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.doc

10094kb.

21.10.2012 15:38

скачать

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.

Излучатели: светодиоды и лазеры;
Приборы для отображения информации — индикаторы, индикаторные панели
3. Фотоэлектрические приемники излучения (фотоприемники): фоторезисторы и фотоприемники с р-п переходом;

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), GaAs_1-_xP_x (красный, оранжевый), Al_xGa_1-_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.)
Цвет	Код	тип.	макс.	Длина волны, (nm)	Средняя интенсивность свечения (mcd) (тип.)	Обратный ток Ir (mA) (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:

создание инжекции носителей в p-n переходе;
создание условий для рекомбинации неосновных носителей и соответственно для генерации излучения;
вывод излучения из объема и через поверхность полупроводника.
Длина волны (l,мкм) при излучательной рекомбинации определяется шириной запрещенной зоны (Еg,эВ) в соответствии с уравнением

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 GaAs_0,6P_0,4(а), Ga_0,65Al_0,35As(б), GaP (в), GaAs_0,15P_0,85(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 GaAs_1-_x P_x 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 GaAs_1-_x Р_x: N СИД, изменяя значения х, можно непрерывно менять цвет свечения от красного до зеленого.

В Al_xGa_1-_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. 1.13. 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 2^k сигналов ДДК, каждый из которых coответствует определенному символу. Соответственно он имеет 2^k 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 2^k 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 2^kn бит на один символ (если используются все 2^k, 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 5.10⁴-1.10⁵ч.

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 V_В 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 v_E 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 +V_PW 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 v_E, то разряд будет поддерживаться (запоминание) только в выбранной точке и нигде больше. Для гашения разряда (стирание) прикладывают импульсные напряжения +V_PE и —v_PE 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 V_A, 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 V_W имеет полярность, противоположную первоначальному напряжению возникновения разряда. При этом суммарное напряжение на разрядном промежутке падает и разряд прекращается. Напряжение V_W некоторое время сохраняется на конденсаторной структуре. В следующий момент приходит очередной импульс V_A противоположного знака, теперь напряжения V_Aи V_W складываются и превышают требуемое напряжение возникновения разряда V_i 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 V_W в определенный момент времени. Конденсаторная ячейка частично разряжается, напряжение уменьшается до такого уровня V_W, 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)

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 V_th ячейка находится в закрытом состоянии (не возбуждается). Если приложенное напряжение больше порогового V_th+, 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 == I_P sin² 2 sin² dn/,

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. 1.28. 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

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