禹貢學會

[拼音]：dianzhi faguang

[英文]：electroluminescence

電能直接轉換為光能的發光現象（簡稱EL）。過去，取其在電場作用下發光之意，曾譯為場致發光。

氣體中的EL現象早為人們所熟知。閃電、霓虹燈發出的光就是電流通過氣體時的發光現象；而日光燈則是電流通過水銀蒸氣時發出的紫外線激發日光燈管壁上的固體發光材料而發光的，所以它是EL與光致發光的綜合現象。

1923年蘇聯O.羅雪夫曾觀察到，作為檢波器用的SiC晶體通電時，從電極與晶體接觸處發出光來。這一現象的研究停滯不前，到60年代才在固體理論和半導體技術發展的基礎上發現PN結髮光。其基本結構跟半導體二極體相似，都是用半導體材料製成的PN接面（見半導體物理學）。當PN接面正向偏置時，電子（空穴）注入到P(N)型材料區，這樣注入的少數載流子，通過直接或間接的途徑與多數載流子複合。這種載流子注入引起的複合發光稱為注入式EL(或簡稱注入發光)，而不發光的複合稱為無輻射覆合或無輻射躍遷。複合發光與無輻射覆合是互相競爭的，要提高發光效率就要設法減少無輻射覆合。晶體中原有的或制管工藝過程中引進的缺陷是無輻射覆合的主要來源。因此只有在晶體生長技術和制管工藝比較成熟的70年代，才製成實用的發光二極體(簡稱LED)。目前絕大多數的LED是由Ⅲ-Ⅴ族化合物製成的；雖然金剛石和SiC的帶隙超過發可見光所需的最小值1.8eV；但這兩種材料不易生長完整的晶體，且都是間接帶隙材料，因此尚不能用來生產實用的LED。而 Ⅱ-Ⅵ族化合物，雖大都是帶隙超過 1.8eV的直接帶隙材料(見半導體物理學)，但由於存在自補償效應，用一般方法不能獲得雙極性材料(除 CdTe外，ZnTe只能製成P型的，其餘的ZnS、ZnO、ZnSe、CdO等則只能製成N型的）；因此除非採用下文提到的特殊方法或特殊結構，用Ⅱ-Ⅵ族材料製造LED是不現實的。Ⅲ-Ⅴ族化合物則除了GaN外均可獲得雙極性材料，其帶隙又大多足夠寬，是製造從近紅外到可見光LED的實用材料，其中以GaP和GaAs1-xPx等最為典型。GaP材料的帶隙在300K時達2.26eV，然而它是間接帶隙材料，根據固體理論，這種材料要有聲子的參與才能發生帶間躍遷，固此躍遷機率較小，直接用它製造LED，發光效率也就較低。目前採用兩種辦法解決這個缺點。一是在GaP晶體中引進所謂的等電子雜質（如GaP中引進N，發綠光），形成等電子陷阱;另一是把間接帶隙材料(GaP)與直接帶隙材料(GaAs)按一定組分關係形成混晶，表之為GaAs1-xPx，x<0.40時，這個混晶具有直接帶隙材料的特性；改變組分x值，就可改變LED發光的顏色。市場上出售的發紅光的GaP:ZnO發光二極體以及發紅光的Ga1-xAlxAs發光二極體（GaAs與AlAs的混晶）也是基於上述原理而提高發光效率的。

1936年法國科學家G.德斯特里奧發現另一種被稱為本徵型EL現象，又稱為德斯特里奧效應。所用的發光材料（例如 ZnS粉末）其電阻率很高（類似本徵半導體材料），把它懸置於樹脂等絕緣材料中並夾於兩塊平板電極間（其中一塊常為透明電極，例如鍍SnO2的玻璃），這樣的系統稱為EL板或EL盒，見圖。把EL盒與交流電源連線就可觀察到光從透明電極一側透射出來。這個現象的典型解釋為：從施主或陷阱中通過電場或熱激發到達導帶的電子，或從電極通過隧道效應進入材料中的電子，受到電場加速獲得足夠高的能量，碰撞電離或激發發光中心，最後導致複合發光。根據理論估計，要發生碰撞電離，場強約需105～106伏/釐米，但一般EL盒發光層厚度約0.1毫米，施加的電壓約100伏左右，因此平均場強僅10伏／釐米；然而由於存在晶粒間界、缺陷等各種不均勻性，EL盒中的電場分佈不是均勻的，在一些微區內，場強可能遠大於平均場強。實際上，對ZnS:Cu顆粒的EL的顯微觀察發現，光不是均勻發出的而是侷限於 ZnS顆粒中一些微區，它表現為一些細短的發光線對，其區域性亮度高達 105英尺·朗伯。發光線對的本質是什麼尚無一致的看法，較多認為它跟某種缺陷或跟銅的沉積相有關。

本徵型EL自從1936年被發現後，由於未能突破亮度低、壽命短的缺點，其應用受到很大限制；直到近十多年來，情況又有新的變化，壽命提高達1萬小時，加以直流粉末EL(DC-EL)材料的問世以及交流薄膜EL(ACTF-EL)板的研製成功才又使EL研究進入新的興盛時期。典型的DC-EL材料是將摻Mn、Cu的ZnS粉末置於有銅離子的溶液中浸潤若干分鐘進行所謂的包銅工藝而獲得的，這種材料的特點是，可用直流電源、脈衝電源和交流電源，亮度高（但效率較低）。典型的 ACTF-EL板是用真空澱積方法把ZnS:Mn發光層夾於雙絕緣層之間，這樣的EL板亮度高壽命長，並且在採用較高濃度的Mn時，還具有記憶效應等特點，利用它已經研製成全固體化的平板電視樣機。如進一步解決色調及造價高的問題，它將成為有競爭力的顯示屏。

近年來，EL出現了許多新的研究方向：

（1）在研究方法上，採用離子注入技術使 Ⅱ-Ⅵ族化合物製成PN接面，採用金屬-絕緣體-半導體(MIS)、金屬-半導體(MS)以及異質結等非PN接面或異質結的結構。

（2）在有關物理過程方面，跟耿氏效應和聲電效應聯絡的體效應EL是強場下熱載流子引起的現象，是與多數載流子聯絡的均勻發生於晶體內部的過程。

（3）在材料方面，對 Ⅲ-Ⅴ 化合物GaN，對黃銅礦結構的 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2 和Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ2化合物，如CuGaS2、CdSnP2等以及對有機物的研究也引起廣泛的注意。

（4）在應用方面除了作為指示、字元數碼顯示外，還開展光通訊、夜視儀、多功能光電器件及平板顯示等方面的應用研究。