Управление градациями яркости и цветом

В монохромных LCD-дисплеях организация управления яркостью -происходит подача напряжения на те или иные управляющие транзисторы активной LCD матрицы.

Очевидно, что для создания полутоновых изображений с несколькими градациями яркости необходимо увеличить количество двоичных разрядов, задающих яркость. В том случае, если количество разрядов равно трём, таблица интенсивности (тонов и полутонов) изображения будет иметь вид, приведённый на Рис. 5. Схема управления яркостью приведена на этом же рисунке, где в качестве примера рассматривается ЭЛТ монитор.

Рис. 5. Таблица интенсивности и схема управления яркостью полутоновых изображений

В приведённой схеме: ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь осуществляющий преобразование трёхразрядного двоичного кода, задающего яркость точки экрана (пикселя) и поступающего из видеопамяти на регистр пикселя. ВУ – видео-усилитель, согласующий амплитуду выходного сигнала ЦАП с величиной модулирующего сигнала (Uмод), подаваемого на модулятор ЭЛТ. Ах, и Ay адреса пикселя в видеопамяти.

Для управления выводом цветных изображений используются различные модели цветности. Наибольшее распространение получила в дисплеях RGB-модель.

Ниже приведена Таблица 1 кодировки цветности, в которой к трём битам цветности (RGB) добавлен бит интенсивности (I), который увеличивает размер таблицы в два раза и позволяет получить цвет точки на экране двух градаций яркости.

Таблица 1. Кодировка цветности

I	R	G	B	Оттенок цвета	I	R	G	B	Оттенок цвета
0	0	0	0	Чёрный	1	0	0	0	Тёмно-серый
0	0	0	1	Синий	1	0	0	1	Ярко-синий
0	0	1	0	Зелёный	1	0	1	0	Ярко-зелёный
0	0	1	1	Голубой	1	0	1	1	Ярко-голубой
0	1	0	0	Красный	1	1	0	0	Ярко-красный
0	1	0	1	Розовый	1	1	0	1	Ярко-розовый
0	1	1	0	Коричневый	1	1	1	0	Ярко-жёлтый
0	1	1	1	Белый	1	1	1	1	Ярко-белый

В Таблице 2 приведены объёмы видеопамяти в зависимости от разрешения экрана и количества цветовых оттенков.

Таблица 2. Объёмы видеопамяти

Разрешающая способность	Колич. бит на пиксель	Количество цветовых оттенков	Мин. объём видеопамяти (Мбайт)
640 х 480	4 8 16 24	16 256 65536 16777216	0,25 0,50 1,00 1,00
800 х 600	4 8 16 24	16 256 65536 16777216	0,25 0,50 1,00 1,50
1024 х 768	4 8 16 24	16 256 65536 16777216	0,50 1,00 1,50 2,50
1280 х 1024	4 8 16 24	16 256 65536 16777216	1,00 1,50 2,50 4,00
1600 х 1200	4 8 16 24	16 256 65536 16777216	1,00 2,00 4,00 6,00

№2

В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора со специальной электрически изолированной областью ("плавающим" затвором - floating gate), способной хранить заряд многие годы. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации.

Плавающий затвор называется так потому, что он "плавает" в толще изолятора (двуокиси кремния), а значит, сообщенные ему однажды заряды в покое никуда деться не могут. И записанная таким образом информация может храниться десятилетиями.

Схема ячейки флэш-памяти на одном n- p- n транзисторе приведена на Рис .1.

Можно заметить, что в отличие от обычного полевого транзистора появляется дополнительный электрически изолированный затвор. Такой тип полевых транзисторов получил наименование FLOTOX, аббревиатуру от английского выражения Floating Gate Tunnel-OXide («плавающий» затвор с туннелированием в окисле).

Возникает основной вопрос, как размещать заряды на изолированном от внешних влияний плавающем затворе. И не только размещать, но и удалять их.

При записи заряд помещается на плавающий затвор одним из двух способов (зависит от типа ячейки):

- методом инжекции "горячих" электронов;

- методом туннелирования электронов.

Стирание содержимого ячейки (снятие заряда с "плавающего" затвора) производится методом тунеллирования. Как правило, наличие заряда на транзисторе понимается как логический "0", а его отсутствие - как логическая единица.

Возникает аналогия с ячейкой памяти, ведь полевой транзистор будет пропускать или не пропускать ток в зависимости от того, есть ли потенциал на затворе. Если же изолировать затвор и со стороны внешней электрической цепи, то проводник может сохранить заряд достаточно долго. Это значит, что полевой транзистор способен выступить в роли ячейки памяти, состояние которой сохранится и при отключении внешнего питания.

После многочисленных экспериментов инженеры пришли к выводу, что для хранения статического заряда нужно внести изменения в конструкцию затвора, сделав его «плавающим». Фактически «плавающий» затвор представляет собой изолированную пластину конденсатора, способную сохранять накопленный заряд

Но, что делать когда требуется изменить состояние затвора. Напомним, что «плавающий» затвор электрически изолирован от управляющего затвора, то есть, отделен от управляющего затвора слоем диэлектрика толщиной всего в десяток атомарных слоев (современные технологии позволяют добиться этого). Путем длительных экспериментов было доказано, что если подать повышенное в 2-3 раза напряжение на сток и управляющий затвор (на исток – «минус», на затвор и сток – «плюс»), то возникнет канал проводимости. «Температура» (то есть кинетическая энергия) электронов превысит средний уровень, и они смогут «пробить» слой диэлектрика. Это явление называется инжекцией «горячих» электронов (CHEI – channel hot electrons injection). В итоге заряд затвора изменится на отрицательный за счет избытка электронов, и транзистор сможет теперь реагировать на внешний сигнал, то есть сохранять информацию. Рассмотрим более подробно.

Инжекция «горячих» электронов — процесс переноса заряда через энергетический барьер, образованный тонким диэлектриком, за счет увеличения кинетической энергии электронов в канале между истоком и стоком ячейки.

Приложение положительного потенциала к стоку и управляющему затвору приводит к образованию проводящего канала и появлению тока между истоком и стоком

Электроны в канале получают высокое дрейфовое ускорение, и при напряженности электрического поля выше ~ 100 kV/cm их кинетическая энергия не успевает рассеяться на атомах кристаллической решетки, что приводит к их «разогреву». В результате электроны становятся способны преодолеть потенциальный барьер диэлектрика (рис. 2), и, при наличии «инжектирующего» электрического поля (положительный потенциал приложен к управляющему затвору) — накапливаются на плавающем затворе ячейки.

Снятие заряда с плавающего затвора основано на эффекте квантово-механического туннелирования, впервые описанного немецкими учеными Фаулером и Нордхеймом в 1928 году (FNT – Fowler-Nordheim tunneling).

Туннелирование Фаулера-Нордхейма — переход электронов в плавающий затвор при смещении потенциального барьера электрическим полем. Поле возникает при приложении разницы потенциалов между управляющим затвором (-) и истоком (+)

В результате в области истока образуется «канал», по которому происходит стекание заряда с плавающего затвора за счет туннельного перехода через потенциальный барьер.

Таким образом, если подать повышенное напряжение на исток и затвор (на исток – «плюс», на затвор – «минус»), то электрическое поле «вытолкнет» электроны к изолирующей подложке, придав им дополнительную энергию. При правильно подобранном соотношении напряжений на истоке и затворе, электроны возникнут уже с другой стороны диэлектрика! С точки зрения классической физики объяснить такое невозможно, но с позиций квантовой механики, это объясняется волновыми свойствами элементарных частиц и вероятностным характером их поведения.

Эффект туннелирования - один из эффектов, проявляющих волновые свойства электрона, его дуализм. Сам эффект заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой "толщины". Представим себе структуру, состоящую из двух проводящих областей, разделенных тонким слоем диэлектрика (обеднённая область). Преодолеть этот слой обычным способом электрон не может - не хватает энергии. Но при создании определённых условий (соответствующее соотношение напряжений на электродах и внутренние геометрические и топологические параметры ячейки) электрон возникает на другой стороне слоя диэлектрика (туннелирует сквозь него), создавая ток.

Важно отметить, что при туннелировании электрон оказывается "по другую сторону", не проходя через диэлектрик (в смысле отсутствия какой либо траектории описываемой классической механикой). Для того, что бы приблизиться к пониманию этого парадокса, напомним некоторые базовые положения квантовой механики.

Отметим различия методов тунеллирования Фаулера-Нордхейма (FN) и метода инжекции "горячих" электронов:

• Метод FN - не требует большого напряжения. Ячейки, использующие FN, могут быть меньше ячеек, использующих CHEI.

• Метод инжекции (Chenel Hot Electrons injection) (CHEI) - требует более высокого напряжения, по сравнению с FN. Таким образом, для работы памяти требуется поддержка двойного питания. Программирование методом инжекции осуществляется быстрее, чем методом FN.