Безизлучательные процессы. 
Квантовый и энергетический выход люминесценции

В большинстве случаев в люминофорах существует несколько каналов рекомбинации через различные локальные уровни. При этом некоторые переходы могут происходить без излучения (рекомбинация через так называемые центры тушения). Если даже переходы с излучением света при низкой температуре преобладают, то при повышении температуры роль безизлучательных переходов обычно сильно возрастает. В наиболее простом случае причиной подобного температурного тушения люминесценции может быть заброс электронов из валентной зоны на уровни центров свечения (переход 3 на рисунке 1.1), приводящий к уменьшению числа рекомбинаций на этих центрах и, следовательно, к увеличению потока рекомбинаций через центры тушения (внешнее тушение). Помимо этого, с повышением температуры возможно увеличение вероятности безизлучательных переходов внутри самого центра свечения (внутреннее тушение). В этом случае электрон может переходить с возбужденного уровня на основной без излучения кванта света.

На рис. 1.3 изображена схема расположенных в запрещенной зоне кристалла уровней иона примеси при различных значениях конфигурационной координаты г, которая отражает расстояние данного иона от окружающих его ионов решетки. Изменение r вследствие тепловых колебаний влияет на положение энергетических уровней иона — центра свечения.

Рисунок 1.3. Энергия основного (I) и возбужденного (2) состояний иона примеси в зависимости от координаты r (Ет — энергия активации тушения люминесценции).

После перехода АВ на возбужденный уровень электрон может вернуться на основной не только путем перехода CD, сопровождающегося излучением фотона, но и путем перехода через точку F с последующим спуском FA, при котором происходит уменьшение энергии электрона из-за создания множества фотонов (квантов колебательной энергии кристаллической решетки).

Таким образом, энергия, полученная ионом при высокой температуре, может полностью превратиться в тепло.

Как при внешнем, так и при внутреннем тушении температурная зависимость яркости фотолюминесценции обычно хорошо описывается формулой:

(1.1).

В формуле L — яркость при данной температуре T (L0 — яркость при Т = 0); с — постоянная величина при данной интенсивности возбуждения, а Ет — энергия активации тушения, имеющая различный смысл в двух схемах тушения. При тушении вследствие переходов 3 на рис. 1.1 Ет соответствует энергетическому расстоянию уровней центров свечения от верхней границы валентной зоны.

При внутрицентровом тушении величина Ет имеет смысл энергетического расстояния от минимума энергии возбужденного состояния центра свечения до энергии, при которой электрон из возбужденного состояния может перейти в основное без изменения энергии (точка F на рис. 1.3). Примеси, обладающие малой энергией Ет, могут действовать и как центры внешнего тушения, которым передается энергия возбужденных центров свечения. По мере роста числа центров свечения вероятность подобных процессов будет увеличиваться (концентрационное тушение люминесценции).

Еще одной возможностью уменьшения энергии электронов без излучения является последовательный переход по ступенькам близких энергетических состояний, расположенных, например, на поверхности кристалла в запрещенной зоне. Наконец, если при переходах 4 и 6 (рис. 1.1) энергия одного электрона передается другому в зоне проводимости, то последний попадает в верхние слои этой зоны (переход 14) и далее опускается на ее дно, причем его энергия также переходит преимущественно в энергию тепловых колебаний. Вероятность подобных же процессов будет возрастать вместе с увеличением концентрации свободных носителей. Такие же процессы возможны и в валентной зоне (переход 16).

Важной характеристикой, отражающей процесс превращения поглощенной в кристалле энергии в излучение, является квантовый выход люминесценции r|k — число фотонов, приходящихся на каждый поглощенный квант света (при фотолюминесценции) или на каждый электрон, прошедший через кристалл (при электролюминесценции). Квантовый выход свечения можно представить, как произведение квантового выхода процесса возбуждения (числа неравновесных пар электрон—дырка N или возбужденных центров свечения N, появляющихся при прохождении одного носителя заряда через кристалл) и квантового выхода процесса излучения (числа испущенных квантов света, приходящихся на одну электронно-дырочную пару или возбужденный центр свечения).

При электролюминесценции N либо равно 1 (инжекционная электролюминесценция), либо меньше 1 (предпробойная люминесценция, возбуждаемая ускоренными электронами). Особенность электролюминесценции состоит в том, что люминофор является частью электрической цепи, и созданные полем электроны и дырки могут выходить из люминофора или его люминесцирующей части в металлический электрод или другой неизлучающий материал. Следовательно, при оценке выхода люминесценции необходимо учесть, что только доля у общего числа рекомбинаций происходит в пределах излучающей части системы (где, в свою очередь, доля излучательных рекомбинаций равна Р), и квантовый выход люминесценции. Величина у может изменяться от 1 до очень малого значения. Если, например, ионизация идет у самой поверхности кристалла, обращенной к металлическому катоду, то у может составлять всего 10~5, так как большинство дырок уносится полем в металл и не участвует в излучении видимого света. Величина Р зависит от концентрации центров свечения и тушения, вероятности захвата дырок этими центрами и условий возбуждения. С повышением температуры доля излучательных рекомбинаций Р уменьшается примерно так же, как яркость L при фотолюминесценции (1.1).

При электролюминесценции, возникающей только из-за возбуждения центров свечения ускоренными электронами, излучение происходит в пределах этих центров, г=1, причем N1 может иметь малое значение, если одновременно с возбуждением сравнительно небольшого числа центров свечения происходит более интенсивный процесс ионизации атомов основного вещества, определяющий ток через кристалл. По мере роста концентрации центров свечения N1 увеличивается и может приближаться к единице (или даже превысить ее), если ионизационные процессы играют малую роль. На величину Pi влияет как присутствие внутрицентрового тушения, так и возможность передачи энергии возбуждения другим центрам.

Квантовый выход, о котором шла речь до сих пор, описывает первоначально появившееся излучение и не учитывает возможности поглощения этого излучения в самом устройстве (внутренний квантовый выход). Между тем области кристалла, излучающие свет, находятся иногда достаточно глубоко под поверхностью, и доля поглощенного света в системе кристалл — электроды оказывается значительной. В связи с этим часто характеризуют излучатель внешним квантовым выходом, который связан только с вышедшим из устройства и непосредственно измеренным излучением. Внешний квантовый выход отличается от внутреннего множителем К0, который учитывает оптические потери, связанные с отражением и поглощением света, и может быть значительно меньше единицы.

Энергетический выход люминесценции (отношение энергии, излученной в виде света, к затраченной) равен () и меньше квантового, так как средняя энергия излучаемых квантов hх обычно меньше энергии, сообщаемой полем каждому носителю заряда, прошедшему через кристалл.

В общем случае при определении энергетического выхода следует учитывать ширину полосы люминесценции и определять его с помощью выражения:

(1.2).

в котором Ф — поток излучения; W — потребляемая мощность; ц (л)—спектральная плотность потока излучения; л—длина волны (интегрирование ведется во всем спектре излучения).

Еще одна важная характеристика источников света — световая отдача — определяется с учетом чувствительности глаза к свету разных К и равна:

(1.3).

Где ФL — световой поток, лм; V (л) —относительная спектральная световая эффективность, изменяющаяся от 0 на краях видимого участка спектра до 1 при л = 555 нм [16].

Для приблизительной оценки световой отдачи, лм/Вт, при квазимонохроматическом излучении можно считать, что V (л) = const, и тогда:

(1.4).

Для более точных подсчетов следует пользоваться графиками V (л) или ее табличными значениями.