СВМБМ

группы: активные, в которых электрическая энергия непосредственно преобразуется в свет, и пассивные, которые только модулируют внешний световой поток.

Основные преимущества активных индикаторов: высокое быстродействие, способность работать при малой освещенности окружающей среды и большой угол обзора. По этим параметрам пассивные индикаторы уступают активным, но зато сохраняют контраст при высокой освещенности и потребляют значительно меньше электрической энергии.

В группу активных индикаторов входят : 1)полупроводниковые, 2)электролюминисцентные, 3)вакуумные люминисцентные, 4)газоразрядные, 5)накаливаемые вакуумные;

К пассивным индикаторам относятся: 1)жидкокристаллические, 2)электрофорезные, 3)электрохромные, 4)сегнетокерамические.

Полупроводниковые индикаторы (светодиодные индикаторы).

Полупроводниковые индикаторы представляют собой твердотельные приборы, работающие на p-n - переходах и применяются для отображения знаковой информации при относительно небольших размерах символа и ограниченном числе знакомест. Одной из отличительных особенностей ППИ является их совместимость по электрическим характеристикам с обычными интегральными микросхемами. При напряжении питания 3…5 В ППИ обладают малой инерционностью (менее 50 нс) и небольшими габаритами.

Первые полупроводниковые светоизлучающие приборы (на основе карбида кремния - SiC) были созданы советским ученым О.В. Лосевым в 1922г., который также заложил основы современных представлений о механизме излучения (электролюминесценции) и возможных применениях светоизлучающих p-n переходов.

Рассмотрим коротко физические основы работы ППИ.

Различают электролюминесценции инжекционную, возникающую при прохождении тока через прямосмещенный p-n - переход (эффект Лосева) и, предпробойную, появляющуюся при наложении на слой люминофора сильного электрического поля (эффект Дестрио). На первом из этих эффектов основано действие ППИ, на втором - электролюминесцентных индикаторов (ЭЛИ).

Представим этапы генерации света p-n - переходом с помощью рис.5.2.

сближения образуют определенные энергетические зоны. В так называемой валентной зоне располагаются электроны, обеспечивающие связь атомов в кристалле. Отдельные электроны под воздействием тепловой энергии могут переходить в другую зону, называемую зоной проводимости. При этом переходе образуется свободное энергетическое состояние, получившее название дырка. Электроны и дырки рассматривают как своего рода частицы, имеющие соответственно отрицательный и положительный заряды. Введение в материал полупроводника определенных примесей создает избыток электронов или дырок, образуя область проводимости n- или p-типа. Когда области обоих типов выполнены в одном кристалле, они образуют p-n - переход.

Обычно возвращаемая энергия выделяется в виде тепла, однако при определенных условиях (сохранение энергии и импульса при рекомбинации) происходит излучение фотона. Эти условия обеспечиваются в ряде материалов, таких как фосфид галлия (GaP), арсенид галлия (GaAs) и в их сплавах с легированием цинком и некоторыми другими элементами. В зависимости от материала

осуществляется не с дискретных уровней, а с зон разрешенных состояний, имеющих определенную ширину, то излучение не является монохроматическим.

В таблице приведены характеристики некоторых материалов, способных создавать излучение в области видимого спектра.

При прямом смещении p-n - перехода высота потенциального барьера снижается и электроны из n-области диффундируют (инжектируются) в p-область, где они рекомбинируют с дырками. Аналогичным образом дырки из p-области могут диффундировать в n- область и там рекомбинировать (в реальных приборах преобладает диффузия только одного вида носителей, причем таковыми обычно

Больцмана; Т - температура, К; Ua - напряжение на p-n - переходе.

Первое слагаемое представляет собой диффузионный ток Iд , а

второе - рекомбинационный ток Iр в обедненной области p-n -

перехода. Так как последний обусловлен рекомбинацией на глубоких уровнях, то он не дает вклада в излучательные процессы. Тем самым последние пропорциональны только диффузионному току, т.е. сила света Iv Iд2 .

С помощью несложного преобразования вышеприведенное уравнение приведем к виду:

а для промежуточных и больших напряжений, где преобладает диффузионный ток

излучения p-n - перехода. Как известно, длина волны λ рекомбинационного излучения связана с шириной запрещенной зоны εЗ

формулой

Возможности изменения цвета свечения у СИД достаточно широки и достигаются следующими способами:

1.Смешением двух или нескольких цветов. Для этого полупроводниковый прибор должен содержать хотя бы две p-n - структуры, генерирующие излучение разных цветов, и быть прозрачным в заданном диапазоне длин волн.

2.Изменением тока однопереходной двухполюсной p-n - структуры. При

увеличении тока цвет свечения изменяется благодаря насыщению одного цвета и увеличению интенсивности другого цвета.

3.Встречным включением параллельных диодов с различным цветом свечения. При изменении полярности питающего напряжения меняется излучаемый цвет.

4.Использованием антистоксового люминофора для преобразования ИК излучения. В этом случае, например, красный цвет может создаваться излучением GaAs0,6P0,4, а зеленый - излучаться люминофором NaYF4: YB, Eu, преобразующим ИК излучение GaAs:Si.

Конструкции ППИ.

интегральных микросхем. В зависимости от размеров ППИ изготовляются по монолитной и по гибридной технологии. В первом случае - это интегральный блок светодиодов, выполненный на одном полупроводниковом кристалле. Так как размеры кристалла ограничены, то ППИ имеют малые размеры. Во втором случае излучающая часть индикатора представляет собой сборку дискретных СИД на миниатюрной печатной плате. Гибридный вариант является основным для средних и больших ППИ.

Различные варианты конструкций СИД показаны на рис. 5.5а - д. Светодиод - миниатюрный твердотельный источник света. У него отсутствует вакуумная оболочка, время готовности равно нулю, он стоек к механическим ударам и вибрациям. Простейший СИД имеет плоскую конструкцию (а). Такой диод не сложен в изготовлении и соответственно имеет малую стоимость. Однако здесь используется

форма полусферы. В результате угол выхода излучения существенно расширяется и резко снижаются потери на полное внутреннее отражение, поскольку световые лучи подходят к границе раздела полупроводник-воздух практически перпендикулярно. Эффективность полусферической конструкции примерно в десять раз превышает эффективность плоской конструкции, однако она намного сложнее в изготовлении и дороже. Типичные размеры светодиода малы, поэтому для увеличения масштаба светоизлучающего кристалла используют линзы, рефлекторы, фоконы (г,д). Применение таких устройств позволяет также повысить контраст изображения. Размеры знаков от 3 до 50 мм, что дает возможность визуально контролировать изображение на расстояниях до 10 м.

Рис. 5.5. Структуры светодиодов (а - в) и индикаторов на их основе (г,д):

1 – металлические контакты; 2 – n-область; 3 – излучающий переход; 4 – р-область; 5 – эпоксидная смола; 6 – СИД; 7 – отражающая поверхность; 8 – рефлектор; 9 – фокон (светорассеивающая пластмасса)

символов порядка 2-3 мм, в корпусе которых часто встроена увеличивающая пластмассовая линза.

Изображенный на рис.5.6 прибор состоит из ряда p- областей(сегментов), расположенных в подложке n-типа, при этом n- слой является отрицательным контактом для всех р-n - переходов. Другие контакты создаются осаждением металла на диэлектрический слой, покрывающий поверхность.

Рис. 5.6. Конструкция монолитного ППИ При изготовлении индикаторов с размером знака 7 мм или больше

предпочитают гибридную структуру, обеспечивающую заметную экономию дорогого полупроводникового материала. Конструкция такого ППИ изображена на рис. 5.7.

Для преобразования точечного свечения излучателя размером около 0.3х0.3 мм2 в свечение сегмента в слое пластмассы делаются продольные полости, заполненные светорассеивающим материалом и закрытые сверху диффузором. Иногда полость заполнена воздухом, а ее внутренние стенки покрыты отражательным слоем. Гибридная конструкция также применяется для много разрядных индикаторов.

Рис. 5.7. Конструкция гибридного ППИ:

1-сегмент; 2-светорассеивающий материал; 3-диффузор; 4-полость; 5- пластмасса; 6-излучатель

Выбор режимов возбуждения индикаторов определяется их канделамперной и вольт-амперной характеристиками. Первые были показаны ранее, вторые изображены на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Вольт-амперные характеристики полупроводниковых излучателей для прямосмещенных переходов:

1- GaAs0.6P0.4; 2 - GaAs0.35P0.65; 3 - GaAs0.14P0.86; 4 – GaP:N

Вбольшей части рабочего диапазона ток экспоненциально

сопротивления диода. Для GaAs1-xPx с увеличением х прямое падение