1.4.Электролюминесцентные индикаторы

Электролюминесценция — это явление светового излучения, возникающее при приложении электрического поля к полупро­воднику, в частности к люминофору. В 1936 г. француз Дестрио открыл явление внутренней или собственной электролюми­несценции. Это явление, например, возникает в порошкообраз­ном люминофоре типа ZnS, диспергированном в диэлектрике между обкладками конденсатора, на который подается пере­менное напряжение. Инжекция носителей из электродов в лю­минофор при этом отсутствует. Такой тип люминесценции на­зывают дисперсной или предпробойной. В отличие от этого электролюминесценция, возникающая при напылении слоя изоляции электронным пучком или высо­кочастотным распылением, называется тонкопленочной элект­ролюминесценцией.

Возникно­вение дисперсной и тонкопленочной электролюминесценции может быть вызвано также действием постоянного тока. Воз­никновение этих типов электролюминесценции объясняется тем, что часть элемента (конструкции), соприкасающаяся с люминофором, имеет диодную характеристику и благодаря ин-жекции носителей возникает свечение. Так как тонкопленочная электролюминесценция возникает при приложении постоянного напряжения порядка 10 В, то пусковая схема может быть простой, что является ее несомненным достоинством.

Достоинством дисперсной электролюминесценции является простота изготовления индикаторной панели, однако длитель­ность этой электролюминесценции мала, а надежность невысо­кая, что является ее недостатком.

Тонкопленочная электролюминесценция переменного тока возникает при высоком пусковом напряжении порядка 100— 200 В, поэтому пусковая схема оказывается сложной, что яв­ляется недостатком. Однако длительность этой электролюмине­сценции велика, а надежность высокая, поэтому она находит практическое применение в индикаторных панелях.

Тонкопленочная электролюминесценция переменного тока

На рис.24 показано поперечное сечение тонкопленочного электролюминесцентного прибора с двухслойной изоляцией, возбуждаемого переменным током. Он представляет собой конструкцию, в которой слой сульфида цинка (ZnS) с добавкой марганца (Мп) заключен между двумя слоями изоляции. Эта конструкция, за исключением того, что толщина излучающего слоя составляет 0,5—1 мкм, полностью аналогична конструк­ции прибора с дисперсной электролюминесценцией переменного тока. Если к электродам приложить напряжение переменного тока и создать в излучающем слое напряженность электриче­ского поля порядка 10⁶ В/см, то в приборе возникает свечение (электролюминесценция). Цвет свечения желтый с шириной спектра порядка 50 нм. Поскольку ширина спектра здесь боль­ше, чем ширина спектра газоразрядного индикатора, то инди­кация оказывается более ясной.

Рис. 24. 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.25 приведены характеристики прибора с тонкопленочной электролюминесценцией со структурой элект­род— слой изоляции — электролюминесцентный слой

Действующее значение напряжения, в

Рис.25. Характеристики тонкопленочной электролюминесцентной ячейки со структурой электрод—диэлектрик—электролюминофор при различной тол­щине слоев структуры. Для сравнения приведена характеристика ячейки с двухслойным диэлектриком (кривая 4). 1—ZnS: Mn—0,25 мкм; Sm₂O₃— 0,1 мкм; 2— ZnS: Мп—0,5 мкм, Sm₂O₃ —O,2 мкм; 3—ZnS: Mn—0,6 мкм. Sm₂O₃—0,4 мкм; 4— Sm₂O₃—0,4 мкм, ZnS: Мп—0,6 мкм, Sm₂O₃ — 0,4 мкм.

Введение в центры электролюминесценции редкоземельных фтористых соединений приводит к различным цветам свечения. Используя этот метод, можно осуществить цветное воспроиз­ведение, однако яркость свечения цветов, за исключением жел­того, пока еще низкая. Двухслойная структура изоляции препятствует ухудшению параметров прибора, связанных с отслаиванием пленок, смеще­нием зависимостей между яркостью и напряжением и т. д. По­этому индикаторная панель с такой структурой имеет высокую надежность. Тонкопленочный электролюминесцентный слой, представляющий собой люминофор из ZnS с 5%-и добавкой Mn, помещается между слоями изоляции из Si₃N₄ в виде «сандвич»-структуры. На стеклянную подложку методом элек­тронно-лучевого напыления наносится слой In₂O₃, из которого фототравлением изготовляется электрод шины данных. Поверх слоя In₂O₃, напыляется двойной слой изоляции и электролюми­несцентный слой. Далее напыляется слой А1, из которого фо­тотравлением получается электрод развертки. Над ним сверху устанавливается герметизирующее стекло. Для защиты от сы­рости заливается кремнийорганическое масло.

Возбуждение активного матричного индикатора

На рис.26 показана схема возбуждения переменным током тонкопленочного электролюминесцентного активного матрично­го индикатора. Один электрод электролюминесцентной ячейки присоединяется к источнику питания для возбуждения пере­менным током, другой — к переключающему транзистору. При­кладывая к ячейке напряжение от источника питания, осуществляют индикацию информации в соответствии с открытым или закрытым положением переключающего транзистора. Ча­стоту возбуждения электролюминесценции можно установить независимо от того, находится ли переключающий транзистор в открытом или закрытом состоянии. Поэтому даже при увели­чении числа индицируемых элементов изображения яркость изображения не падает и возможна индикация без мерцаний. Управление транзисторами осуществляется по активной цепи возбуждения матрицы, а с помощью накопительного конденса­тора, реализуется фиксация переключения.

Рис. 26. 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.

ЛИТЕРАТУРА

1. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника - М.: Советское радио, 1977, 232 с.

2. Шарупич Л.С., Тугов Н.М. Оптоэлектроника – М.: Энергоатомиздат, 1984. 256 с.

3. Основы оптоэлектроники, под ред. Голанта К.М.– М.:Мир,1988,285 с.

4. Ермаков О.Н., Сушков В.П. Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы – М.: Радио и связь, 1990, 239 с.