Лекция 16 Вакуумные люминесцентные индикаторы
Физической основой работы этих приборов служит явление низковольтной катодолюминесценции (НВК), т.е. свечение люминофора при бомбардировке его медленными электронами (с энергией до 100 эВ). В отличии от высоковольтной катодолюминесценции, широко используемой в ЭЛТ, при НВК электроны тормозятся и поглощаются в тонком поверхностном слое. Различают несколько механизмов передачи энергии электрона кристаллу:
взаимодействие с валентным электроном и его перевод на верхние уровни свободной зоны (образование «горячих» электронов);
взаимодействие с кристаллической решеткой и возбуждение упругих колебаний в объеме (объемные плазионы) и на поверхности (поверхностные плазионы);
взаимодействие с отдельными атомами кристаллической решетки практически без потерь энергии.
Сами плазионы недолговечны (живут – 10-15 с) и при их затухании в результате внутренней инверсии образуются свободные электроны. Пороговые уровни образующихся плазионов 10…20 В. Возбуждение валентных электронов требует еще меньшего потенциала.
Образовавшиеся свободные носители стекают вглубь люминофора, поэтому процесс их рекомбинации идет так же, как и при высоковольтной катодолюминесценции (спектры излучения практически совпадают). Предельный КПД составляет 30%, квантовый выход люминесценции не превышает 1. Это требует для эффективного протекания НВК существенно больших плотностей тока и меньших скважностей упр-х им-сов, т.е. сверхскоростное сканирование электронным лучом, как в ЭЛТ, в случае НВК невозможно.
Устройство ВЛИ традиционно для электровакуумных приборов: в цилиндрическом или плоском вакуумном баллоне монтируется керамическая плата, на которой размещены контактные площадки (в виде сегментов) с пленкой люминофора Иногда на той же плате располагается управляющая МДП микросхема.
Достоинствами ВЛИ являются отличные эргономические свойств, высокая яркость, приятный для глаз зеленый цвет свечения, широкий угол обзора, отсутствие паразитной засветки, полное сопряжение с МДП микросхемами по уровням напряжения и тока, возможность изготовления знакомест практически любого размера, хорошие эксплуатационные свойства, возможность работы в экстремальных климатических и механических воздействиях, технологичность и низкая стоимость, отсутствие дорогостоящих и редких материалов.
Другие разновидности индикаторов
Газоразрядные индикаторы используют люминесценцию газового разряда. Основой их работы является газоразрядный промежуток, заполняемый неоном (оранжевое свечение), гелием (желтый), аргоном (фиолетовый) и их смесями.
В газоразрядных индикаторах используется как пакетная конструкция в виде стеклянного баллон, содержащего набор из 10 изолированных котодов, высвечивающих разные цифры. Имеется сегментная конструкция газоразрядных индикаторов. Зажигание и поддержание газового разряда требует высокого напряжения до сотен В. Поэтому, приборы их использующие, сложны, громоздки и неэкономичны.
Лишь создание крупноформатных плоских экранов с газоразрядным свечением открыло перед этим направлением широкие перспективы.
Вакуумные накальные индикаторы относятся к разряду неперспективных оптоэлектронных индикаторов. Основаны на свечение за счет накала вольфрамовой нити. Однако рекордно высокая яркость и отличные эксплуатационные свойства (температурная, радиационная стойкость и долговечность) обуславливают их внеконкурентность в ряде специальных областей применения.
Электролюминесцентные (порошковые) индикаторы основаны на пред пробойной люминесценции, которая характерная для порошкообразных люминофоров.
Типичный способ её реализации состоит в следующем. Порошок сернистого цинка, активированного медью, серебром или марганцем, размешивается в связующем диэлектрике и помещается между обкладками конденсатора, одна из которых прозрачная. При приложении к конденсатору достаточно большого напряжения в зернах люминофора образуются свободные электроны (имеет место туннельный механизм и лавинное размножение носителей заряда). Оставшиеся после ухода электронов, дырки зах-ся ловушками, служащими центрами свечения. В следующий полупериод, электроны возвращаются к центрам свечения, рекомбинируют с дырками вызывая свечение.
Вследствие большого числа разрешенных переходов спектр этого излучения достаточно широк, квантовый выход невелик, очень затянуто (до долей секунды) послесвечение.
Этот тип индикаторов получил заметное распространение благодаря таким свойствам, как высвечивание очень больших площадей (десятки м2), многоцветность, простота изготовления. Однако малая светоотдача и очень низкая яркость, сложность возбуждения (переменное напряжение 220 В, 1000 Гц), недолговечность (порядка 3..5 тыс. часов) предопределили ограниченность применения этих индикаторов.
Порошковая электролюминесценция получила развитие в полупроводниковых индикаторах.
Элетктрохромные индикаторы (ЭХИ) рассматриваются как возможная альтернатива ЖКИ. Основа хи действия электрохромный эффект, т.е. обратимое изменение цвета материала при протекании электрического тока. Различают два типа ЭХИ.
Ячейка тонкопленочной ЭХИ
В тонкоплёночном ЭХИ при подаче на непрозрачный электрод отрицательного напряжения в тр…..сь вольфрама инжектируются электроны и в нем возникают центры окрашивания – пленка становится густо синего цвета. При перемене полярности слой диэлектрика препятствует инжекции электронов снизу и ранее введенные электроны собираются анодом – окраска исчезает.
Другой электрохромный эффект связан с процессом восстановления – окисления таких органических соединений как феллогены. В феллогеной ячейке электроды выполнены из окислов переходных металлов, а электролит может быть твердым (например, перхлорат лития в органическом растворителе феллогене), жидким, либо пористым. При приложении напряжения (1…2 В) между электродами в зависимости от полярности приложенного напряжения происходит либо окрашивание участка электрода (осаждение «окрашенных» молекул на катоде) либо их обесцвечивание.
Особенности ЭХИ: экономичность (малые напряжения и заряд перекрашивания); большой угол обзора; широкий диапазон рабочих температур (до 150°); наличие памяти (записанное состояние может хранится годами при отсутствии питания).
Недостатками являются: деградационные эффекты (коррозия электрохромного металла); значительная инерционность перекрашивания (секунды) и сложность матричной адресации из-за непорогового характера переключения.