Leuchtstoffe anorganischer Natur
am Beispiel der Farbbildröhre

Vortrag von Daniela Dressel im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - PC", SS 2000

Gliederung:

0. Einleitung

Als Einleitung wurde ein Werbespot für Mediavision ("Schade, schade, schade...") gezeigt, wobei darauf hingewiesen wurde, dass ohne Leuchtstoffe Fernsehen gar nicht möglich wäre. Davon ausgehend wurden nun besprochen, wie die Farbbildröhre aufgebaut ist, was Leuchtstoffe sind und wie sie funktionieren.

1. Die Farbildröhe 

Folie 1: Lochmuster

Folie 2: Linien- oder Schlitzmuster

Die Lochmaskenröhre hat ein System zur Erzeugung und Steuerung von drei Elektronenstahlen. Jeder Strahl ist für eine Farbe zuständig und wird für sich so gesteuert, dass er selektiv nur die ihm zugeordneten Leuchtstoffe (rote, grüne und blaue Punkte oder Linien des Leuchtschirms) anregt.

Folie 3: Farbbilderzeugung

Folie 4: Bestandteile einer Farbbildröhre (gif 38k, DIN A4 quer)

2. Farben und Farbensehen

Die besondere Fähigkeit des menschlichen Sehapparates, Licht unterschiedlicher Wellenlänge bzw. Frequenz als verschiedenfarbig zu unterscheiden nennt man Farbensehen. An der Farbwahrnehmung sind grundsätzlich zwei Prozesse beteiligt, nämlich ein physiologischer im Auge und ein psychischer im Gehirn.

Das Farbensehen wird durch die Young-Helmholtzsche Dreifarbentheorie mit den Grund- und Primärfarben Rot (l_r = 610 nm), Grün (l_g = 535 nm) und Blau (l_b = 470 nm) erklärt. Aus diesen Grundfarben entstehen durch additive Farbmischungen die Farben Gelb (aus Rot und Grün), Blaugrün (aus Grün und Blau), Purpur (aus Blau und Rot) und beim Zusammentreffen aller drei Farben Weiß.

Folie 5: Additive Farbmischung

3. Leuchtstoffe

Alle Stoffe, die Energie in irgendeiner Form absorbieren und diese Energie entweder ganz oder teilweise als Lichtstrahlung wieder abgeben können, fasst man unter dem Begriff der Leuchtstoffe oder Luminophore zusammen.

Leuchtstoffe, die all diese Kriterien erfüllen sind z.B. ZnS und Y₂O₂S.

4. Lumineszenzmechanismen

Lumineszenz beruht stets auf einen Übergang von einem Elektron aus einem energetisch höheren Zustand in einen unbesetzten, energetisch tieferen Zustand. Bei der Kathodolumineszenz regen Kathodenstrahlelektronen Aktivatoren an, wobei diese in ein energetisch höheres Niveau angehoben werden. Beim Übergang zurück in den Grundzustand wird Energie frei in Form von Lumineszenzstrahlung.

Folie 6: Prinzip der Lumineszenzmechanismen (gif 9k, DIN A4 quer)

Bei den beschriebenen Leuchtstoffen handelt es sich um Feststoffe bzw. Festkörper. Für die Beschreibung der chemischen Bindung zieht man das Energiebändermodell heran. In jedem Atom gibt es diskrete Elektronenniveaus, von denen die mit der niedrigsten Energie mit Elektronen besetzt sind. Nähert sich einem Atom ein zweites Atom, so spalten alle Energieniveaus aufgrund der Wechselwirkung zwischen den Elektronen auf. Bei n (benachbarten) Atomen ist diese Aufspaltung n-fach. In einem Festkörper werden dabei aus besetzten Niveaus das Valenzleitband und aus unbesetzten Niveaus das Leitungsband. Den Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband nennt man Bandlücke. Bei einem Isolator ist diese Bandlücke groß, bei einem Halbleiter klein, und bei einem Metall gibt es keine Bandlücken, da Valenz- und Leitungsband überlappen oder das Valenzband nicht völlig besetzt ist. Bei den erwähnten Leuchtstoffen handelt es sich um Halbleiter. Aufgrund der schmalen Bandlücke kann ein Übergang vom Valenzband in das Leitungsband stattfinden.

Bei den Elektronenübergängen kann man folgende Mechanismen unterscheiden:

1. Bei ausreichend großer Anregung kann ein Elektron vom Valenzband in das Leitungsband gehoben werden, wobei im Valenzband ein "Loch" (Defektelektron) entsteht. Durch Wechselwirkungen mit der Umgebung verliert das Elektron an Energie und sinkt an die Unterkante des Valenzbandes ab. Bei der Rekombination mit dem Defektelektron wird Energie in Form von Lumineszenzstrahlung frei.
   
2. Es kann auch zur Ausbildung eines Excitons kommen, wobei Energie verbraucht wird. Ein Exciton ist ein Quasiteilchen, das aus einem Elektron und einem Defektelektron (Loch) besteht; durch Coulomb-Wechselwirkungen sind Elektron und Loch aneinander gebunden. Das Energieniveau der Excitone liegt etwas unterhalb des Leitungsbandes. Die Rekombination erfolgt wie oben beschrieben.
   
3. Die verwendeten Halbleiter können auch dotiert sein, d.h. sie enthalten Fremdatome innerhalb des Kristallgitters. Nehmen die Fremdatome leichter Elektronen auf als der Halbleiter in reiner Form, so nennt man sie Akzeptoren. Geben sie jedoch leichter Elektronen ab, so bezeichnet man sie als Donatoren. Insgesamt stellen solche Fremdatome Fehlstellen dar.
   
   a) Ein Elektron aus dem Donatorniveau kann nun mit einem Defektelektron im Valenzband rekombinieren, wobei Energie in Form von Lumineszenzstrahlung ausgesendet wird.
   
   b) Andererseits kann auch ein Elektron aus dem Leitungsband mit einem Defektelektron, das sich im Akzeptorniveau befindet, rekombinieren, wobei auch wieder Lumineszenzstrahlung zu sehen ist.
   

4. Spezielle Fremdatome stellen sogenannte Lumineszenzzentren dar, wie z.B. Eu. Ein Photon, das nach Mechanismus 1 oder 2 frei wird, kann auch ein Fremdatom anregen, anstatt sofort als Lumineszenzstrahlung frei zu werden. Da ein entgegengesetzter Übergang quantenmechanisch verboten ist, erfolgt ein Übergang in ein anderes Niveau. Finden beim Übergang Wechselwirkungen mit der Umgebung statt, so spricht man von Zentrenlumineszenz, ohne Wechselwirkungen von charakteristischer Lumineszenz.

Folie 7: Lumineszenzmechanismen (gif 8k, DIN A4 hoch)

5. Herstellung des Leuchtschirmes

6. Literatur

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de