Phosphor ist ein allgemeiner Begriff für jedes Material, das Licht bei Bestrahlung oder elektrischen Feldern emittieren kann. Der Begriff stammt vom griechischen Wort „phosphoros“ ab, was „Lichtbringer“ bedeutet. Phosphore sind in der Regel Halbleiter, die drei Energiebänder aufweisen: Valenzband, Leitband und Verbotenes Band.
Das Valenzband ist das niedrigste Energielevel, an dem Elektronen normalerweise vorhanden sind. Das Leitband ist das höchste Energielevel, an dem Elektronen sich frei bewegen können. Das verbotene Band ist die Lücke zwischen dem Valenz- und dem Leitband, in der keine Elektronen existieren können.
Phosphore können durch Hinzufügen von Verunreinigungen oder Dotierstoffen aktiviert werden, die zusätzliche Energieebenen innerhalb des verbotenen Bands erzeugen. Diese Energieebenen wirken als Fallen für Elektronen oder Löcher (positive Ladungen), die durch Strahlung oder elektrische Felder angeregt werden. Wenn diese Elektronen oder Löcher in ihre ursprünglichen Zustände zurückkehren, geben sie Energie als Photonen im Form von Licht ab.
Wie wandelt ein Phosphorüberzug UV-Strahlung in sichtbares Licht um?
Der Prozess, bei dem ein Phosphorüberzug UV-Strahlung in sichtbares Licht umwandelt, wird Fluoreszenz genannt. Fluoreszenz tritt auf, wenn ein Atom oder eine Molekül ein Photon von hochenergetischer Strahlung absorbiert und ein Photon von niedriger Energie emittiert. Der Energieunterschied zwischen dem absorbierten und emittierten Photon wird als Wärme abgegeben.
Die folgende Abbildung illustriert, wie Fluoreszenz in einem Phosphorüberzug aus Zinksulfid (ZnS) mit Silber (Ag) als Aktivator funktioniert.
Phosphormodell von Zinksulfid
A – B :- Elektronensprung
B – E :- Elektronenmigration
E – D :- Elektronensprung
D – C :- Elektronensprung
A – C :- Lochmigration
Ein Photon von UV-Strahlung mit einer Wellenlänge von 253,7 nm trifft auf den Phosphorüberzug und weckt ein Elektron aus einem Schwefel (S)-Atom zu einem Zink (Zn)-Atom. Dies erzeugt ein positives Loch im Valenzband und einen negativen Ion (Zn^-) mit einem zusätzlichen Elektron im Leitband.
Das zusätzliche Elektron migriert von einem Zn^- Ion zu einem anderen durch das Kristallgitter im Leitband.
Inzwischen bewegt sich das positive Loch von einem S-Atom zu einem anderen im Valenzband, bis es ein Ag-Atom erreicht, das als Falle fungiert.
Das Ag-Atom fängt das Elektron vom nahegelegenen Zn^- Ion und wird neutral (Ag^0). Dabei wird ein Photon sichtbaren Lichts mit einer längeren Wellenlänge als das UV-Photon freigesetzt.
Das Elektron vom Ag^0 Atom springt zurück zum S-Atom, wo das Loch entstanden ist, und schließt den Zyklus ab.
Die Farbe des sichtbaren Lichts hängt vom Energieunterschied zwischen dem Ag-Fallen-Energieniveau und dem Zn^- Energieniveau ab. Verschiedene Dotierstoffe können verschiedene Fallen-Energieniveaus und somit verschiedene Farben erzeugen. Zum Beispiel kann Kupfer (Cu) grünes Licht, Mangan (Mn) orangefarbenes Licht und Cadmium (Cd) rotes Licht erzeugen.
