными донорами, а дырки из валентной зоны - отрицательно заряженными акцепторами (переходы 7-9 на рисунке 1.1). В некоторых случаях как основной, так и возбужденный уровень примесного центра попадают в запрещенную зону, и процессы поглощения энергии и излучения могут происходить в пределах этого центра (внутрицентровая люминесценция - переход 12 на рис. 1.1).

Помимо излучательных рекомбинаций, происходящих с участием донорно-акцепторных пар и одиночных примесных уровней, значительной вероятностью могут обладать рекомбинации через экситонные состояния (13 на рисунке 1.1). Подобные состояния образуются в запрещенной зоне и принадлежат водородоподобной системе слабосвязанных электронов и дырок. Экситоны могут, как возбуждаться непосредственно, так и возникать из свободных электронов и дырок. Свободные или связанные с различными центрами экситоны играют особенно существенную роль в излучении кристаллов при низких температурах и высоких плотностях возбуждения.

Рисунок 1.2 Прямые (а, b) и непрямые (с, d) переходы электронов, соответствующие переходам 6 и 15 на рис. 1.1: E - энергия; К-квазиимпульс (волновой вектор) электрона; I, II - зоны проводимости для прямозонного (I) и непрямозонного (II) материалов; III - валентная зона

В ряде случаев необходимо знать не только изменение энергии электронов Е (как на рис. 1.1), но и изменение их квазиимпульса К. На рис. 1.2 изображена зависимость Е (К) для электронов в зоне проводимости (1, 2) и дырок в валентной зоне (3). Сплошные линии (1, 3) соответствуют «прямозонному» материалу, у которого основной минимум в зоне проводимости располагается при том же значении К, что и максимум в валентной зоне. Штриховая линия II относится к «непрямозонному» материалу.

Межзонные переходы а, b, с соответствуют переходам типа 6 на рисунке 1.1 (переход а отвечает рекомбинации быстрых электрона и дырки). Прямые переходы а и b происходят без изменения импульса электрона и сопровождаются излучением квантов света (импульс фотона столь мал, что соответствующим изменением импульса электрона можно пренебречь).

Непрямые излучательные переходы с происходят с изменением импульса, и закон сохранения импульса требует участия в процессе еще одной частицы (фонона). Внутризонный переход d является непрямым, соответствует переходу 15 на рис. 1.1 и также может сопровождаться излучением. Такого Же типа переходы возможны и в валентной зоне. Примером материала с прямыми зонами может служить арсенид галлия (ширина запрещенной зоны Д.Е|ж1,4 эВ), а материала с непрямыми зонами фосфид галлия (A£'i«2,8 эВ, Д£,2^2,3 эВ). Скорость межзонной рекомбинации (число рекомбинаций в единице объема за единицу времени) прямо пропорциональна произведению концентрации электронов («) и дырок (р) и у непрямозонных материалов на несколько порядков ниже, чем у прямозонных (при тех же л и р).

У непрямозонных полупроводников эффективная излучательная рекомбинация может наблюдаться только с участием примесных центров («центров свечения»), которые воспринимают разницу импульсов электрона до и после перехода. Рекомбинация на уровнях примесей (переходы типа 4 на рис. 1.1) широко используется и в прямозонных материалах, например, в сульфиде цинка (АЕ = 3,7 эВ). Варьирование примесей позволяет получить излучение в видимой области спектра с различной энергией квантов, например рекомбинация на уровнях примесной меди в ZnS сопровождается излучением зеленого света (hυ = 2,5 эВ).

Типичный процесс рекомбинации с участием примеси происходит следующим образом. После межзонного возбуждения (переход 1 на рис. 1.1) дырка заполняется электроном, находившимся на уровне центра свечения (переход 5), далее на свободный уровень примеси падает электрон из зоны проводимости (переход 4). Для того чтобы процесс рекомбинации был термически устойчивым, уровни центров свечения должны быть достаточно удалены от краев обеих зон (т. е. переходы типа 2 и 3 под действием тепла должны быть маловероятны). Напротив, могут существовать мелкие уровни (ловушки Л на рис. 1.1), которые обмениваются носителями преимущественно с ближайшей зоной (переходы 10 на рис, 1.1: переход 11 имеет малую вероятность). Подобные уровни могут служить источником электронов при люминесценции, возбуждаемой сильным полем.