1.2. Знакосинтезуючі індикатори

Напівпровідникові індикатори (НПI). З'явившись у промис-ловості наприкінці 1960-х рр. Вони визначили початок впровадження оптоелектроніки в системи відображення інформації. Фізичною основою НПI є інжекційна електролюмінесценція, що найбільше характерно виявляється в прямозонних потрійних з'єднаннях GaAsP і GaAlAs та в непрямозонному GaP.

Розроблено й використовуються кілька конструкцій напівпровідникових індикаторів (рис. 1.2). У мініатюрному моно-літному індикаторі сегменти створюються методом фотолітографії на GaAsP - кристалі з типовим розміром 23 мм. Набори таких кристалів утворюють індикатори електронних наручних годинників. Широко поширена гібридна конструкція, у якій кожен сегмент являє собою окремий випромінюючий кристал; усі сегменти монтуються на керамічну підставу і опресовуються пластмасою. Висока яскравість світіння світлодіодних кристалів дозволяє використовувати різні способи збільшення зображення: у багаторозрядних монолітно-гібридних індикаторах для цієї мети служить пластмасова моноблочна лінза; у конструкції зі світловодами кристали поміщають в основі прорізів, які конічно розширюються у пластмасовій підставі. Крупноформатні напівпровідникові індикатори групового користування (з розмірами цифр близько 100 мм) набирають з дискретних світлодіодів зі збільшеною площею світіння кожного.

Напівпровідникові індикатори знайшли широке застосування головним чином у портативній електронній апаратурі завдяки сполученню ряду корисних якостей. Насамперед, це можливість перекриття значної частини видимого діапазону спектра (від червоного до зеленого), при цьому генеруються практично спектрально чисті кольори. Друга важлива особливість полягає в повній сумісності НПI з інтегральними мікросхемами керування: напруга збудження не перевищує 1,5 ... 3,5 В, а споживаний струм може бути менш 10 ... 1 мА. Як і інші прилади на монокристалічних напівпровідниках, НПI відрізняються високою експлуатаційною надійністю і практично необмеженою довговічністю.

Удосконалювання НПI йде в декількох напрямках; поліпшення якості і зниження вартості найпростіших дискретних і семи сегментних індикаторів як приладів, що користуються найвищим попитом; створення індикаторів синього (блакитного) кольору світіння, двоколірних індикаторів і приладів з кольором світіння, що перебудовується; пошуки нових ефективних матеріалів для інжекційної люмінесценції.

Найважливіший принциповий недолік індикаторів на монокристалічних напівпровідниках - їхня безперспективність для створення крупно форматних багатоелементних екранів - основи систем відображення майбутнього.

Рідкокристалічні індикатори (РКI). Фізичну основу цих приладів складають електрооптичні ефекти в рідких кристалах (РК), іншими словами, РКI відносяться до індикаторів з пасивним растром. Рідкокристалічний стан (трактуємо як четвертий агрегатний стан речовини) характеризується одночасним сполученням властивостей рідини (плинність) і кристала (анізотропія властивостей). Такий стан виявляється для величезної кількості речовин у деякому температурному інтервалі між точкою кристалізації Т_кр (перетворення у твердий кристал) і точкою перетворення речовини в

Рис. 1.2. Напівпровідникові індикатори: а - монолітний безкорпусний (Аl - контактна металізація; р - світні р - області; n - кристал GaAsP); б - зовнішній вигляд і перетин 8 - розрядного монолітно-гібридного індикатора для калькуляторів (1 - металізована плата; 2 - кристал із семи сегментним рисунком; 3 - полімерна моноблочна кришка з лінзами); в - зовнішній вигляд і перетин гібридного індикатора (1 - кристал-світлодіод; 2 - пластмасовий корпус зі світлопроводами)

однорідну прозору рідину Т_р. У багатьох речовин інтервал Т_р ... Т_кр може складати десятки градусів, що дозволяє практично використовувати рідкокристалічний стан.

Існує три основних структурних різновиди РК: смектична, нематична, холестерична; для них характерно те, що молекули мають сильно витягнуту конфігурацію й у рівноважному стані з'являється тенденція до орієнтації цих молекул уздовж якогось переважного напрямку (рис. 1.3).

У смектичних РК молекули розташовуються паралельно їх довгим осям і утворюють у рідині шари, які чергуються, з товщиною, що дорівнює довжині молекули. У нематичному РК центри цих молекул розташовані хаотично, так що шари не утворяться. У холестеричних РК молекули також групуються в шари, причому їхні осі лежать у площинах цих шарів. Усередині кожної площини орієнтація всіх молекул однакова, а сам напрямок цієї орієнтації поступово змінюється від шару до шару, повертаючись на деякий кут.

Рис.1.3. Схематичне розташування молекул рідкого кристала нематичної (а), смектичної (б), холестеричної (в) структур

В індикаторах використовуються практично тільки нематичні РК, для яких характерні наступні особливості:

міжмолекулярні взаємодії дуже слабкі, тому структура рідини (характер взаємної орієнтації молекул) може легко змінюватися під впливом зовнішніх впливів;

в'язкість РК незначна, тому переорієнтація молекул відбувається за відносно короткий час;

має місце оптична й електрична анізотропія: значення показників заломлення і діелектричної проникності в напрямках уздовж великих осей молекул ( і ) і перпендикулярно їм ( і ) різні (РК кристали мають подвійне променезаломлення);

в залежності від знака величини розрізняють позитивну ( ) і негативну ( ) діелектричну анізотропію: при прикладанні електричного поля молекули РК першого типу орієнтуються уздовж поля, другого типу - поперек;

сильна анізотропія властивостей і можливість перебудови структури проявляються в ряді електрооптичних ефектів.

Синтезовані і РК, які використовуються, представляють собою суміші складних органічних сполук з дуже високим питомим опором

Рис. 1.4. Ефект динамічного розсіювання в рідкому кристалі: а - вихідний стан; б - орієнтація молекул поперек поля при малій прикладеній напрузі; в – виникнення турбулентності при великій напрузі

(до 10¹⁶ Ом∙см). Уведення спеціальних добавок («легування» РК) дозволяє знизити цю величину до 10⁸ … 10¹⁰ Ом∙см. Граничні нижнє і верхнє значення робочої температури звичайно лежать в інтервалах

-30 ... 0 °С і +50 ... +80 °С.

Історично першим ефектом. що використано у РКI, став ефект динамічного розсіювання (рис. 1.4). Якщо до шару слабко проводящого РК із негативною діелектричною анізотропією прикласти електричне поле, то молекули орієнтуються поперек поля, а потік іонів прагне.

порушити цю орієнтацію. При деякій густині струму провідності виникає стан турбулентності (безладного коливання молекул), що руйнує раніше упорядковану структуру РК і зовні виявляє як помутніння.

Твіст-ефект спостерігається в шарі РК, підданому спеціальній попередній технологічній обробці (рис. 1.5). У зазорі між двома пластинами різними способами досягають «скручування» структури РК, тобто такого розташування молекул, коли їхні великі осі паралельні обмежуючим поверхням, а напрямки цих осей поблизу пластин взаємно перпендикулярні. У товщі рідини орієнтація

Рис. 1.5. Твіст-ефект у рідких кристалах: розташування великих осей молекул поблизу границь при відсутності (а) і прикладанні (б) електричного поля

молекул поступово міняється від верхньої граничної орієнтації до нижньої. Технологічно скручування досягається багатьма способами: натиранням скляних пластин у взаємно перпендикулярних напрямках, косим напилюванням плівок монооксидом кремнію чи германію, нанесенням шарів органічних поверхнево-активних покрить, що поверхнево-орієнтують, і т. п. Шар скрученого нематичного РК повертає площину поляризації проходящого світла на . Якщо до комірки прикласти електричне поле, то за умови позитивної діелектричної анізотропії РК усі молекули зорієнтуються уздовж поля, ефект скручування пропаде і зміни поляризації світла не відбудеться. При поміщенні на вході і виході РК комірки поляризатора й аналізатора модуляція поляризації перетвориться в амплітудну. Твіст-ефект на відміну від ефекту динамічного розсіювання є чисто польовим, а не струмовим. Це дає істотний виграш в енергоспоживанні. Крім того, при твіст-ефекті істотно більші кути огляду і вища роздільна здатність.

Ефект «гість–хазяїн» проявляється в тонких шарах нематичного РК (з позитивною діелектричною анізотропією), легованого домішками барвника (рис. 1.6). Під час відсутності поля суміш гомогенна й ефективне поглинання поляризованого світла комплексом молекула нематика («хазяїна») — молекула барвника («гість») додає шару забарвлення, характерне для барвника. Прикладання поля змінює орієнтацію молекул нематика так, що поглинання світла слабшає і шар стає безбарвним (чи слабко пофарбованим). Цінність даного ефекту для РКI полягає в можливості відображення кольорових зображень, причому свобода у виборі кольору практично безмежна.

Термооптичний ефект фазового переходу полягає в наступному. Пропускання імпульсу струму через визначену ділянку РК смектичного типу приводить до його локального нагрівання і переходу в ізотропну чи безладно орієнтовану фазу. Під час наступного різкого охолодження (після припинення імпульсу) при переході через деяку температуру РК здобуває нематичну структуру, при цьому орієнтація його молекул виявляється чуттєвою до впливу електричного поля: охолодження в присутності поля повертає речовину в прозорий стан, охолодження без поля — у сильно деформовану непрозору текстуру. Ці стани зберігаються досить довго (запам'ятовуються), завдяки чому не потрібно регенерації зображення, що в кінцевому рахунку спрощує схему керування. Стирання непрозорого стану здійснюється шляхом пропущення додаткового токового імпульсу локального нагрівання. Ефект цікавий наявністю пам'яті, що відіграє вирішальну роль при організації схем керування великими екранами.

Відомий ряд інших електрооптичних ефектів у РК, але вони значно рідше застосовуються в індикаторах. Помітимо на закінчення, що, говорячи про орієнтацію молекул, варто мати на увазі статистичний характер цього процесу; у теорії використовується вектор переважної орієнтації (директор), що усереднено характеризує розглядаємий мікрооб’єм (див. рис. 1.3).

Будова РКI досить проста (рис. 1.7): крім двох скляних пластин, між якими поміщений шар РК, у конструкцію входять елементи герметизації, плівкові прозорі електроди, що визначають конфігурацію відображуваних фрагментів, зовнішні виводи, пластини поляризатора й аналізатора (коли це необхідно). Найчастіше РКI працюють на відбиття, іноді - на просвіт.

До переваг РКI відносяться: мала споживана потужність (до 10 мкВт/см²); низька напруга збудження (2 ... 20 В) і, як наслідок, сумісність із МДН- мікросхемами; високий контраст в умовах сильної зовнішній засвітки; простота реалізації як малих (1,5 ... 3 мм), так і великих (до 500 мм) знаків; панельна плоска конструкція; широкий вибір вихідних РК; простота технологічного процесу і низька вартість.

Рис. 1.6. Ефект «гість–хазяїн»: а - орієнтація молекул під час відсутності поля (1 - молекула барвника; 2 - металеві контакти; 3 - скляні пластини; 4 - поляризатор; 5 - молекула РК); б - орієнтація молекул після прикладання напруги; в, г - спектри поглинання в не збудженому і збудженому станах

До числа недоліків РКI відносяться вузький діапазон робочих температур, складність мультиплексного режиму роботи (через відносно повільну переорієнтацію молекул), необхідність зовнішньої засвітки, невеликий кут огляду.

Основні напрямки розвитку РКI зв'язані зі створенням великих екранів (див. § 1.3), забезпеченням багатоколірності, поліпшенням експлуатаційних властивостей.

Вакуумні люмінесцентні індикатори (ВЛI). Фізичною основою

роботи цих приладів служить явище низьковольтної катодолюмінісценції (НВК), тобто світіння люмінофора при його бомбардуванні повільними електронами (з енергією до 100 еВ). На відміну від високовольтної катодолюмінісценції добре вивченої і широко використовуваної в ЕПТ, при НВК електрони гальмуються і поглинаються в тонкому поверхневому шарі. При цьому має місце кілька механізмів передачі енергії електрона кристалу: взаємодія з валентним електроном і його перевід на верхні рівні вільної зони

Рис.1.7. Будова РКI: 1 - поляроїдні пластини; 2 - прозорі електроди; 3 - обмежувач-фіксатор; 4 — скляні обкладки

(утворення «гарячих» електронів), взаємодія з кристалічними ґратками і збудження пружних коливань в об’ємі (об'ємні плазмони) і на поверхні (поверхневі плазмони); взаємодія з окремими атомами кристалічних ґраток практично без втрат енергії. Плазмони вкрай недовговічні (близько 10^-15 с), при їхньому загасанні в результаті внутрішньої конверсії утворяться вільні електрони. Граничні енергії утворення плазмонів складають 10 ... 20 В, збудження валентних електронів вимагає ще меншого потенціалу.

Рис. 1.8. Будова однорозрядного вакуумного люмінесцентного індикатора: 1 - плата; 2, 7 - провідні шари; 3 - вивід; 4 - люмінофор; 5 - екрануючий електрод; 6 - сітка: 8 - катод

Вільні носії, що утворилися, стікають у глибінь люмінофора, тому процес їхньої рекомбінації йде так само, як при високовольтній

катодолюмінісценції (спектри випромінювання практично збігаються). Граничний ККД також не може бути більш 30%, квантовий вихід люмінесценції не перевищує 1. Це вимагає для ефективного протікання НВК істотно великих густин струму і менших шаруватостей.

Отже, поріг НВК близький до 10 В; при перевищенні порога яскравість росте пропорційно і напрузі, і струму.

У якості низьковольтних катодолюмінофорів може бути використаний ряд широкозонних напівпровідників, головним чином ZnS, ZnO, CdS. На відміну від традиційних катодолюмінофорів необхідні добавки металів (Zn, Al, Eu, Ag та ін.) для надання електропровідності: у ВЛI струм електронного бомбардування протікає через люмінофор, при цьому не повинно відбуватися великого спадання напруги, що «запирає» поверхню.

Будова ВЛI традиційна для електровакуумних приладів (рис. 1.8). У циліндричному чи плоскому вакуумному балоні монтується керамічна плата, на якій розміщені контактні площадки (у формі сегментів) із плівкою люмінофора. Іноді на тій же платі розташовується керуюча МДН- мікросхема. Емісія електронів здійснюється прямонакальним оксидним катодом, їхнє прискорення - позитивною напругою на керуючій сітці. Вакуумні люмінесцентні індикатори випускаються у вигляді одно - чи багаторозрядних цифрових і буквених індикаторів, лінійних шкал, спеціалізованих екранів середньої інформаційної ємності.

Превагами вакуумних люмінесцентних індикаторів є відмінні ергономічні властивості: висока яскравість, приємний для ока зелений колір світіння, широкий кут огляду, відсутність паразитної засвітки; повне сполучення з МДН- мікросхемами по рівнях напруги і струму; можливість виготовлення знакомісць практично будь-якого розміру; гарні експлуатаційні властивості, можливість роботи в умовах екстремальних кліматичних і механічних впливів; технологічність і низька вартість, основані на використанні автоматизованих складальних ліній електровакуумного виробництва і відсутності дефіцитних і дорогих матеріалів.

Інші різновиди індикаторів. Розглянуті рідкокристалічні, вакуумні люмінесцентні, напівпровідникові прилади фактично складають основу сучасної техніки знакосинтезуючих індикаторів сфери малоформатних систем відображення інформації. Величезний промисловий потенціал кожного з цих напрямків служить заставою того, що подібне положення збережеться довгий час. Однак специфіка споживчого попиту виправдує існування інших типів ЗСI, а також пошуки нових рішень у цій області.

Газорозрядні індикатори використовують люмінесценцію газового розряду. Основу будь-якого приладу цього класу складає елементарний газорозрядний проміжок (рис. 1.9), заповнюваний

Рис. 1.9. Газорозрядний проміжок із внутрішнім (а) і зовнішнім (б) електродами і його умовна позначка (в): 1 - діелектрик; 2 - метал; 3 - газове середовище

звичайно неоном (жовтогаряче світіння), а іноді гелієм (жовте), аргоном (фіолетове) чи іншими газами і їх сумішами. Використовується і подвійне перетворення енергії: наприклад УФ-випромінювання розряду в ксеноні, впливаючи на фотолюмінофор, викликає світіння у видимій області. При збудженні розряду постійним струмом має місце небажане розпилення матеріалу катода, тому більш перспективна робота на змінному струмі.

У газорозрядних ЗСI використовується як пакетна конструкція (балон, що містить набір з десяти ізольованих катодів, що фіксовано висвічують різні цифри), так і більш сучасна — сегментна. Запалювання і підтримка газового розряду вимагає високої напруги (до сотень вольтів), прилади складні і громіздкі, відрізняються невисокими ергономічними властивостями. Практично газорозрядні ЗСI використовуються в застарілій апаратурі, у нових розробках їх цілком витиснули ВЛI. Лише створення крупно форматних плоских екранів з газорозрядним світінням відкрило перед цим напрямком нові широкі перспективи.

Вакуумні розжарювальні індикатори так само, як і газорозрядні, відносяться до числа старих «дооптелектронних» приладів. У вакуумному скляному балоні з вольфрамових ниток сформовані цифри, які висвічуються при пропусканні через них струму. Цим приладам притаманні всі недоліки теплового випромінювання, вони громіздкі і складні, однак рекордно висока яскравість і відмінні експлуатаційні властивості (температурна і радіаційна стійкість, довговічність) обумовлюють їх позаконкурентність у ряді спеціальних областей застосування. Перспектив удосконалювання і розвитку цей напрямок, очевидно, не має.

Електролюмінісцентні (порошкові) індикатори, засновані на предпробійній люмінесценції і що використовують у якості елементарного фрагмента електролюмінісцентну комірку, одержали помітне поширення завдяки таким властивостям, як можливість висвічування дуже великих площ (десятки квадратних метрів), багатоколірність, простота виготовлення. Однак мала світловіддача і дуже низька яскравість, складність збудження (змінна напруга 220 В частотою до 1000 Гц), недовговічність (як правило, 3 ... 5 тис. годин) визначили обмеженість застосування цих індикаторів.

Принципово по - іншому електролюмінесценція проявилася в тонкоплівкових напівпровідникових індикаторах, що послужило основою розвитку одного з напрямків створення крупноформатних екранів.

Електрохромні індикатори (ЕХI) нерідко розглядаються як можлива альтернатива РКI. Основа їхньої дії - електрохромний ефект, тобто оборотна зміна кольору матеріалу при протіканні електричного струму, виявляється в одній із двох форм (рис. 1.10). У тонкоплівковій структурі на основі триоксиду вольфраму при подачі на верхній електрод негативної напруги в електрохромний матеріал інжектуються електрони і у ньому виникають центри фарбування: колір плівки стає густо-синім. При зміні полярності шар діелектрика перешкоджає інжекції електронів знизу і раніше введені електрони екстрагуються анодом - фарбування зникає. Інший електрохромний ефект зв'язаний із процесом відновлення - окиснення таких органічних сполук, як фіологени. У фіологенній комірці електроди виконані з окиснів перехідних металів, а електроліт між ними може бути твердим (наприклад, перхлорат літію в органічному розчиннику), рідким (кислота в суміші з гліцерином чи гліколем), пористим (на основі натрію й оксиду алюмінію). При прикладанні напруги (1…2 В) між електродами в залежності від полярності відбувається або фарбування ділянки електрода (осадження «пофарбованих» молекул на катоді), або їхнє знебарвлення.

Відмінні риси ЕХI - це економічність (малі напруга і заряд перефарбування), великий кут огляду, широкий діапазон робочих температур (до 150 °С) і сама головна - наявність пам'яті: записаний стан може зберігатися роками при відімкненому живленні. До їхніх недоліків відносяться насамперед деградаційні ефекти (корозія електрохромного матеріалу), а також значна інерційність перефарбування (секунди) і складність матричної адресації через неграничний характер перемикання.

Рис. 1.10. Комірки електрохромних індикаторів: а - тонкоплівкового (1 - скляна підкладка; 2 - прозорий електрод; 3 - триокис вольфраму; 4 - діелектрик; 5 - непрозорий електрод); б - з фіологенним середовищем (1 - активна плівка; 2 - прозорі електроди; 3 - ізолятор; 4 - керамічна прокладка; 5 - електроліт; 6 - скляні підкладки)

До деякої міри подібні ЕХI електролітичний і електрофоретичний індикатори: у першому при прикладанні напруги йде гальванопластичне осадження металу на катоді, що змінює його відбиваючі властивості; у другому під дією поля в рідині відбувається переміщення заряджених пігментних (пофарбованих) частинок.

Сегнетокерамічні і магнітооптичні індикатори за принципом дії, використовуваним матеріалам та будовою відповідають керованим оптичним транспарантам. Для цих індикаторів характерна мікро секундна швидкість перемикання (що важливо для організації мультиплексного збудження), наявність пам'яті, висока робоча температура (більш 100 °С), стабільність властивостей, яка властива твердотільним приладам.

Відзначимо також перспективність твердотільних блинкерних індикаторів, заснованих на тих же принципах, що й оптичні транспаранти мембранного типу .

На закінчення ще раз підкреслимо, що незважаючи на інтенсивні пошуки (і знахідки) нових індикаторних засобів, домінуючими в цій області техніки залишаються вакуумні люмінесцентні, напівпровідникові й особливо рідкокристалічні знакосинтезуючі індикатори.