1.3. Екрани

Успіхи мікроелектроніки, створення апаратури на основі мікропроцесорів особливо контрастно виявили протиріччя між пристроями обробки інформації і її відображення на дисплеях і в телебаченні (ТБ). Недоліки ЕПТ, відсутність принципових шляхів їхнього подолання фактично визначають неможливість комплексної мікромініатюризації в цій області техніки. Питання про недосконалість колишніх засобів індикації виникло після появи транзисторів: саме невідповідність мініатюрних, низьковольтних, твердотілих транзисторів, з одного боку, і громіздких високовольтних газорозрядних і розжарювальних індикаторів - з іншої, стимулювало дослідження, які привели в кінцевому рахунку до появи НПI, РКI, ВЛI, що вдало доповнили транзисторну електроніку.

Необхідність заміни ЕПТ оптоелектронним аналогом збіглася за часом з висуванням нових перспективних вимог до дисплеїв і ТБ -екранам, що визначають майбутнє цієї області техніки. Сукупність цих вимог для екрана представляється в такий спосіб. Екран повинен забезпечити його справжню комфортність, збільшені (у порівнянні з існуючими ТБ - приймачами) габаритні розміри (понад 1,5 м по діагоналі), передачу і прийом об'ємних зображень. Установлено, що деяке наближення до відчуття об'ємності дає «ефект присутності», який забезпечується крупноформатним екраном.

Наступна вимога - уже прийнята для телебачення підвищеної чіткості - полягає в доведенні числа елементів розкладання до (12001200). Це автоматично веде до підвищення тактової частоти сканування до декількох десятків мегагерц, стосовно до оптоелектронного екрана необхідна відповідна зміна організації схеми керування. Крупноформатний екран повинен являти собою матрицю з фіксованими знакомісцями - при цій умові забезпечується необхідна різкість по всьому полю. Обов'язковою є вимога кольоровості, а також відтворення необхідної кількості градацій сірого. Виняткове значення здобуває сумісність растра великого екрана з мікроелектронними схемами керування: малі напруги і струми збудження, можливість мультиплексного режиму, наявність пам'яті у світлоконтрастних комірках, граничний характер вольтів - яскравої характеристики світіння.

Іншим важливим стимулом створення екранів високої інформаційної ємності є прогрес в області дисплеїв, покликаний забезпечити «комп'ютеризацію» усіх видів людської діяльності. Тому зрозуміло, що їхньою якістю в значній мірі будуть визначатися і продуктивність праці, і задоволеність людини цією працею.

Історично першим кроком при створенні оптоелектронних екранів з'явилася розробка газорозрядних індикаторних панелей (ГIП), які називаються також плазмовими панелями. Основу конструкції такої найпростішої панелі (рис. 1.11) складає центральна мозаїчна пластина, що служить для ізоляції розрядних проміжків один від одного. Відстанню між сусідніми осередками визначається роздільна здатність екрана (звичайно 10 ... 20 лін/см). Електроди до комірок виконуються у вигляді системи двох взаємно ортогональних

Рис. 1.11. Улаштування плазменної панелі змінного струму:1 - захисна плівка; 2 - центральний діелектрик з комірками; 3 - системи верхніх і нижніх електродів; 4 - склоцемент; 5 - скляні пластини; 6 - зовнішній вивiд; 7 - фіксатор; 8 - штенгель

дротових і тонкоплівкових наборів. Схеми керування розташовують на задній стороні панелі.

У деяких різновидах ГIП, переважно малої і середньої інформаційної ємності, використовується принцип самосканування. Для цього в центральній пластині роблять спеціальні отвори, що з'єднують певним чином сусідні комірки. Тоді запалений стан, створений в одній комірці, послідовно переміщається по всіх комірках

даного рядка. Виготовляють панелі постійного і змінного струмів, причому останні одержали більше поширення через меншу напругу запалювання розряду, наявності внутрішньої пам'яті в комірках, більшій довговічності. Розроблені ГIП характеризуються кількістю знакомісць 10⁴… 10⁶, високою контрастністю (до 90%), можливістю висвічування будь-яких за розміром знаків від 3 до 100 мм і, найголовніше, придатністю для виготовлення табло колективного користування площею до декількох квадратних метрів. Практично ГIП поза конкурентні серед інших дуже крупно форматних плоских екранів для відображення цифро-буквеної і графічної інформації. Разом з тим у ГIП не вдається реалізувати яскравість, кольоровість, передачу півтонів, необхідних для телебачення.

Найбільші успіхи в створенні плоских ТБ - екранів досягнуті при використанні рідких кристалів. Основна причина цього - мала споживана потужність, що дозволяє різко спростити схеми керування; крім того, РК - екрани конструктивно прості, мало чим відрізняються від елементарної комірки. Особливо привабливий цей напрямок тим, що він відкрив принципову можливість інтеграції відображального растра і схеми керування. Найбільш перспективна для цього технологія аморфного кремнію. На скляній підкладці створюється плівка а—Sі_1-хН_х, яка за допомогою лазерного відпалу по периферії перетворюється в полікристалічну. У цих областях створюються швидкодіючі зсувові регістри, у центральній частині — МОП (метал - окисел - провідник) - ключі матричної адресації. Поверх плівки наливається шар рідкого кристала, зверху він обмежується скляною пластиною із загальним прозорим електродом. Завершальна стадія виготовлення екрана - герметизація структури по утворюючій. Схема комутації може виготовлятися і на основі ПЗС, у яких просто реалізується порядкове сканування. Принципова перевага аморфного кремнію перед монокристалічним полягає в можливості покриття дуже великих площ і в тім, що для створення транзистора необхідна всього одна додаткова операція фотолітографії.

При виготовленні кольорових екранів на верхній обкладці створюються тонкоплівкові оптичні фільтри, при цьому ділянки червоного, зеленого і синього кольорів групуються в тріади. Малі розміри ділянок (100100 мкм²) і їхнє щільне компонування приводять до того, що навіть на невеликій відстані (десятки сантиметрів) спостерігається змішання кольорів. Подібні інтегровані пристрої називають рідкокристалічними екранами з активною (що адресує) матрицею (підкладкою).

Інше вирішення проблеми інтеграції зв'язано з використанням у схемі керування напилених тонкоплівкових транзисторів на основі селеніду кадмію CdSe. Перевагою цього матеріалу в порівнянні з кремнієм є більш висока рухливість носіїв заряду і відповідно більша тактова частота регістрів зрушення в схемі розгорнення. Фрагмент такого інтегрованого екрана (рис. 1.12) демонструє технологічну гармонію відображального растра і схеми керування. Використання інтегрованих екранів виключає необхідність мультиплексування завдяки елементам локальної пам'яті. Тим самим переборюються основні труднощі збудження рідкого кристала, що в остаточному підсумку спрощує рішення проблем передачі півтонів і забезпечення кольоровості.

Матричні екрани середньої інформаційної ємності (до 10⁴ ... 10⁵ знакомісць) виготовлені на основі НВК, електрохромних ефектів, електролюмінесценції в порошкових люмінофорах. У цих пристроях в основному повторюються переваги і недоліки відповідних ЗСI.

Рис. 1.12. Фрагмент інтегрованого рідкокристалічного екрана:1 - загальний електрод; 2 - рідкий кристал; 3 - діелектрик; 4 - ізолятор місць перетинання; 5 - запам'ятовуючий конденсатор; 6 - вихідна контактна площадка; 7 - електрод стоку; 8 - селенід кадмію; 9 - електрод затвора; 10 - поляризатор; 11 - скляні пластини; 12, 13 - дифузійний відбивач

Після майже чвертьвікових досліджень отримані оптимістичні результати в розробці тонкоплівкових напівпровідникових індикаторів. У приладах постійного струму інжекція зарядів у люмінесцірующу плівку здійснюється шляхом створення гетеропереходу чи МДП (метал-діелектрик-провідник)- структури з тунельно - тонким діелектриком. Спадання напруги на структурі лежить у межах від одиниць до декількох десятків вольтів, при цьому яскравість досягає 10² ... 10³ кд/м², що значно більше, ніж у порошкових ЕЛІ. Однак у тонкоплівкових індикаторах постійного

струму не вдається цілком перебороти деградаційні процеси в напівпровіднику, що обумовлено міграційними ефектами під дією температури, електричного струму чи напруги.

Реальним рішенням проблеми деградації з'явилося створення тонкоплівкових індикаторів змінного струму (рис. 1.13). Тут активний шар напівпровідника «затиснутий» між двома діелектричними шарами і не взаємодіє з металевими електродами. Таким чином, комірка представляє МДПДМ (метал – діелектрик – провідник –діелектрик - метал) - структуру, механізм світіння багато в чому подібний описаному для ЕЛІ.

Основний напівпровідник - це ZnS(Mn), як діелектрики використовуються SiO₂, Аl₂О₃, TiO₂, Y₂O₃ і ін.; основний метод нанесення - вакуумне випаровування та іонно - плазмене розпилення.

Рис. 1.13. Фрагмент тонкоплівкового напівпровідникового індикатора змінного струму:1 - сегментний електрод; 2, 4 - діелектрик; 3 – напів-провідник; 5 - загальний прозорий електрод; 6 - скляна основа

Особливості тонкоплівкових індикаторів полягають у високій яскравості, широкому виборі можливих кольорів світіння, різко вираженому порозі і суперлінійності вольт-яскравісної характеристики, відносній простоті виготовлення, можливості одержання великих світних площ. У цих приладах використовуються практично ті ж люмінофори, що й у ЕПТ, тому принципово можуть бути досягнуті й аналогічні ергономічні параметри. Основний недолік - складність керування, очевидно, може бути переборений при використанні інтеграції зі схемою керування (так само, як у РК- екранах).

Успіхи в розвитку оптоелектронних екранів привели до нових ідей у традиційної ЕПТ-техніки: створений ряд конструкцій плоских кінескопів. В одному з них (рис. 1.14, а) спеціальний пристрій, що відхиляє, згинає траєкторію променя; в іншому (рис. 1.14, б) скануюча і збуджуюча функції електронного променя розділені - для збудження використовується мікроканальна пластина; на рис. 1.14, в гібридно об'єднані елементи ГIП і ЕПТ.

Отже, оптоелектронні екрани можуть бути розділені на три групи приладів:

1. Матричні універсальні індикатори, функціонально подібні ЗСI для відображення значних масивів цифро-буквеної, символьної, графічної інформації. Серед них домінують ГIП (крупно форматні екрани), ВЛI і РКI (екрани малих і середніх розмірів).

2. Екрани, що виконують функції портативних дисплеїв універсального призначення, придатних для відображення символьної і образної інформації. Вони виготовляються головним чином на основі РК.

3. Крупноформатні екрани телевізійного призначення. Можливе їхнє одержання у вигляді інтегрованих РК- екранів або у вигляді тонкоплівкових напівпровідникових панелей змінного струму.

Рис. 1.14. Плоскі ЕПТ-індикатори: а - зі скривленим електронним променем (1 - люмінофор; 2 - електронний промінь; 3 - система, що відхиляє; 4 - напрямок спостереження); б - з мікроканальним множенням (1 - лінза, що повертається; 2 - електронний промінь; 3 - мікроканальна пластина; 4 - система, що відхиляє; 5 - електронна гармата); в - з газовою плазмою (1 - область газового розряду; 2 - катод; 3 - люмінофорний екран; 4 - область електронного потоку; 5 - керуючий матричний електрод

Контрольні запитання

1. Розкрити способи синтезування зображень у ЗСI.

2. Розкрити фізіологічні основи індикаторної техніки.

3. Пояснити будову напівпровідникових індикаторів (НП I).

4. Пояснити будову рідкокристалічних індикаторів (РКI).

5. Пояснити будову однорозрядного вакуумного люмінесцентного індикатора.

6. Пояснити будову газорозрядних індикаторів.

7. Пояснити будову вакуумних розжарювальних індикаторів.

8. Пояснити будову електролюмінісцентних індикаторів.

9. Пояснити будову електрохромних індикаторів (ЕХI).

10.Пояснити будову сегнетокерамічних і магнітооптичних індикаторів

11. Пояснити будову плазменної панелі змінного струму.

12. Пояснити будову фрагмента інтегрованого рідкокристалічного екрана.

13. Пояснити будову тонкоплівкового напівпровідникового індикатора.

14. Пояснити будову плоских ЕПТ-індикаторів.