Вигдорович Е.Н. Физические основы, конструкция и технология оптоэлектронных устройств - МГУПИ 2011 - файл n1.doc

Вигдорович Е.Н. Физические основы, конструкция и технология оптоэлектронных устройств - МГУПИ 2011
скачать (10094 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc10094kb.21.10.2012 15:38скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6






Вигдорович Е.Н.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ , КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ

ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Учебное пособие

МГУПИ

Москва 2011


Московский Государственный Университет

Приборостроения и Информатики

Е.Н. ВИГДОРОВИЧ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ,

КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ

ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Учебное пособие

Москва

МГУПИ 2011 год

УДК 621.315.5

ББК 32.843.308

Вигдорович Е.Н

К 58 Физические основы, конструкция и технология оптоэлектронных устройств

МГУПИ, 2011, - 205с

ISBN 978-5-87623-132-7
В учебном пособии приведены физические основы формирования основных компонентов оптоэлектронного приборостроения. Особое внимание обращено на полупроводниковые приборы. Подробно рассмотрены вопросы конструирования и технологии светодиодов, лазеров, фотоприемников. Для сравнения приведены данные по другим прибором, изготавливаемых на основе газоразрядных, жидкокристаллических, твердотельных, органических компонентах.

В пособии приведены данные по управлению и обработке данных при передаче информации в оптическом диапазоне. Рассмотрены различные устройства модуляции света и принципы передачи информации в ВОЛС. Книга представляет интерес для специалистов в области приборостроения. Она также может быть использована как учебное пособие преподавателями, аспирантами и студентами соответствующих специальностей высших учебных заведений.

ВВЕДЕНИЕ
Принято весь существующий диапазон электромагнитных волн разделять на радио- и оптический диапазоны. И, соответственно, области техники использующие эти диапазоны длин волн называют радиоэлектроника и оптоэлектроника.



Рис.1.1 Оптический диапазон электромагнитных волн.
В современной электронике используются преимущественно электронные явления в твердых телах (главным образом, в полупроводниках). Электронные явления отличаются большой чувствительностью к управляющему сигналу, функциональной гибкостью, вы­соким быстродействием и универсальностью.

Применение электронов в качестве носителей информационных сигналов позволило в полной мере реализовать большие возможности повышения пропускной способности и надежности твердотельных элемен­тов, которые появились после изобретения в 1949 г. транзисто­ров и разработки в шестидесятых годах интегральных схем на их основе. Перспективность интеграции полупроводниковых элементов столь очевидна, что уже к концу шестидесятых годов, т.е. через десять лет после создания в одном кристалле полупроводника транзистора и резистора, были получены ин­тегральные схемы (ИС), содержащие сотни и тысячи транзи­сторов, диодов и резисторов в монокристалле кремния.

Применение интегральных схем позволило более чем в тысячу раз повысить скорость и более чем в миллион раз на­дежность обработки информации по сравнению с электронны­ми устройствами на дискретных элементах. Групповые методы интегральной электроники позволяют создавать целые узлы электронных устройств в виде больших интегральных схем (БИС), составляющих основу нового поколения электронных вычислительных машин.

Однако для дальнейшего научно-технического прогресса требуются системы комплексной автоматизации производственных процессов и умственного труда, созданные на основе элементов, пропускная способность которых в тысячи раз превышает предельно возможную пропускную способность БИС на транзисторах.

Казалось, что нет таких технических задач, которые нельзя было бы ре­шить с помощью радиоэлектроники. Однако по мере развития полупроводниковой электроники выяснились серьезные ограничения применения элек­тронных явлений и систем на их основе. Ограничения пропускной способности полупроводниковых структур при их интеграции в большие схемы обусловлены, как технологическими пределами уменьшения размеров мик­рообластей, так и взаимными помехами, которые создаются подвижными зарядами электронов и дырок.
Основные недостатки и ограничения:

1. Низкая помехоустойчивость

Элек­тронные системы обладают низкой помехоустойчивостью вследствие сильного взаимного влияния элементов (при достигнутом уровне плотности монтажа). Например, совре­менная бортовая самолетная электронная вычислительная машина (ЭВМ) имеет массу 20—30 кг; масса же комплек­та кабелей, соединяющих ЭВМ с датчиками, и индикатора­ми, составляет, громадную величину — свыше 5 т. Рост массы кабелей прежде всего обусловлен необходимостью защиты каналов передачи информации от помех и от взаимного влияния каналов друг на друга.

2. Большой расход дефицитных материалов

Это прежде всего нарастаю­щий дефицит меди и большие затраты на изготовление проводов и. кабелей. Это также огромные расходы на обо­рудование и содержание подземных коллекторов, в кото­рых расположены кабели, связи. Городские власти больших городов уже бьют тревогу по поводу того, что имеющиеся коллекторы переполнены, а оборудование новых при нали­чии существующих сложнейших подземных коммуникаций представляет неразрешимую задачу, связанную с непомерными расходами.
3. Несовместимость систем управления и исполнительных механизмов.

Особые трудности обеспечения электрической изоляции создались в электронных системах, имеющих значительный перепад электрической мощности от элемента к элементу. Так, типичное электронное устройство — преобразователь содержит схему управления, которая определяет логику работы преобразователя и строится на интегральных микросхемах (ИС), и силовую часть, которая работает непо­средственно на нагрузку и переключает большие мощно­сти. Налицо противоречие в согласовании схемы управле­ния на ИС, имеющих малую помехозащищенность, и мощ­ной силовой части, являющейся источником сильных помех.

4. Низкая комплексная миниатюризация

Современная электроника не решила и не могла окон­чательно решить проблему комплексной микроминиатюризации электронной аппара­туры. Такие традиционные элементы, как трансформаторы, реле, контакты, переменные резисторы, плохо совмещаются с интегральными компонентами из-за наличия перемещаю­щихся деталей и больших габаритов.

Характерно, что в современных электронных устройст­вах на долю именно этих элементов (переменных резисторов, реле и т. п.) приходится большая часть объема, массы, потребляемой мощности, отказов и стоимости (иногда выше 90—95%).

5. Проблемы ввода и вывода информации

Особенно остро проблема микромини­атюризации стоит для устройств ввода-вывода информа­ции. Например, наиболее распространенный элемент тако­го типа — электронно-лучевая трубка требует высокого напряжения (более 1кВ), имеет большую массу и значи­тельные габариты.

6. Объем памяти и скорость передачи информации

Современная радиоэлектроника практически достигла теоре­тического предела как по скорости передачи информации (быстродействию), так и по объему памяти запоминающих устройств ЭВМ. В то же время объем перерабатываемой информации непрерывно увеличивается. Для современных запоминающих устройств ЭВМ требуется объем па­мяти равный емкости памяти человеческого мозга (около 1013 бит), а требуемая скорость передачи информации ЭВМ 1010—1012 бит/с и для линий связи 108—1010 бит/с. Такие значения объема памяти и скорости передачи информации на базе современной электроники и использования только электронных явлений практически недостижимы.

Решение подобного рода проблем, как показали иссле­дования, возможно при совместном использовании элек­тронных и оптически явлений в полупроводниках, т.е; при переходе от радиоэлектроники к оптоэлектронике.
Опоэлектронцка — это раздел пауки и техники, изучающий, как оптические, так и электронное явления в веществах, их взаимные связи и преобразования, а так­же приборы, схемы и системы, созданные на основе этих явлений.

Компонентную базу оптоэлектроники составляют oптоэлектронные приборы.

Оптоэлектронный прибор — это прибор, использующий для своей работы электромагнитное излучение оптическо­го диапазона. В целом компонентная база современной опто­электроники достаточно разнообразна и включает в себя следующие основные группы приборов:

  1. Излучатели: светодиоды и лазеры;

  2. Приборы для отображения информации — индикато­ры, индикаторные панели

  3. 3. Фотоэлектрические приемники излучения (фотоприемники): фоторезисторы и фотоприемники с р-п переходом;

4.Приборы, управляющие излучением

(модуляторы, дефлекторы, управляемые транспаранты и др.;

5. Приборы для электрической изоляции — оптроны;

6. Оптические каналы связи и оптические запоминаю­щие устройства: волоконно-оптические световоды, запоми­нающие (постоянные и реверсивные) среды.

Основу любой оптоэлектронной системы составляют излучатели, которые прежде всего подразделяются на источники когерентного (лазеры) и некогерентного (светодиоды) излучения. Устрой­ства когерентной (лазерной) оптоэлектроники и некоге­рентной оптоэлектроники резко отличаются друг от друга принципом генерации, распространения и регистрации сиг­налов. Эти устройства имеют различные требования к параметрам, решают различные задачи, имеют разный уро­вень технического развития.

Принципиальные достоинства оптоэлектронных при­боров и устройств определяются следующими основны­ми моментами.

1. Высокая информационная емкость оптического канала, связанная с тем, что частота световых колебаний (? - 1013... 1015 Гц) в 103 ... 105 раз выше, чем в освоенном радиотехническом диапазоне. Малое значение длины волны ? световых колебании обеспечивает высокую достижимую плотность записи информации оптических запоминающих устройствах (-108 бит/см2)

2. Острая направленность светового излучения, обусловленная тем, что угловая расходимость луча пропор­циональна величине ? и может быть менее 1. Это позво­ляет концентрированно и с малыми потерями передавать электромагнитную энергию в заданную область пространства; в малогабаритных электронных устройствах ла­зерный луч может направляться на фоточувствительные площадки микронных размеров.

3. Возможность двойной — временной и пространст­венной— модуляции светового луча. Минимальная эле­ментарная площадка в плоскости, перпендикулярной на­правлению распространения, которая может быть выде­лена для независимой модуляции части луча, близка к ?2 (~10 -8 см2). Это обстоятельство открывает неисчер­паемые возможности для параллельной обработки информации — непременного условия создания высоко­производительных вычислительных комплексов.

4.Возможность использования для передачи инфор­мации электрически нейтральных фотонов и вытекаю­щая отсюда бесконтактность (механическая и электриче­ская) связи; идеальная гальваническая развязка входа. и выхода; однонаправленность потока информации и от­сутствие обратной реакции приемника на источник; возможность создания сильно разветвленных коммуника­ций, нагруженных на «несогласованные» разнородные потребители энергии; невосприимчивость оптических ка­налов связи к воздействию электромагнитных полей, отсутствие взаимодействий в самих каналах связи (отсю­да их помехозащищенность, исключение взаимных на­водок).

5.Возможность непосредственного оперирования со зрительно воспринимаемыми образами: фотосчитывающие устройства вооружают вход информационной си­стемы «оптоэлектронным глазом»; визуализация (напри­мер, с помощью полупроводниковых цифробуквенных индикаторов) электрических сигналов на выходе делает систему максимально удобной для использования.

6.Возможность создания устройств подлинно функциональной электроники — основы кибернетиче­ских систем будущего. Она будет обладать такими качествами, как высокая логическая мощность, перестраиваемость, адаптивность, способность оперировать образами, многосвязность и т. п.. Использование световых сигналов (и возможности перевода энергии из электрической в све­товую и обратно) создает вполне реальные перспективы продвижения в область функциональной электро­ники.


Основные технологические процессы формирования оптоэлектронных устройств.
Серийное производство твердотельных оптоэлектронных устройств (СИД, лазеры, фотоприемники) основано на определенных технологических процессах:

1. Изготовление полупроводниковых гомо и гетероструктур.

Основными методами получения полупроводниковых структур являются различные модификации жидкофазной и газофазной эпитаксии. Эти методы позволяют получать необходимые материалы в виде эпитаксиальных пленок с более высоким, чем у монокристаллов, кристаллографическим совершенством.

2. Изготовление функционального «чипа».

Для этого, как правило, используют планарную технологию. Основными процессами планарной технологии являются:

- жидкостная или газофазная очистка поверхности;

-нанесение пассивирующих пленок для формирования топологической маски;

- фотолитография для формирования необходимой топологии элементов «чипа»;

- диффузия или ионное легирование для формирования p-n переходов;

- металлизация.

- иногда применяют реактивное ионное травление для создания необходимого рельефа поверхности.

3. Ручная или автоматизированная сборка устройства.

В зависимости от типа устройства используют различные способы и приемы, но главными из них являются:

- разделение готовых пластин на функциональные «чипы»;

- посадка функционального «чипа» на подкристальные платы;

- сварка и пайка;

- формирование внешних контактов;

- корпусирование

Многие из этих операций используются и при изготовлении других элементов оптоэлектроники.

Оптоэлектроника, как прикладная наука включает в себя следующие основные разделы:

1.Излучатели и системы отображения информации (светодиоды, индикаторы, лазеры);

2.Фотоприемники (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и пр.)

3. Системы управления светом (модуляторы, преобразователи, ВОЛС и пр.)

Глава 1. Излучатели
Развитие современной техники невозможно представить без широкого использования различных устройств визуального отображения информации. Конструирование радиоэлектронной аппаратуры подразумевает решение одной из проблем взаимодействия системы «человек-машина» - проблемы отображения вырабатываемой информации в форме, приемлемой для оптимального зрительного восприятия: буквенной, цифровой, цифробуквенной, графической, символьной и пр.

Существует много типов систем отображения информации. Они могут представлять информацию в виде движущихся объектов, в виде трехмерного статического изображения, в виде предупредительных знаков, в виде элементов бортовой автомобильной и авиационной и др. аппаратуры и пр. Так как 80% информации человек получает с помощью зрения, то все системы отображения работают в видимом диапазоне длин волн (420-700нм). Основой систем отображения являются излучатели или индикаторы, которые бывают активные, то есть те, которые сами излучают свет и пассивные, которые требуют внешней засветки. Выбор типа индикатора определяется теми задачами, которые необходимо решать при создании той или иной системы отображения информации.

В настоящем учебном пособии рассматриваются принцип действия, конструктивные и технологические особенности основных типов индикаторов: полупроводниковых, газоразрядных, жидкокристаллических и электролюминесцентных.
Основные свойства излучателей

Активные – в которых происходит преобразование электрической энергии в световую.

Пассивные – в которых активная среда прибора моделирует внешний световой поток.

1. Длина волны излучения, мкм:

УФ 0,01-0,38

Видимый

-фиолетовый 0,34 - 0,38

-голубой 0,38 - 0,48

- зеленый 0,48 – 0,55

- желтый 0,55 – 0,59

- оранжевый 0,59 – 0,63

- красный 0,63 – 0,7

ИК 0,7 …..1мм
2. Сила света

I = Ф/? (люмен/стер, кд)

3. Яркость

В=I/S ( кд/м2 )

4. Ширина спектра

5. Амплитуда и начальная фаза

6. Поляризация- это излучение с некоторым преимущественным направлением колебаний

вектора электрического поля.Плоскость поляризации- это плоскость в которой лежит вектор магнитного поля.

7. Когерентность

Если колебания всех излучающих атомов источника протекают согласованно во времени,

то имеет место когерентное излучение.

Если не согласованы колебания- то излучение некогерентное.
1.1. Полупроводниковые излучатели

1.1.1. Светодиоды

Полупроводниковый светоизлучающий диод (СИД), как показано на рис.1.2, представ­ляет собой конструкцию, размещенную внутри линзообразной эпоксидной смолы (компаунда). Эффективный вывод излучения осуществляется с помощью отражательной пластины. Такие СИД в большинстве случаев применяются как миниатюрные элементы индикации в виде точек и цифр.



Рис.1.1.Конструкция полупроводникового СИД (технология SMD)
Для индикации используется видимый свет. Как видно из таблицы 1,2 в настоящее время разработаны или имеются на рынке СИД с видимым излучением от голубого до красного цвета. Цвет излучения определяется применяемым материалом: GaP (красный, желтый, а также зеленый), GaAs1-xPx (крас­ный, оранжевый), AlxGa1-xAs (красный) и GaN (голубой).


Таблица 1.1

Основные характеристики светодиодов

Цвет

Код

Прямое напряжение,
Vf (VDC)


Длина

волны,

(nm)

Средняя
интенсивность
свечения
(mcd) (тип.)


Обратный
ток Ir (mA)
(макс.)


тип.

макс.

Красный (GaP)

H

2.1

2.5

700

500

20

Hi-красный (GaAlAs/GaAs)

S

1.9

2.2

660

3 500

20

Super-красный (GaAlAs/GaAs)

D

1.9

2.2

660

6 000

20

Оранжевый (GaAlAs/GaAs)

E

2

2.4

630

2 500

20

Зеленый (GaP)

G

2.1

2.5

568

2 500

20

Желтый(GaAlAs/GaAs)

Y

2.1

2.5

585

2 000

20

Ultra-зеленый (AlGalnP)

UG

2

2.4

572

7 000

50

Ultra-желтый (AlGalnP)

UY

2

2.4

590

15 000

50

Ultra-янтарный (AlGalnP)

YO

2

2.4

610

15 000

50

Ultra-оранжевый (AlGalnP)

UE

2

2.4

625

15 000

50

Ultra-красный (AlGalnP)

UHR

2

2.4

635

13 000

50

Ultra-синий (InGaN)

UB

3.5

4

470

6 000

50

Чистый-зеленый (InGaN)

PG

3.5

4

525

7 000

50


.Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details — поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рис.1.3.

Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора — в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на круглом массивном радиаторе.




Рис.1.3. Конструкция полупроводникового СИД (технология COB)
Механизм излучения различен в двух случаях:

-когда инжектированный электрон рекомбинирует непосредственно с дыркой (рис.1.4)

-когда инжектированный электрон рекомбинирует с дыркой после захвата на центр люминесцен­ции (центр рекомбинации).

Так как в полупроводниках с не­прямыми переходами типа GaP вероятность рекомбинационного излучения, вызванного межзонным переходом, мала, то для повышения КПД источника излучения часто применяется вве­дение примеси азота, цинка, кислорода, становящихся центрами люминесценции (излучения).

Формирование излучения полупроводниковых (п/п) светодиодов можно условно разделить на несколько этапов:

l = 1,24/Еg
Коэффициент инжекции (g) для гомопереходов коэффициент инжекции равен

g = ND mn / (ND mn + NA mp )

Ni - концентрация электронов и дырок

mi - подвижность неосновных носителей (см2 /В c)

Для гомопереходов коэффициент инжекции, как правило, меньше единицы (до 0,5).




Рис.1.4. Энергетическая диаграмма p-n перехода
Одним из способов повышения коэффициента инжекции является создание гетеропереходов, которые в общем виде представляют собой границу между полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны (рис.1.5). В этом случае в зонной диаграмме p-n гетероперехода возникают разрывы и в валентной зоне (?E?) и в зоне проводимости (?Ec) и в гетеропереходе реализуется практически односторонняя инжекция носителей.


Рис.1.5. Энергетическая диаграмма гетеропрехода

Наличие характерных для гетеропереходов разрывов зон приводит к тому, что концентрация инжектированных носителей может превышать концентрацию основных носителей в эмиттере.

Коэффициент инжекции при этом будет равен
>> 1



где DE – разрыв энергии в зоне проводимости; Un – смещение, приложенное к n –области перехода.

Это явление называется сверхинжекция.
При проектировании топологии кристалла важны тип полупро­водниковой структуры, особенности процесса генерации и выво­да излучения из нее. С учетом этих факторов была разработана серия базовых конструкций кристалла размером 0,4х0,4х0,25 мм {рис. 6).



Рис.1.6. Конструкции кристаллов-излучателей на основе GaAs0,6P0,4(а), Ga0,65Al0,35As(б), GaP (в), GaAs0,15P0,85(г)
Для кристаллов из структур n+-п-типа применяется планарная конструкция, при этом р-п переход формируется методом диффу­зии в материал п-типа. В качестве защитной маски используется диэлектрическое покрытие Si3N4. Различие условий распространения и вывода генерируемого излучения из кристалла с прозрачной (GaP) и непрозрачной (GaAs) подложками учиты­вается в рассматриваемой планарной конструкции использовани­ем сплошного (рис.1.6,а) или отражающего (рис.1.6,б) контакта на основе композиций Au : Ge : Ni. При этом контакт к материалу p -типа изготовляется из А1.

Для структур с выращенным р-п переходом возможны два альтернативных варианта конструкции излучающего кристалла: резанная или скрайбированная (рис.1.6, в) и мезаконструкция (рис.1.6,б,г). Для улучше­ния условий вывода излучения в структурах с прозрачной GaP-подложкой нижний контакт делается не сплошным, а наносится в окна в диэлектрическом покрытии SiO2.

В GaP СИД красного свечения длина волны, соответствую­щая максимуму и равная 700 нм, определяется рекомбинационным излучением экситонов, захваченных нейтральной примес­ной парой цинк — кислород, замещающих соседние узлы ре­шетки GaP. Если при выращивании кристалла в водородную газовую среду осуществлять инжекцию NН3, т. е. вводить при­месь азота, то получается GaP СИД зеленого свечения. Азот в кристалле замещает фосфор и представляет собой нейтраль­ную примесь. Однако из-за большого электронного сродства происходит захват электрона, под действием кулоновских сил захваченного электрона происходит захват дырки и возникает экситон. Зеленый цвет свечения обусловлен рекомбинацией этих экситонов, а длина волны, соответствующая максимуму зеленого цвета свечения, равна 565 нм. Химические элементы такой же природы как элементы кристалла, будучи центрами излучения, называются изоэлектронными ловушками. GaP- СИД чисто зеленого цвета излучения с длиной волны 555 полу­чается путем улучшения метода выращивания кристалла. В этом случае примесь азота не вводится, используется рекомбинационное излучение межзонного перехода.

В GaAs1-x Px СИД в области прямого перехода при х=0,4 КПД источника излучения оказывается максимальным, а длина волны, соответствующая максимуму, равной 650 нм. При x >0,45 увеличивается ширина запрещенной зоны, образуется непрямозонный полупроводник, поэтому КПД источника излу­чения повышают путем введения примеси азота. В GaAs1-x Рx: N СИД, изменяя значения х, можно непрерывно менять цвет све­чения от красного до зеленого.

В AlxGa1-xAs СИД при x=0,35 образуется полупроводник с прямыми переходами красного цвета свечения с длиной вол­ны 665 нм.



Рис.1.7. Конструкция светодиода большой мощности.
В светодиоде большой мощности излучения, как показано на рис.1.7, на слой AlGaAs-диафрагмы, сошлифованной в ви­де полусферы, наносят неотражающее покрытие с целью повы­шения КПД и вывода излучения из расположенного в средней части р-п перехода. В этой конструкции внешний квантовый выход составляет 15—25%, мощность излучения при непрерыв­ном режиме работы равна 30—70 мВт, быстродействие — по­рядка 10 нc.

Для светодиодов синего цвета свечения требуются материа­лы с очень большой шириной запрещенной зоны. К ним отно­сятся кристаллы GaN и SiC . В последнее время созданы высокоэффективный СИД с р-п гетеропереходоми на основе GaN (рис.1.8) .



Рис.1.8. Функциональный чип GaN- СИД с гетероструктурой.
Высокой эффективности удалось получить используя новые представления о работе гетропереходов с квантовыми ямами.

На рис..1.9 показана энергетическая диаграмма гетероперехода GaAlN / GaN с квантовой ямой InGaN в которой между внешними p- и n-областями полупроводника с большими величинами ширины запрещенной зоны Eg2, Eg3 расположен тонкий слой с меньшей шириной Eg1.


Рис. 1.9. Энергетическая диаграмма гетероперехода с квантовой ямой.


Помимо потенциального барьера обычного p-n перехода на гетерограницах слоя образуются потенциальные барьеры для электронов DEc и дырок DEv. Если приложить к переходу прямое смещение, возникнет инжекция электронов и дырок с обеих сторон в узкозонный слой.

Электроны будут стремиться занять положения с наименьшей энергией, спускаясь на дно потенциальной ямы в слое, дырки устремятся вверх - к краю валентной зоны в слое, где минимальны их энергии.

Попав в яму, инжектированные электроны наталкиваются на потенциальный барьер DEc, дырки - на барьер DEv, поэтому и те, и другие перестают диффундировать дальше и рекомбинируют в тонком активном слое с испусканием фотонов.

Широкозонные внешние части гетероперехода можно сильно легировать с обеих сторон, добиваясь больших концентраций в них равновесных носителей. И тогда, даже не легируя активную узкозонную область примесями, удается достичь при инжекции значительных концентраций неравновесных электронно-дырочных пар в слое. Отказ от легирования активной области принципиально важен, поскольку атомы примеси, как уже говорилось, могут служить центрами безызлучательной рекомбинации.
1.1.2.Многоэлементные излучатели
Полупроводниковые излучатели по характеру отображаемой информации можно разделить на четыре основные разновидности: дискретные СИД, знаковые полупроводниковые индикаторы, моду­ли шкал и модули экранов. Помимо классификации по функцио­нальному принципу все многообразие излучателей может быть разделе­но на две большие группы по конструкторско-технологическому принципу: монолитные и гибридные индикаторы.

Заданные размеры поля изображения, число, размеры и кон­струкция светящихся элементов, их взаимное расположение обес­печиваются либо определенной топологией сегментов монолитного кристалла (бескорпусные многоэлементные индикаторы), либо определенным размещением одноэлементных или многоэлементных кристаллов на основании корпуса, а также конструкцией корпуса (герметизированные индикаторы).

Разработанные бескорпусные монолитные приборы достаточно разнообразны: от простейших цифровых 7-и 9-сегментных индикаторов до 100-элементных шкал. Преимущество монолитных индикаторов состоит в том, что они дают возможность создавать большое число элементов любой конфигу­рации с любыми, в том числе исключительно малыми, размерами и точным взаимным расположением элементов.

Простая гибридная конструкция представляет собой набор од­ноэлементных кристаллов, размещенных на основании корпуса. Размеры элемента изображения однозначно определяются размерами светящейся области кристалла, а взаимное расположение этих элементов — взаимным расположением кристаллов на ос­новании. Основание с кристаллами может быть либо помещено в герметичный корпус с плоским окном, либо залито опти­чески прозрачной пластмассой.

Гибридная конструкция индикатора на принципе рассеяния света (рис.1.10,а.) представляет собой набор одноэлементных крис­таллов с малыми размерами, размещенных на основании корпуса. Взаимное расположение элементов изображения определяется взаимным расположением кристаллов на основании, а размеры элементов формируются специальным монолитным пластмассовым светопроводом. Оптическое преобразование точечного изображе­ния света в изображение светящегося элемента индикатора осу­ществляется путем многократного рассеяния света внутри каждой из полостей светопровода, оптически изолированных друг от друга. Рассеяние света внутри полости обеспечивается или ее заполнени­ем светорассеивающей пластмассой во время герметизации или диффузно рассеивающей пленкой, помещенной на лицевой поверхности светопровода.

Вместо набора одноэлементных кристаллов в знаковых инди­каторах может быть использован набор линейных многоэлемент­ных кристаллов. Наконец, световод может быть сос­тавной частью керамического основания. Рассмотренная конструк­ция, естественно, сложнее простой гибридной. Главное ее преиму­щество — резкое снижение расхода материала в цифровых инди­каторах. В настоящее время указанная конст­рукция является основной для цифровых и знаковых индикаторов с высотой знака более 7 мм и модулей экрана.



а б
Рис. 1.10. Конструкция индикатора на принципе рассеяния света (а) и монолитного индикатора (б)

1 — корпус; 2 — вывод

Монолитная конструкция (рис.1.10,б.) — многоэлементный крис­талл, аналогичный бескорпусному индикатору, помещается в герметичный корпус с плоским окном. Эта конструкция в наибольшей степени удовлетворяет жестким требованиям механического и климатического воздейст­вия.

Монолитная многоразрядная конструкция с оптическим увели­чением представляет собой несколько многоэлементных кристал­лов, помещенных на общее основание. Для увеличения видимого изображения знака используется многоэлементная (по числу крис­таллов) пластмассовая линза. Существуют две основные модифи­кации данной конструкции:

-жесткое керамическое или стеклотекстолитовое основание и моноблочная линза, механически закрепленная на нем (рис.1.11);

жесткая рамка и линза, формируемая в процессе пластмассо­вой герметизации (рис.1.12).

Обе модификации позволяют эффективно решить главную за­дачу — резко уменьшить расход материала в многоразрядных ин­дикаторах с высотой знака 2,5...5 мм.

Светоизлучающие кристаллы монтируются на держателе, пред­ставляющем собой керамическую плату с нанесенной на нее мето­дом шелкографии топологией. Для осуществления электрической связи индикатора со схемами управления плата армируется внеш­ними выводами.



Рис. 1.11. Конструкция монолитного много­разрядного индикатора АЛС318: 1-стеклотекстолитовое основание; 2-вывод; 3-моноблочная линза

Рис. 1.12. Конструкция моно­литного многоразрядного ин­дикатора на жестком основа­нии типа АЛС329:

1 — пластмассовый корпус; 2—вывод; 3 — линза
Необходимость увеличения размера знака и экономиии дорого­стоящих полупроводниковых структур привела к разработке гиб­ридных индикаторов на принципе рассеяния света. В конструкции формирование изображения осуществляется при использовании светоизлучающих кристаллов, размещенных в светорассеивающей полости светопровода. В этом случае размеры и форма светящей­ся области определяются габаритами и конфигурацией светопро­вода. В настоящее время можно выделить три основных типа конст­рукций светопровода:

-пластмассовый светопровод с верхним рассеивающим слоем (рис.1.13,а);

-полый светопровод с рассеивающей пленкой (рис.1.13,6);

-светопровод с отражающими зеркальными стенками, заполнен­ными пластмассой с диспергентом (рис. 1.13,в).

При разработке гибридных индикаторов на принципе рассея­ния света необходимо обеспечить равномерность яркости в пре­делах светоизлуающего поля. В конструкции первого из представленных выше типов излу­ченный кристаллом свет после многократного отражения от грани­цы раздела между пластмассовым светопроводом и воздухом вы­ходит через верхний рассеивающий слой, обеспечивающий равно­мерность свечения сегмента за счет контролируемого введения в него мелких диспергирующих частиц из стекла или кварца. Альтернативный вариант получения диффузного изображения большой площади реализуется в конструкции второго типа. В этом случае излученный кристаллом свет многократно отражается от боковых поверхностей пустотелого светопровода, попадает в пленку-рассеиватель и выводится из индикатора. С целью увели­чения коэффициента вывода в этом случае необходимо обеспечить высокий коэффициент отражения от боковых граней светопровода, что обеспечивается нанесением на его внутреннюю поверхность слоя золота с высокой отражательной способностью в видимой области спектра. Весьма перспективен с экономической точки зре­ния белый пластмассовый отражатель, разработанный в последнее время и характеризуемый высоким коэффициентом отражения в видимой области спектра.

Синтез двух рассмотренных выше решений реализуется в кон­струкции третьего типа. В ней полость светопровода с нанесенным на его внутреннюю поверхность отражающим слоем серебра запол­няется прозрачной светорассеивающей пластмассой, изготавлива­емой введением в нее мелкодисперсных рассеивателей (стекла, кварца и пр.).



Рис. 1.13. Различные конструкции ПЗСИ на принципе рассеяния света:

1—кристалл-излучатель; 2—держатель; 3—светопроводящая полость; 4—отражающие-стенки; 5 — частицы рассеивателя; 6 — корпус; 7 — прозрачная крышка-корпус




Рис.1.14. Наиболее распространенные форматы многоэлементных излучателей
На рис.1.14. показаны наиболее распространенные форматы многоэлементных излучателей, а на рис. 1.15 приведена функциональная схема части дис­плея на семиполосковых цифровых индикаторах. Эта схема реализует следующие функции:

1. Память. Информация поступает в схему в виде парал­лельного 4-битового двоично-десятичного кода (ДДК) по четы­рем шинам (k = 4). Информация, полученная во время разре­шающего такта (например, с помощью набора из четырех R-S-триггеров), записывается в памяти. Эта информация остается в памяти, пока не поступит импульс стирания.

Другой элемент памяти (на рис. не показан) записы­вает информацию в виде последовательного ДДК в 4-разряд­ный (k=4) сдвиговый регистр. Каждый разряд регистра имеет параллельный выход, соединенный со следующим элемен­том дисплея - генератором символов.

2.Генератор символов. Роль генератора символов заклю­чается в преобразовании k входных сигналов из блока памяти в п выходных сигналов, с помощью которых включаются нужные элементы индикации.

Как показано на рис. 1.14 это обычно осуществляется в две стадии.

а) Блок дешифратора имеет k входов и, следовательно, может воспринимать 2k сигналов ДДК, каждый из которых coответствует определенному символу. Соответственно он имеет 2k выходных контактов, каждый из которых представляет определенный символ. Типичный дешифратор, собранный на соответствующих полупроводниковых логических схемах, состоит из некоторого числа двухвходовых вентилей или схем И и инвер­торов .


Рис.1.15. Функциональная схема семиполоскового цифрового полупроводникового индикатора с входом для параллельного двоично-десятичного кода.
б) Шифратор имеет 2k входных контактов, и информация передается в него в каждый момент времени только по одной линии. Его функция состоит в преобразовании этой информации в выходные сигналы, соответствующие элементам требуемого символа. Число выходных контактов равно п (п = 7 для семи­элементного цифрового индикатора и п = 35 для матрицы из 5 х 7 элементов). Самый простой способ осуществить эту функ­цию - использовать диодную матрицу , хотя тран­зисторная матрица обладает большей универсальностью. Диод­ная матрица работает как постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Использование дешифратора п выходов из k входов тре­бует от ПЗУ 2kn бит на один символ (если используются все 2k, комбинаций). Каждый из п выходов шифратора управляет одним элементом индикации соответствующего ему символа (так называемое пространственно-разделенное подключение). Для символа, образуемого матрицей из 5 х 7 элементов, число вы­водов оказывается слишком большим и подключение может быть осуществлено с использованием принципа разделения во времени (так называемое подключение с временным разделением). При этом число выходных линий уменьшается до пяти— соответственно числу столбцов индикатора. Еще одна входная линия выбирает одну из семи строк символа.

В сумме дешифратор и шифратор образуют генератор символов. Выходной сигнал шифратора используется для питания электролюминесцентного индикатора.

3. Полупроводниковый индикатор. Обычно выходная мощность генератора символов недостаточна для непосред­ственного питания светодиодов, так что электролюминесцентный индикатор состоит из двух частей (драйвера и светодиодов):

а). Драйвера, который служит в качестве генератора постоянного тока и обычно должен усиливать сигналы шифратора. Функция драйвера заключается в обеспечении питания светодиодов. В про­стейшем случае используются транзисторный эмиттерный каскад для усиления выходного сигнала шифратора и последователь­ное сопротивление для поддержания постоянной величины тока питания

б) самого индикатора.


1.1.3. Излучатели для освещения

Твердотельное освещение (Solid-State Lighting – SSL) – новая быстро развивающаяся отрасль промышленности, возникшая на стыке полупроводниковой электроники и светотехники. Главные преимущества SSL - высокая светоотдача и длительный рабочий

ресурс, позволяющие в разы снизить затраты на электроэнергию и эксплуатационные расходы для осветительной аппаратуры. Кроме того, светодиодным излучателям присущи такие преимущества, как конструктивная гибкость, механическая прочность, простота утилизации и др. Ожидается рост параметров приборов до уровня светоотдачи ~150лм/Вт, световых потоков с единичного кристалла ~1000 lm, индекса цветопередачи >85, рабочего ресурса 5.104-1.105 ч.

Известны и в настоящее время широко используются в промышленности два подхода к созданию полупроводниковых источников освещения. Первый, основанный на использовании люминофоров, когда первичное излучение синего светодиода, частично преобразуется в более длинноволновую желто-зеленую полосу, так что суммарное излучение дает белый свет.



Рис. Спектральная характеристика СИД с люминофором


Рис. Конструкция СИД с люминофором
Второй подход использует смешение излучение от нескольких разноцветных светодиодов (синий-зеленый-желтый-красный…), так называемый RGB-mixing. Потенциально, второй подход позволяет рассчитывать на достижение более высокого КПД (светоотдачи), поскольку исключает «стоксовы» потери, неизбежно присущие люминофорам. Однако, особого внимания заслуживает такое уникальное свойство RGB излучателей, как возможность динамического управления количественными и качественными параметрами света: интенсивностью, спектральным распределением, цветовыми координатами (цветовой температурой) и др. В зарубежной литературе это качество получило название «интеллектуального» света (smart light). На основе подхода смешения цветов в многокристальных RGB светодиодных излучателях можно легко получать все реально существующие цвета и, что особенно важно, получать белый свет с высоким индексом цветопередачи, в широком диапазоне цветовых температур. При этом уровни отдаваемых световых потоков стали достаточны для активного воздействия на человека и решения широкого круга светотехнических задач.

Для изготовления обоих типов СИД используют функциональные чипы повышенной мощности.



Рис. Конструкция функционального чипа большой площади
Исследования воздействия на человека света с различными цветовыми параметрами имеет длительную историю, берущую свое начало от Парацельса - XVI век. Эволюция человека миллионы лет протекала в условиях естественного солнечного освещения. «Интеллектуальный» свет, наиболее близко соответствует солнечному и уже сейчас нашел различные технические применения. Например, источники света, меняющие свои характеристики в зависимости от погодных условий или объекта освещения (автомобильные фары), архитектурная и декоративная подсветка, освещение при выращивании растений и др. Наиболее интересные перспективы связаны с «интеллектуальным» светом, как фактором, способным оказывать положительное влияние на психологическое состояние человека.

1.2. Газоразрядные излучатели
Газоразрядный излучатель представляет собой прибор, в кото­ром используется свечение в газовом разряде. Если на внутренние поверхности двух стеклян­ных пластин нанести плоские электроды и пространство между ними заполнить инертным газом, например неоном под давле­нием порядка 0,1—1 мм рт. ст., полученную таким образом конструкцию загерметизировать по периметру и приложить на­пряжение, то возникнет свечение. Заполнение устройства неоном дает оранжевое свечение, а гелием и аргоном –желтое и фиолетовое, соответственно. Области свечения, начиная от катода, носят названия: отрицательное свечение, положи­тельный столб, катодное свечение. Положительный столб на­ходится в состоянии плазмы, образуя ионизированный газ, в котором положительные и отрицательные ионы компенсируют друг друга, так что полное поле внутри плазмы равняется ну­лю. В ряде случаев с помощью положительного столба воз­буждают люминофор, нанесенный на внутренние стороны стеклянных пластин для цветовой индикации. Однако в боль­шинстве случаев источником света для индикации служит от­рицательное свечение.

Вольт-амперная характеристика га­зового разряда нелинейная. Когда приложенное напряжение превышает напряжение возникновения разряда, образуется разряд и в окрестности катода появляется яркое отрицатель­ное свечение. Если приложенное напряжение сделать ниже минимального напряжения поддержания разряда, то разряд прекращается.

Газоразрядное индикаторное устройство, выполненное в ви­де плоской конструкции, носит название индикаторной панели. Панель изготавливается в виде плоских стеклянных пластин, размер которых по диагонали может достигать 1 м. На прак­тике используют индикаторные панели с 1212 ячейками по вертикали и 1596 ячейками по горизонтали при плотности 2 ячейки на 1 мм. Небольшая панель содержит 1024-512 ячеек плотностью 5 ячеек на 1 мм.

Время запаздывания возникновения газового разряда в га­зоразрядном индикаторе небольшое, однако прикладываемое напряжение лежит в пределах 100—200 В, и поэтому требуется высоковольтная управляющая схема.

1.2.1. Газоразрядный индикатор постоянного тока

На рис.1.16 показана конструкция газоразрядной индикатор­ной панели постоянного тока. В этой конструкции в качестве анодов и катодов разрядных ячеек используются проволочные электроды в точках пересечения которых происходит индика­ция элементов изображения. В результате ионного распыления загрязняется катод, поэтому индикацию осуществляют со сто­роны анода. Для ограничения разрядного тока последователь­но со схемой управления включают балластное сопротивление.

Рис.1.16. Газоразрядная индикаторная панель постоянного тока

Рис.1.17. Работа газоразрядного индикатора
Одновременно с напряжением смещения VВ к горизонталь­ным и вертикальным проволочным электродам прикладывают соответственно импульсные напряжения +Vp и Vp. Значение Vp выбирается в зависимости от соотношения между напряжением возникновения разряда V1 [ (напряжение зажигания) и минимальным напряжением поддержания разряда vE таким образом, чтобы разряд в ячейке возникал только при подаче импульсного напряжения Vp одновременно на оба электрода, т. е. свечение будет иметь место только в той разрядной ячей­ке, которая находится в выбранной точке и нигде больше (рис.1.17,а).

Время запаздывания возникновения разряда индикаторной панели постоянного тока составляет более 100 мкс. При нали­чии предионизации в окрестности катода возникает разряд и происходит диффузия заряженных частиц, время запаздыва­ния возникновения разряда снижается до 5 мкс.

Яркость свечения почти пропорциональна разрядному току, поэтому, изменяя величину тока, можно регулировать яркость свечения.

На рис.1.17,б показана работа газоразрядного индикатора постоянного тока с внутренней памятью. Если к выбранной точке пересечения горизонтальных и вертикальных электродов приложить напряжения записи +VPW и —Vpw, то полученное на­пряжение будет превышать напряжение возникновения разря­да, что приведет к возникновению разряда (запись). Посколь­ку величина напряжения смещения устанавливается между значениями напряжения зажигания V1 и минимальным напряже­нием поддержания разряда vE, то разряд будет поддерживать­ся (запоминание) только в выбранной точке и нигде больше. Для гашения разряда (стирание) прикладывают импульсные напряжения +VPE и —vPE противоположной полярности, пони­жая приложенное напряжение до уровня ниже минимального напряжения поддержания разряда.

1.2.2. Газоразрядный индикатор переменного тока

На рис.1.18 показана конструкция газоразрядного индикатора переменного тока, предложенная сотрудником Иллинойского университета в 1966 г. Его иногда называют иллинойским газоразрядным индикатором. Две системы металлических электродов нанесены на внут­реннюю поверхность стеклянных пластин перпендикулярно друг другу. Между электродами с помощью прокладок созда­ется зазор, заполненный инертным газом или смесью инертных газов. Поверхность электродов покрыта тонким слоем диэлект­рика, на который затем нанесено защитное покрытие из окиси магния, обладающее высоким значением коэффициента вто­ричной эмиссии при бомбардировке положительными ионами.


а б
Рис.1.18. а– конструкция газоразрядного индикатора переменного тока, б – поперечный разрез разрядной ячейки
Слоистое покрытие образует конденсаторную структуру, спо­собную сохранять электрический заряд. Первоначально на электроды подается переменное напряжение VA , амплитуда которого недостаточна для возникновения разряда, но обеспе­чивает поддержание существующего разряда. В определенные интервалы времени на выбранную пару вертикальных и гори­зонтальных электродов подаются импульсы записи, амплитуда которых достаточна для возникновения разряда в промежутке, образованном в перекрещивании данной пары электродов. Под действием ионной бомбардировки, вызванной протеканием раз­рядного тока, поверхность диэлектрического покрытия заряжа­ется, причем разность потенциалов VW имеет полярность, про­тивоположную первоначальному напряжению возникновения разряда. При этом суммарное напряжение на разрядном про­межутке падает и разряд прекращается. Напряжение VW неко­торое время сохраняется на конденсаторной структуре. В следующий момент приходит очередной импульс VA противопо­ложного знака, теперь напряжения VA и VW складываются и превышают требуемое напряжение возникновения разряда Vi в данной ячейке. Вновь появляется импульсный ток разряда, происходит перезарядка конденсаторной структуры и процесс по­вторяется при иной полярности напряжений. Таким образом, однажды возникший разряд и его свечение сохраняются (запо­минаются) элементарной ячейкой благодаря наличию заряда на диэлектрических слоях. Для прекращения разряда требуется подать на ячейку стирающий импульс, полярность которого противоположна VW в определенный момент времени. Конден­саторная ячейка частично разряжается, напряжение уменьша­ется до такого уровня VW, которого недостаточно для повтор­ного возникновения разряда при приходе очередного импульса и разряд прекращается. Возможен и иной способ — отключе­ния поддерживающего напряжения на такое время, пока сте­чет заряд, накопленный на диэлектрических слоях ячейки.

Электроды индикатора обычно изготавливаются из металлических про­водников, причем предпринимаются различные способы, чтобы сделать их прозрачными для света с целью осуществления ин­дикации с высокой яркостью свечения.

1.3. Жидкокристаллические индикаторы
Жидкие кристаллы (ЖК) были открыты в 1888 г. австрийским ученым-ботаником Ф. Рейницером, но толькои после 1968 г.по­лучили широкое практическое применение в индикаторных устройствах. ЖК занимают промежуточное место между твер­дым и жидким телом. Молекулы жидкого кристалла движутся подобно молекулам в жидкости, однако при этом остается оп­ределенная упорядоченность в их расположении. Эти вещества представляют собой органические соединения, обладающие, по­добно кристаллам, оптической анизотропией.

Жидкокристаллические молекулы имеют удлиненную палочкообразную или плоскую форму, которая геометрически спо­собствует параллельности их взаимной укладки. ЖК, как вид­но из рис.1.19 разделяются на 3 типа в зависимости от спосо­ба укладки молекул: нематические, смектические и холестерические. Сама молекула имеет удлиненную форму длиной несколько десятков ангстрем и шириной несколько анг­стрем. В индикаторах используются, в основном, нематические ЖК, хотя на практике часто смешивают два различных ЖК, расширяя тем самым интервал рабочих температур.


а) б)
в) с)
Рис.1.19.Типы жидких кристаллов: а-жидкость; б-нематический; в-смектический; г -холестерический.

Укладка и движение молекул ЖК под действием внешнего электрического поля, тепла и других слабых воздействий изме­няется, что сопровождается изменением его оптических свойств. ЖК - индикаторы не излучают свет. В них индикация информации осуществляется при помощи изменения оптиче­ских свойств жидкого кристалла, что приводит к модуляции падающего светового потока.

ЖК - индикаторы недостаточно эффективны с точки зрения контрастности изображения, но, с другой стороны, обладают рядом достоинств: возможность исполнения в виде плоской конструкции, низкое управляющее напряжение, простота испол­нения управляющей схемы в виде ИС, малая потребляемая мощность и т.д. ЖК - индикаторы применяются для буквенно-цифровой индикации в часах и настольных микрокалькулято­рах. Расширяется область их применения в качестве плоских. телевизионных экранов больших размеров. Получена возмож­ность цветовой индикации.

1.3.1. Оптические эффекты в жидких кристаллах

Электрооптические эффекты в ЖК подразделяются на то­ковые эффекты (динамическое рассеяние, эффект электриче­ского управления двулучепреломлением, «твист-эффект») и по­левые эффекты (фазовый переход, эффект «гость—хозяин»).

В большинстве ЖК-индикаторов используются электроопти­ческие эффекты, однако имеются ЖК-индикаторы, работающие за счет изменений оптических свойств под действием темпера­туры, как при термооптическом эффекте.

Динамическое рассеяние света. Если через слой нематического ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией про­пустить постоянный или переменный ток низкой частоты, то прозрачный слой ЖК мутнеет: происходит рассеяние света. Поскольку ЖК-ячейка довольно толстая (больше 6 мкм), раз­рушение ранее упорядоченной структуры и перевод слоя жид­кости в состояние турбулентности, в котором осуществляется рассеяние света, требует приложения сильного электрического поля. При подмешивании холестерического ЖК нематический ЖК будет испытывать влияние со стороны «закрученной» структуры его молекул. Возникает динамическое рассеяние све­та, которое сохраняется даже после снятия электрического по­ля. Это состояние устраняется приложением высокочастотного электрического поля, в котором исчезает динамическое рассея­ние.

Эффект электрического управления двулучепреломлением. На ориентацию молекул ЖК оказывает влияние состояние поверхностей пластин ЖК-ячейки. Если пластины обработать поверх­ностно-активным веществом, то, как показано на рис.20, можно получить гомеотропную упаковку молекул, перпендику­лярную пластинам, и гомогенную упаковку молекул, параллель­ную пластинам. На основе молекул с отрицательной диэлектри­ческой анизотропией создают ЖК с гомеотропной упаковкой. Вне ЖК-ячейки скрещенно размещают поляризатор и анали­затор. Для индикации используется свойство двойного лучепре­ломления, которое возникает при приложении к электродам электрического поля, вызывающего ориентацию молекул ЖК в направлении, параллельном пластинам. Этот эффект называ­ется также эффектом деформации вертикально ориентированной фазы. Свет, ставший линейно-поляризованным после про­хождения поляризатора, становится эллиптически поляризован­ным после прохождения ЖК-ячейки, обладающей свойством двойного лучепреломления. Тем самым интенсивностью света, прошедшего через ЖК-ячейку, можно управлять с помощью приложенного электрического поля. Так как интенсивность проходящего света зависит от длины волны, то, изменяя напря­жение, можно менять цветовой тон.

«Твист-эффект» реализуется при помощи однонаправленного натирания поверхностей пластин во взаимно перпендикулярных направлениях и введения нематического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией.


Рис.1.20. Упаковка молекул в ЖК:

а—гомогенная; б—гомеотропная.


Прозрачный электрод
Рис.1.21. «Твист-эффект»: а—выключенное состояние (просветленное со­стояние индикатора); б — включенное состояние (темное состояние индика­тора).

Так как мо­лекулы жидкого кристалла между двумя пластинами оказыва­ются скрученными на 90°, то происходит поворот плоскости по­ляризации линейно-поляризованного света, прошедшего че­рез ЖК-ячейку. Если к электродам приложить напряжение, то укладка молекул в ЖК станет гомеотропной и ориентирован­ной перпендикулярно пластинам, и потому поляризация света, прошедшего через ЖК-ячейку, будет сохраняться. Когда плос­кости поляризации поляризатора и анализатора, установлен­ных по обеим сторонам ЖК-ячейки, параллельны (параллель­ный николь), приложение напряжения приводит к прохожде­нию света, а при отсутствии напряжения свет отсекается. В случае перпендикулярного николя получается обратная ха­рактеристика (рис. 1.21). При этом получается довольно низ­кое рабочее напряжение (менее 1 В).

Фазовый переход. ЖК-ячейка с примесью холестерического ЖК с положительной диэлектрической анизотропией рассеивает свет, образуя жидкокристаллическую непрозрачную ячейку мо­лочного цвета. При увеличении электрического поля, прикладываемого к электродам, все молекулы ЖК, за исключением близлежащих к пластинам, ориентируются в направлении электрического поля, образуя нематический жидкий кристалл с гомеотропной упаковкой молекул, и ЖК-ячейка становится прозрачной.


Рис.1.22. Оптический эффект «гость — хозяин» : а - без электрического поля, б – в электрическом поле
Оптический эффект «гость —хозяин». Краситель, обладающий свойством менять спектр проходящего света в зависимости от ориентации молекул, называется плеохроическим красителем. Если к жидкому кристаллу подмешать плеохроический краси­тель, тогда с помощью электрического поля оказывается воз­можным менять как ориентацию молекул ЖК, так и ориента­цию молекул плеохроического красителя,т.е. можно изменять цвет ЖК-ячейки. В такой ЖК-ячейке ЖК называют «хозяи­ном», а краситель — «гостем», а само явление называют опти­ческим эффектом «гость-хозяин». На рис.1.22 показано превращение ЖК р-типа с гомогенной упаковкой молекул в кристалл с гомеотропной упаковкой под действием электриче­ского поля. Аналогичная индикация осуществляется также в комбинированной системе, объединяющей в себе эффект фазо­вого перехода и эффект «гость — хозяин».

Термооптический эффект. Если нагреть ЖК, то он превратится в обычную изотропную жидкость, однако если ее охладить до первоначальной температуры, то упаковка молекул в ЖК бу­дет отличаться от первоначальной. Например, прозрачная смесь холестерического и нематического ЖК после однократного нагревания и последующего охлаждения до первоначальной температуры окажется непрозрачной. Если полученную непро­зрачную смесь поместить в высокочастотное электрическое поле, она вернется в исходное прозрачное состояние.

1.3.2. Способ возбуждения ЖК индикаторной панели

Жидкокристаллическая индикаторная панель представляет со­бой двумерную матрицу XY управляющих электродов. Точки пересечения электродов образуют ЖК-ячейки, которые возбуж­даются при приложении напряжения к соответствующей паре электродов, воспроизводя таким образом один элемент изобра­жения. На рис.1.23 приведена электрическая характеристика такой ЖК-ячейки. При приложении напряжения меньше поро­гового Vth ячейка находится в закрытом состоянии (не возбуж­дается). Если приложенное напряжение больше порогового Vth+, ячейка переходит в открытое состояние (возбуждает­ся). Способы возбуждения жидкого кристалла подразделяются в зависимости от того, присоединен или не присоединен актив­ный элемент к точке пересечения электродов. Ниже рассмот­рим случай, когда такой активный элемент отсутствует. ЖК-ячейка может быть представлена в виде эквивалентной параллельной CR-цепочки. Сопротивление составляет порядка 1010—1011 Ом-см. При возбуждении i-го и j-го взаимно ортого­нальных электродов XY-матрицы точку пересечения (i,j) на­зывают выбранной точкой. При k i, l j точки (i,l) (k, j) на­зывают полувыбранными точками, а точку (k, l) называют невыбранной точкой. Если сопротивление в невыбранных точ­ках матрицы возбуждения XY-электродов положить равным бесконечности, то эквивалентная схема со стороны XY-электродов будет иметь вид, показанный на рис. 1.20, а


Рис.1.23. Электрическая характеристика ЖК-ячейки.

-21
Рис.1.24. Эквивалентная схема ЖК-ячеики (a) ( k i l j), и распределение напряжения (б).
На рис.1.24, б приведены напряжения, соответствующие указан­ному состоянию ЖК-ячеек. При увеличении матрицы напря­жения, приложенные к полувыбранным точкам, возрастают и становятся равными 1/2V.

При поточечной последовательной развертке элементов изо­бражения в выбранных точках потребуется значительное время для развертывания всего изображения. Во избежание этого применяется линейная последовательная развертка, в которой осуществляется одновременное воспроизведение всех элементов изображения на одном электроде. В случае когда половина ЖК-ячеек на одном электроде находится в открытом (возбуж­денном) состоянии под напряжением V, благодаря линейной последовательной развертке напряжение, приложенное к ос­тальным ЖК-ячейкам, также будет равно V. Если использует­ся схема возбуждения, в которой напряжение невыбранного электрода устанавливается равным нулю, а напряжения элект­родов в выбранной части XY-матрицы — равным + V, -V, то напряжение, приложенное к ЖК-ячейкам в невыбранных точ­ках будет равняться 1/2V.

1.3.3. Возбуждение активного матричного индикатора на ЖК

Активным матричным индикатором называется прибор, в кото­ром каждая индикаторная ячейка возбуждается независимо от других ячеек через активный элемент в точке пересечения XY-матрицы адресации, т. е. в нем нет тех ограничений, которые были ранее, что дает воз­можность улучшить характеристики индикатора. Для практи­ческой реализации активного матричного индикатора с боль­шим экраном применяется интеграция ЖК-ячейки со схемой управления. В таком индикаторе используется матрица транзи­сторов, стоки которых соединены с электродами ЖК-ячейки, представляющей собой элемент отображения (рис.1.25). На­пряжение на электродах ячейки задается с помощью МОП-транзисторов, размещенных в виде матрицы на кремниевой подложке. Затворы и стоки МОП-транзисторов присоединяются соответственно к XY-шинам возбуж­дения матрицы адресации. При возбуждении какой-то затвор­ной шины отпираются МОП-транзисторы этого столбца и через шины, к которым присоединены стоки транзисторов осуществ­ляется инжекция заряда в накопительную емкость от источни­ка постоянного напряжения. Оптические свойства жидкокри­сталлической ячейки соответствуют напряжению, поддерживае­мому на накопительной емкости. Так как интенсивность отраженного света можно линейно изменять в зависи­мости от потенциала шин, к которым присоединены стоки транзисторов, то ока­зывается возможной инди­кация тоновых изображе­ний.

На рис.1.26 приведен пример активного матрич­ного ЖК-индикатора на аморфных кремниевых тон­копленочных транзисторах. Индикаторная панель пред­ставляет собой конструк­цию, в которой тонкопле­ночные транзисторы образуют на стеклянной подложке коммутационную матри­цу адресации. ЖК-ячейка построена на эффекте «гость—хозя­ин». Так как при использовании кремниевой пластины имеет место ограничение на диаметр пластины, то максимальный раз­мер изображения может составлять примерно 4 дюйма (10,0 см). При использовании аморфного кремния таких огра­ничений не существует и можно изготовить индикаторную па­нель с площадью изображения более 130Х'130 см2.


Рис.1.25. Схема управления активного матричного ЖК-индикатора (G и D –затвор и сток тенкопленочного транзистора)



Рис.1.26. Жидкокристаллическая индикаторная панель с матрицей тонкопленочных транзисторов


Цветное воспроизведение.

В результате действия эффекта двойного лучепреломления, управляемого электрическим полем, и тенсивность света, про­шедшего через анализатор будет представляться следующим выражением:

I == IP sin2 2 sin2dn/,

где  — угол между направлением поляризации падающего све­та и направлением проекции оси ориентации молекул ЖК на поверхность стекла. При =л/4 интенсивность света, прошед­шего через анализатор, будет максимальной. Поскольку угол поворота направления поляризации зависит от длины волны , максимальное пропускание будет соответствовать определен­ной длине волны светового излучения, для которой этот угол составит 90°, что может быть использовано для цветного вос­произведения.

В ЖК-индикаторе, использующем эффект «гость—хозяин», цветное воспроизведение можно осуществлять, используя дихроизм красителя, являющегося «гостем». Краситель в этом случае определяет только цвет воспроизведения.

Цветное воспроизведение произвольного изображения лю­бого цвета можно получить на основе комбинации трех основ­ных цветов, управляя цветом в каждой ЖК-ячейке. Для этой цели применяются цветные светофильтры. В этой системе ЖК используется только для управления проходящим через него светом, а цвет светового излучения определяется цветными фильтрами. На рис.1.27 показана возможность воспроизведе­ния на индикаторе цветного телевизионного изображения на основе «твист-эффекта» в нематическом ЖК.


Рис.1.27. Цветное воспроизведение изображения на ЖК.индикаторе

1.4.Электролюминесцентные индикаторы

Электролюминесценция — это явление светового излучения, возникающее при приложении электрического поля к полупро­воднику, в частности к люминофору. В 1936 г. француз Дестрио открыл явление внутренней или собственной электролюми­несценции. Это явление, например, возникает в порошкообраз­ном люминофоре типа ZnS, диспергированном в диэлектрике между обкладками конденсатора, на который подается пере­менное напряжение. Инжекция носителей из электродов в лю­минофор при этом отсутствует. Такой тип люминесценции на­зывают дисперсной или предпробойной. В отличие от этого электролюминесценция, возникающая при напылении слоя изоляции электронным пучком или высо­кочастотным распылением, называется тонкопленочной элект­ролюминесценцией.

Возникно­вение дисперсной и тонкопленочной электролюминесценции может быть вызвано также действием постоянного тока. Воз­никновение этих типов электролюминесценции объясняется тем, что часть элемента (конструкции), соприкасающаяся с люминофором, имеет диодную характеристику и благодаря ин-жекции носителей возникает свечение. Так как тонкопленочная электролюминесценция возникает при приложении постоянного напряжения порядка 10 В, то пусковая схема может быть простой, что является ее несомненным достоинством.

Достоинством дисперсной электролюминесценции является простота изготовления индикаторной панели, однако длитель­ность этой электролюминесценции мала, а надежность невысо­кая, что является ее недостатком.

Тонкопленочная электролюминесценция переменного тока возникает при высоком пусковом напряжении порядка 100— 200 В, поэтому пусковая схема оказывается сложной, что яв­ляется недостатком. Однако длительность этой электролюмине­сценции велика, а надежность высокая, поэтому она находит практическое применение в индикаторных панелях.

1.4.1. Тонкопленочная электролюминесценция переменного тока

На рис.1.28 показано поперечное сечение тонкопленочного электролюминесцентного прибора с двухслойной изоляцией, возбуждаемого переменным током. Он представляет собой конструкцию, в которой слой сульфида цинка (ZnS) с добавкой марганца (Мп) заключен между двумя слоями изоляции. Эта конструкция, за исключением того, что толщина излучающего слоя составляет 0,5—1 мкм, полностью аналогична конструк­ции прибора с дисперсной электролюминесценцией переменного тока. Если к электродам приложить напряжение переменного тока и создать в излучающем слое напряженность электриче­ского поля порядка 106 В/см, то в приборе возникает свечение (электролюминесценция). Цвет свечения желтый с шириной спектра порядка 50 нм. Поскольку ширина спектра здесь боль­ше, чем ширина спектра газоразрядного индикатора, то инди­кация оказывается более ясной.


Рис. 1.28. Тонкопленочная электролюминесцентная ячейка переменного тока.
Электролюминесцентный слой подвержен влиянию сырости, что является его недостатком. Для исключения проникновения сырости люминесцентный слой с обеих сторон покрывают сло­ем изоляции. Благодаря предупреждению деградации электро­люминесцентного слоя после непрерывной работы прибора в течение 15000 ч с яркостью более 5000 кд/м2 наблюдается лишь незначительное снижение яркости. Пусковое напряжение составляет 200 В, т. е. как и для газоразрядного индикатора, требуется высоковольтное возбуждение.

Используются различные приемы для снижения пускового напряжения и упрощения пусковой схемы. Так как при ис­пользовании слоя изоляции с большой диэлектрической прони­цаемостью реальная напряженность электрического поля в элек­тролюминесцентном слое увеличивается, то оказывается воз­можным снизить пусковое напряжение. Можно снизить пусковое напряжение, применяя однослойную изоляцию и увеличивая напряженность электрического поля в электролюминесцентном слое. Обычно при однослойной изоляции за один период возбуждающего переменного тока электролюминесценция возникает один раз. Уменьшение тол­щины слоя изоляции и электролюминесцентного слоя приводит к возникновению двукратного свечения в течение одного пери­ода. Таким образом, уменьшение толщины слоев приводит к повышению напряженности электрического поля и появлению двукратного свечения за один период, т. е. к повышению ярко­сти свечения. На рис.1.29 приведены характеристики прибора с тонкопленочной электролюминесценцией со структурой элект­род— слой изоляции — электролюминесцентный слой


Действующее значение напряжения, в
Рис.1.29. Характеристики тонкопленочной электролюминесцентной ячейки со структурой электрод—диэлектрик—электролюминофор при различной тол­щине слоев структуры. Для сравнения приведена характеристика ячейки с двухслойным диэлектриком (кривая 4). 1—ZnS: Mn—0,25 мкм; Sm2O3— 0,1 мкм; 2— ZnS: Мп—0,5 мкм, Sm2O3 —O,2 мкм; 3—ZnS: Mn—0,6 мкм. Sm2O3—0,4 мкм; 4— Sm2O3—0,4 мкм, ZnS: Мп—0,6 мкм, Sm2O3 — 0,4 мкм.
Введение в центры электролюминесценции редкоземельных фтористых соединений приводит к различным цветам свечения. Используя этот метод, можно осуществить цветное воспроиз­ведение, однако яркость свечения цветов, за исключением жел­того, пока еще низкая. Двухслойная структура изоляции препятствует ухудшению параметров прибора, связанных с отслаиванием пленок, смеще­нием зависимостей между яркостью и напряжением и т. д. По­этому индикаторная панель с такой структурой имеет высокую надежность. Тонкопленочный электролюминесцентный слой, представляющий собой люминофор из ZnS с 5%-и добавкой Mn, помещается между слоями изоляции из Si3N4 в виде «сандвич»-структуры. На стеклянную подложку методом элек­тронно-лучевого напыления наносится слой In2O3, из которого фототравлением изготовляется электрод шины данных. Поверх слоя In2O3, напыляется двойной слой изоляции и электролюми­несцентный слой. Далее напыляется слой А1, из которого фо­тотравлением получается электрод развертки. Над ним сверху устанавливается герметизирующее стекло. Для защиты от сы­рости заливается кремнийорганическое масло.

1.4.2. Возбуждение активного матричного индикатора

На рис.1.30 показана схема возбуждения переменным током тонкопленочного электролюминесцентного активного матрично­го индикатора. Один электрод электролюминесцентной ячейки присоединяется к источнику питания для возбуждения пере­менным током, другой — к переключающему транзистору. При­кладывая к ячейке напряжение от источника питания, осуществляют индикацию информации в соответствии с открытым или закрытым положением переключающего транзистора. Ча­стоту возбуждения электролюминесценции можно установить независимо от того, находится ли переключающий транзистор в открытом или закрытом состоянии. Поэтому даже при увели­чении числа индицируемых элементов изображения яркость изображения не падает и возможна индикация без мерцаний. Управление транзисторами осуществляется по активной цепи возбуждения матрицы, а с помощью накопительного конденса­тора, реализуется фиксация переключения.

Рис. 1.30. Схема возбуждения электролюминесцентной активной матрицы.
После того как транзистор перешел из открытого состояния в закрытое, к стоку переключающего транзистора будет при­кладываться максимальное напряжение в виде суммы напря­жения возбуждения источника питания и межэлектродного на­пряжения, возникшего под действием зарядов, накопленных между электродами ячейки. Устанавливая между стоком и за­земленной подложкой диод Зенера, ограничивают повышение напряжения стока и тем самым предотвращают пробой прибора.


1.5. Органические светодиоды (OLED)

Долгое время в индустрии использовались исключительно неорганические вещества для создания большинства ключевых компонентов компьютерных систем и электронных устройств. Зародившаяся в середине 20 в. технология дала повод видеть большие перспективы в использовании органических соединений для создания дисплеев нового поколения.

1.5.1. Немного истории.

Андрэ Бернаноз (Andrй Bernanose) и его сотрудники открыли электролюминесценцию в органических материалах в начале 1950-х, прикладывая переменный ток высокого напряжения к прозрачным тонким плёнкам красителя акридинового оранжевого и хинакрина. В 1960-м исследователи из компании
Dow Chemical разрабатывали управляемые переменным током электролюминесцентные ячейки, используя допированный антрацен.

Низкая электрическая проводимость таких материалов ограничивала развитие технологии до тех пор пока не стали доступными более современные органические материалы, такие как полиацетилен и полипиррол. В 1963 году в ряде статей учёные сообщили о том, что они наблюдали высокую проводимость в допированном йодом полипирроле. Они достигли проводимости 1 См/см. К сожалению, это открытие было «потеряно». И только в 1974 году исследовали свойства бистабильного выключателя на основе меланина с высокой проводимостью во «включенном» состоянии. Этот материал испускал вспышку света во время включения.

В 1977 году другая группа исследователей сообщила о высокой проводимости в подобно окисленном и легированном йодом полиацетилене. В 2000 году Алан Хигер, Алан Мак-Диармид и Хидеки Сиракава получили Нобелевскую премию по химии за «открытие и развитие проводящих органических полимеров». Ссылок на более ранние открытия не было.

Первое диодное устройство было создано в 1980-х компанией Eastman Kodak. В 1990 году в журнале Nature появляется статья учёных, в которой сообщается о полимере с зелёной светимостью и «очень высоким КПД». Недавно был разработан гибридный светоиспускающий слой, в котором используются непроводящие полимеры с примесью светоиспускающих проводящих молекул. Использование полимера даёт преимущества в механических свойствах без ухудшения оптических свойств. Светоиспускающие молекулы имеют ту же долговечность, как и в первоначальном полимере.

1.5.2. Конструкция и технология.

Для создания органических светодиодов (OLED) используются тонкопленочные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких полимеров (рис.1.31, 1.32). При подаче на анод положительного относительно катода напряжения, поток электронов протекает через прибор от катода к аноду. Таким образом катод отдает электроны в эмиссионный слой, а анод забирает электроны из проводящего слоя, или другими словами анод отдает дырки в проводящий слой. Эмиссионный слой получает отрицательный заряд, а проводящий слой положительный. Под действием электростатических сил электроны и дырки движутся навстречу друг к другу и при встрече рекомбинируют.



Рис.1.31. Схема 2х слойной OLED-панели:

Рис. 1.32. Конструкция OLED элемента

1.Катод(?), 2.Эмиссионный слой, 3. Испускаемое излучение,

4.Проводящий слой, 5. Анод (+)
Первыми появились OLED дисплеи на основе микромолекул, однако они оказались слишком дорогостоящими, поскольку изготавливались с помощью вакуумного напыления.
Первый шаг к созданию полимерных дисплеев был сделан в 1989 году, когда ученым Кембриджского университета удалось синтезировать особый полимер – полифениленвинилен. Дисплеи этого типа могут быть получены путем нанесения полимерных материалов на основу специальным струйным принтером (рис.1.33).

Рис.1.33 Технология струйной печати органического материала на подложку
В настоящее время в основном развиваются две технологии, показавшие наибольшую эффективность. Различаются они используемыми органическими материалами - это микромолекулы (sm-OLED) и полимеры (PLED), последние делятся на просто полимеры, полимерорганические соединения (POLED), и фосфоресцирующие(PHOLED). О последних немного по подробнее. PHOLED используют принцип электрофосфоресценции, чтобы преобразовать до 100 % электрической энергии в свет. К примеру, традиционные флуоресцентные OLED преобразовывают в свет приблизительно 25-30 % электрической энергии. Из-за их чрезвычайно высокого уровня эффективности энергии, даже по сравнению с другим OLED, PHOLED изучаются для потенциального использования в больших дисплеях типа телевизионных мониторов или экранов для потребностей освещения. Интересно, что технология OLED способна значительно повысить качество LCD панелей, поскольку перспективной технологией подсветки для них является технология PHOLED (PHosphorescent Organic Light Emitting Diode). По данным компании Universal Display Corporation применение PHOLED диодов увеличивает яркость панелей в четыре раза.

1.5.3. Цветопередача.

Существуют три схемы цветных OLED дисплеев:
* схема с раздельными цветными эмиттерами;
* схема WOLOD+CF (белые эмиттеры + цветные фильтры);
* схема с конверсией коротковолнового излучения.



Рис. 1.34.Технологические маршруты OLED и PLED дисплеев.
Самый простой и привычный вариант – обычная трехцветная модель, которая в технологии OLED называется моделью с раздельными эмиттерами. Три органических материала излучают свет базовых цветов – R, G и B. Этот вариант самый эффективный с позиции использования энергии, однако, на практике оказалось довольно сложно подобрать материалы, которые будут излучать свет с нужной длиной волны, да еще с одинаковой яркостью.

Второй вариант реализуется гораздо проще. Он использует три одинаковых белых эмиттера, которые излучают через цветные фильтры, однако он значительно проигрывает по эффективности использования энергии первому варианту, поскольку значительная часть излученного света теряется в фильтрах.
В третьем варианте (CCM – Color Changing Media) применяются голубые эмиттеры и специально подобранные люминесцентные материалы для преобразования коротковолнового голубого излучения в более длинноволновые – красный и зеленый. Голубой эмиттер, естественно, излучает «напрямую». У каждого из вариантов есть свои достоинства и недостатки:

Основное применение технология OLED уже сейчас находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что в перспективе производство таких дисплеев большого формата будет гораздо дешевле, нежели производство на основе жидких кристаллов или свечения плазмы.

  1   2   3   4   5   6


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации