книги из ГПНТБ / Прикладная электролюминесценция

рис. 7.5 видно, что в параметром могут возникать колебания со сдвигом фаз в л радиан. Оба типа колебаний равноценны и могут существовать в течение всего времени действия накачки, поэтому описанный параметрон называется двухстабильным.

При определенных соотношениях между частотой накачки и па­ раметрами контура возможно также создание трехстабильных па­ раметров. Трехстабильные параметроны работают в режиме «жест­ кого» возбуждения, и колебания в них возникают только в том слу­ чае, если амплитуда колебаний накачки кратковременно становится выше определенного значения. Возникшие колебания сохраняются затем и при снижении напряжения накачки до первоначального значения. Срыв параметрических колебаний и перевод параметрона в состояние с нулевым напряжением на выходе осуществляется сильным шунтированием контура малым активным сопротивлением. Схема параметрона обычно несколько сложнее приведенной на рис. 7.4 из-за введения дополнительной обмотки или даже отдель­ ного трансформатора, позволяющих согласовать нагрузку (напри­ мер, емкость ЭЛК) с выходом параметрона.

Параметрон обеспечивает хорошее соотношение сигналов во включенном и выключенном состояниях. Это его бесспорное преиму­ щество перед трансфлюксором. В то же время параметрон имеет специфические недостатки, к которым относится сложный режим питания двойной частотой и стабилизированным постоянным на­ пряжением (рис. 7.4). Кроме того, выполнение условия «трехстабильности» усложняет отбор ферритовых сердечников и других элементов параметрона. Так, например, разброс емкостей не должен превышать 2%, магнитной проницаемости сердечников 2,5% и т. д. Требуется также отбор и повторная разбраковка уже изготовленных

превышает обычную частоту возбуждения ЭЛК, выбранную из ус­ ловий замедления старения равной 400 Гц. Температурная неста­ бильность примерно такая же, как и у трансфлюксоров. Размеры сердечников: внешний диаметр 25 мм, внутренний 12 мм, высота кольца 6 мм, что также примерно соответствует трансфлюксорам.

Полевые транзисторы (униполярные транзисторы)

В отличие от обычных транзисторов, использующих носители обоих типов, существует класс полевых транзисторов [1], работа которых основана на использовании носителей только одного типа (п или р).

Рассмотрим простейшую структуру (рис. 7.6), явившуюся ос­ новой для приборов этого класса. Такой транзистор состоит из пла­ стинки л-типа, у которой на торцах имеются омические контакты, а на боковых гранях слои типа р, соединенные между собой элек­ трически и образующие с пластинкой два р— п перехода. Схема подключения пластин показана на рис. 7.6. Омический контакт, от которого движутся электроны, называется истоком, противо­ положный контакт — стоком, а р-слои — затвором. Оба р—п пере­ хода работают в обратном направлении, так как на затвор подается отрицательное напряжение.

Принцип действия полевого транзистора основан на том, что толщина слоя объемного заряда в р— п переходе зависит от при-

290

ложённого к нему напряжения. Сопротивление этого слоя велико, так как свободные электроны изгнаны из него сильным электриче­ ским полем. Поэтому рабочее сечение я-слоя равно его полному се­ чению минус толщина двух слоев объемного заряда, расширение которых под действием отрицательного потенциала сужает рабочее сечение я-слоя и тем самым меняет его сопротивление. Это измене­ ние модулирует в в ы х о д н о й цепи ток, который на много порядков

превышает управляющий ток.

В настоящее время полевые транзисторы получили широкое рас­

тенциала от затвора, представляющего собой пленку металла. На­ звание структура получила от первых букв используемых материа­ лов: металл (затвор) — диэлектрик (обычно он выполнен из дву­

нию МДП-транзистора примерно в три раза меньше, чем при со­ здании транзистора р—п—р типа.

2. Высокое входное сопротивление, достигаемое при наличии в цепи затвора слоя диэлектрика.

Кроме этих положительных свойств полевой транзистор имеет еще одно преимущество, очень существенное при его использовании в качестве элемента, управляющего свечением ЭЛК. При отсутствии заметных токов в цепи затвора и металлического электрода на за­ творе имеется принципиальная возможность использовать полевой транзистор для управления амплитудой переменного напряжения, приложенного к ЭЛК-

Первые практические результаты по применению полевого тран­ зистора для этих целей были описаны в работе [6]. Управление полевым транзистором осуществлялось электронным лучом, а само устройство представляло электронно-лучевую запоминающую трубку с электролюминесцентным экраном. Схема одного элемента такого экрана показана на рис. 7.7. На два прозрачных электрода после­ довательно нанесены слои электролюминофора, полупроводника я-типа на основе CdO и двуокиси кремния. Йа электроды подава­ лось переменное напряжение. В открытом состоянии (отсутствие на

диэлектрике отрицательного заряда) «-слой имеет высокую прово­ димость и соединяет между собой два участка слоя электролюмино­ фора, расположенные под электродами. Они оказываются подклю­ ченными последовательно к источнику напряжения и светятся под действием половинного напряжения на каждом.

Для запирания ячейки достаточно создать при помощи элек­ тронного . луча на п-слое отрицательный заряд, который увеличит сопротивление я-слоя. Напряжение перераспределителя, и электро­ люминофор перестанет излучать, если расстояние между электрода-

Рис. 7.7. Управление яркостью слоя электролюминофора электронным лучом при помощи полевого транзистора:

ми достаточно велико и слой между полосками не будет светиться. Управляющий потенциал порядка 20 В может сохраняться в течение суток. Последнее является прямым следствием высокого входного сопротивления по цепи управления. Управляющие слои получены методом распыления кадмия и кремния в атмосфере кислорода.

7.2. СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УПРАВЛЯЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Применение сегнетоэлектриков в качестве управляю­ щих и запоминающих [7] элементов позволяет получить малогабаритное устройство для хранения и воспроизве­ дения световой информации (предложенное Д. А. Нови­ ком). Для этого в цепь переменного напряжения вместе с ЭЛК включается сегнетоэлектрик, на который от от­ дельного источника подается управляющее напряжение. В соответствии с величиной управляющего сигнала сегне­ тоэлектрик изменяет свою емкость. Переменное напря­ жение, приложенное к цепочке ЭЛК — сегнетоэлектрик, перераспределяется, и яркость свечения ЭЛК изменяется.

292

Способность сегнетоэлектрика изменять свою емкость под воздействием постоянного (или низкочастотного) на­ пряжения связана с наличием в нем областей спонтан­ ной поляризации, так называемых доменов. Обычно до­ мены ориентированы так, что их поля взаимно компен­ сируются. С определенного значения приложенного переменного напряжения начинается переориентация доменов согласно внешнему полю. Вольт-амперные ха­

реориентация доменов. Во внешней цепи наводится боль­ шой ток и сопротивление сегнетоэлектрика падает (так называемое открытое состояние). Увеличение напряже­ ния свыше Пгр приводит к значительно более медленно­ му росту тока и падению величины емкости. На этом участке напряжение настолько велико, что все домены успевают за один период переполяризоваться, и даль­ нейшее повышение напряжения приводит к росту тока только за счет обычных процессов, происходящих в ди­ электрике.

Управляющее напряжение изменяет зависимость тока от напряжения, так как создает преимущественную ори­ ентацию доменов в одном направлении. Схематически роль управляющего напряжения показана на рис. 7.9, где сплошными линиями показаны начальные участки гистерезисной петли. Из этого рисунка видно, что при нулевом управляющем напряжении (I положение) воз­ можна переполяризация всех доменов. С повышением

293

Рис. 7.9. Зависимость величины пере-

управляющего напряжения переполяризуется (II положение)

стый титанат висмута), варикондов и других имеют бо­ лее сложную зависимость тока от напряжения (рис. 7.10). Однако основной характер зависимости / = =f(U~, U= ) сохраняется. Для отображения основных особенностей сегнетоэлектриков и выделения их общих свойств удобно все многообразие вольт-амперных ха­ рактеристик представить в виде аппроксимационных графиков, изображенных отрезками прямых линий (рис. 7.11). Такое упрощение реальных характеристик позволяет сразу же получить простые формулы, дающие связь между светотехническими параметрами индикато­ ра и параметрами сегнетоэлектрика.

Приведенные упрощенные характеристики соответст­

с определенного значения напряжения, происходит рез­ кий излом вольт-амперной характеристики: ток остается постоянным (или почти постоянным) в области i/„ > -

17Гр.

294

Вывод основных расчетных соотношений

Семейство кривых рис. 7.11 не имеет прямой анало­ гии с характеристиками электронных ламп, однако для него можно использовать методы расчета, известные из теории усилительных схем i[8]. Поскольку ячейка состоит из последовательно соединенных сегнетоэлектрического и электролюмипесцентного конденсаторов, напряжение на них находится в одной и той же фазе и возможно опре­ деление рабочего режима с помощью нагрузочной ха­ рактеристики. Последняя представляет вольт-амперную характеристику ЭЛК, построенную из точки Нр, где

Up — рабочее напряжение на ячейке. Из рис. 7.11 сле­ дует, что для получения максимального тока через це­ почку при минимальном падении напряжения на сегнетоэлектрике нагрузочная прямая должна проходить че­ рез точку излома А. В этом случае падение напряжения на открытом сегнетоэлектрике будет равно Нгр, а на ЭЛК Up—U rр. Отсюда связь между рабочим напряже­ нием и параметром сегнетоэлектрика описывается уравнением

где С — емкость ЭЛК.

Напряжение на ЭЛК в открытом и закрытом состоя­ ниях сегнетоэлектрика будет описываться уравнениями

295

Уравнения (7.3) — (7.5) получены из условия, что схема представляет обычный емкостный делитель напряжения с различным значением емкости сегнетоэлектрика. Это условие применимо, если только зависимость тока от напряжения линейна.

Для описания качества изображения без полутонов достаточно двух параметров:

Д7У=£/эЛтах ^ Д л т т И Д — 'f/эл тах/£7эл min-

Подставляя в (7.6) и (7.7) значение Нгр из уравнения (7.3) и вводя обозначения 1с= С0/С3; М = С /С 3, приходим

к выражениям

Несмотря на упрощения, сделанные при выводе формул, их точность достаточна для оценочных расчетов. Вообще же формулы, описывающие сегнетоэлектрические управляющие элементы, не могут претендовать на большую точность вследствие разброса параметров сегнетоэлектриков не только при переходе к другому сегнетоэлектрическому материалу, но также и в пределах одной партии. В- полученных формулах учет разброса параметров достигается изменением параметра Urp. Фор­ мулы (7.9) и (7.10) позволяют полностью рассчитать систему сегнетоэлектрик — ЭЛК и благодаря этому обеспечить оптимальный режим работы. Из них следу­ ет, что исходными параметрами для сегнетоэлектрика являются: /с, Urp и С3, для ячейки в целом Д и AU. Вы­ бор реального значения Д должен основываться на тре­ бованиях к контрасту изображения. Обычно достаточно контраста /С=40-5-50. Однако, учитывая разброс пара­ метров элементов, особенно сегнетоэлектриков, жела­ тельно иметь расчетную величину /С == 60 -н 100. На осно-

296

Из приведенных расчетов следует, что наиболее перс­ пективным материалом является триглицинсульфат. Однако он имеет недостатки: узкий температурный диа­ пазон сохранения свойств, малую механическую проч­ ность, и кроме того, в присутствии влаги его диэлектри­ ческие свойства ухудшаются. Все это сильно усложняет как изготовление устройств с применением триглицин­ сульфата, так и их эксплуатацию. Особенно неудобна сильная зависимость его свойств от температуры. Вы­ ше 50 °С он полностью теряет свои управляющие свой­ ства ((/гр стремится к нулю), а уже при 10— 15°С «замо­ раживается» в одном из состояний и не переполяризуется (£/гр сильно увеличивается, заставляя менять режим возбуждения ячейки).

В последнее время появились работы [9], описываю­ щие способ существенного расширения температурного диапазона сегнетоэлектриков в область низких темпера­ тур, основанный на том, что частая переполяризация сегнетоэлектрика вызывает его разогрев.

Крутизна управления

Крутизна управления равна отношению приращения напряжения на ЭЛК к величине управляющего напряже­ ния, вызвавшего это приращение,

r=At//£/ynP. (7.11)

Из рис. 7.9 следует, что соотношение между управ­ ляющим напряжением, которое запирает сегнетоэлектрик, и приложенным к сегнетоэлектрику переменным напряжением описывается выражением

Здесь коэффициент 1,4 дает возможность пересчитать эффективное значение напряжения I/_с на сегнетоэлектрике в амплитудное, а величина Un учитывает влияние ширины гистерезисной петли. Роль Un ясна из условия, когда l,4U~c = Un- В этом случае даже при нулевом управляющем напряжении сегнетоэлектрик будет заперт.

2 9 7

Точному соблюдению уравнения (7.12) мешает инерцион­ ность сегнетоэлектриков и разброс их параметров. Мак­ симальное напряжение на запертом сегнетоэлектрике определяется формулой U ~ c = C U pJ( С + С3) . Подставляя это значение t/~c в уравнение (7.12) и пренебрегая ве­ личиной U a, имеем

Таким образом, крутизна или коэффициент усиления по напряжению в этой схеме всегда меньше единицы. Аналогичный результат получается в схемах диэлектри­ ческих усилителей, которые являются более сложным вариантом описанной ячейки. Термин «усилители» в приборах этого типа возник вследствие возможности получения на них усиления по мощности при неизбеж­ ном уменьшении выходного напряжения. Малая крутиз­ на преобразования приводит к большим амплитудам управляющего напряжения порядка 150—200 В. Как правило, это настолько усложняет схему управления и увеличивает ее размеры, что устройство в целом стано­ вится непрактичным.

Для повышения крутизны управления в несколько раз было предложено перейти к импульсному возбуж­ дающему напряжению. Способ основан на том, что при длительном воздействии переполяризация сегнетоэлек­ триков может быть осуществлена сколь угодно малым напряжением. Время переполяризации и амплитуда переполяризующего напряжения связаны примерным со­ отношением

Uin^UzXz. (7.15)

Здесь U1 и U2 — амплитуды разнополярных импульсов, приложенных к сегнетоэлектрику, a xi и х2 — их длитель­

ности. Отсюда следует, что параметры гистерезисной петли, в частности Uv-, сильно зависят от формы напря­ жения. Смещение переменного напряжения на величи­ ну переполяризующей полуволны запирает сегнетоэлектрик. Таким образом, выбрав вместо синусоидального импульсное напряжение, достаточное для возбуждения ЭЛ К, и выполнив условие (7.15), получаем условие от­ крытого сегнетоконденсатора, когда все импульсное на-

298

пряжение оказывается приложенным к ЭЛК. Запирание обеспечивается напряжением, равным

Переходя к более удобному параметру импульсного на­ пряжения— скважности q, получаем

Последнее уравнение верно также и для синусоиды, если считать, что для нее q — 2 .

Из формулы (7.17) следует, что желательно неогра­ ниченное увеличение q. Практически же увеличение кру­

ная крутизна будет при совпадении полярностей управ­ ляющего и возбуждающего напряжений.

Следует, отметить, что соотношение (7.15) не всегда

2 9 9