Чувствительность фотокатода зависит от длины волны излучения. Эта зависимость S = f(л) называется спектральной характеристикой и может быть двух видов (рис. 22.1). Кривая 1соответствует нормальному фотоэффекту, который наблюдается у толстых катодов из чистых металлов, а кривая 2 получается при селективном (избирательном) фотоэффекте, который характерен для тонких катодов из особо обработанных щелочных металлов. Следует отметить, что чувствительность с течением времени постепенно уменьшается, т. е. наблюдается явление «усталости», или «утомления», фотокатода.

6.2 Электровакуумный фотоэлемент

Электровакуумный (электронный или ионный) фотоэлемент представляет собой диод, у которого на внутреннюю поверхность стеклянного баллона нанесен фотокатод в виде тонкого слоя вещества, эмитирующего фотоэлектроны. Анодом обычно является металлическое кольцо, не мешающее попаданию света на фотокатод. В электронных фотоэлементах создан высокий вакуум, а в ионных находится инертный газ, например аргон, под давлением в несколько сотен Паскалей (несколько миллиметров ртутного столба). Катоды обычно применяются сурьмяно-цезиевые или серебряно-кислородно-цезиевые.

Свойства и особенности фотоэлементов отображаются их характеристиками. Анодные (вольт-амперные) характеристики электронного фотоэлемента I_ф = f(U_а) при Ф = const, изображенные на рис. 22.2, а, показывают резко выраженный режим насыщения. У ионных фотоэлементов (рис. 22.2, б) такие характеристики сначала идут почти так же, как у электронных фотоэлементов, но при дальнейшем увеличении анодного напряжения вследствие ионизации газа ток значительно возрастает, что оценивается коэффициентом газового усиления, который может быть равным от 5 до 12.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Энергетические характеристики электронного и ионного фотоэлемента, дающие зависимость I_ф = f(Ф) при U_a = const, показаны на рис. 22.3. Частотные характеристики чувствительности дают зависимость чувствительности от частоты модуляции светового потока. Из рис. 22.4 видно, что электронные фотоэлементы (линия 1) малоинерционны. Они могут работать на частотах в сотни мегагерц, а ионные фотоэлементы (кривая 2) проявляют значительную инерционность, и чувствительность их снижается уже на частотах в единицы килогерц.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные электрические параметры фотоэлементов -- чувствительность, максимальное допустимое анодное напряжение и темновой ток. У электронных фотоэлементов чувствительность достигает десятков, а у ионных фотоэлементов -- сотен микроампер на люмен. Темновой ток представляет собой ток при отсутствии облучения. Он объясняется термоэлектронной эмиссией катода и токами утечки между электродами. При комнатной температуре ток термоэмиссии может достигать 10^-10 А, а токи утечки -- 10^-7А. В специальных конструкциях фотоэлементов удается значительно снизить токи утечки, а ток термоэмиссии можно уменьшить лишь охлаждением катода до очень низких температур. Наличие темнового тока ограничивает применение фотоэлементов для очень слабых световых сигналов. Фотоэлемент обычно включен последовательно с нагрузочным резистором R_н (рис. 22.5). Так как фототоки очень малы, то сопротивление фотоэлемента, постоянному току весьма велико и составляет единицы или даже десятки мегаом. Сопротивление нагрузочного резистора желательно также большое. С него снимается напряжение, получаемое от светового сигнала.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Это напряжение подается на вход усилителя, входная емкость которого шунтирует резистор R_н. Чем больше сопротивление R_н и чем выше частота, тем сильнее это шунтирующее действие и тем меньше напряжение сигнала на резисторе R_н.

Электровакуумные фотоэлемента нашли применение в различных устройствах автоматики, в аппаратуре звукового кино, в приборах для физических исследований. Но их недостатки ? невозможность микроминиатюризации и довольно высокие анодные напряжения (десятки и сотни вольт) -- привели к тому, что в настоящее время эти фотоэлементы во многих видах аппаратуры заменены полупроводниковыми приемниками излучения.

6.3 Фотоэлектронный умножитель

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) представляет собой электровакуумный прибор, в котором электронный фотоэлемент дополнен устройством для усиления фототока за счет вторичной электронной эмиссии. Впервые в мире ФЭУ были изобретены советским инженером Л.А. Кубецким в 1930 г. В дальнейшем ряд удачных конструкций ФЭУ создали П.В. Тимофеев и С.А. Векшинский.

Принцип работы ФЭУ иллюстрирован на рис. 22.6. Световой поток Ф вызывает электронную эмиссию из фотокатода ФК. Фотоэлектроны под действием ускоряющего электрического поля направляются на электрод Д₁ называемый динодом. Он является анодом по отношению к фотокатоду и одновременно играет роль вторично-электронного эмиттера. Динод делается из металла с достаточно сильной и устойчивой вторичной электронной эмиссией. Поэтому первичные электроны (ток I_ф), идущие с фотокатода, выбивают из динода Д₁ вторичные электроны, число которых в сигма раз больше числа первичных электронов (сигма -- коэффициент вторичной эмиссии динода Д₁ обычно равный нескольким единицам). Таким образом, ток вторичных электронов с первого динода I₁ = уI_ф. Ток I₁ направляется на второй динод Д₂, имеющий более высокий положительный потенциал. Тогда от динода Д₂ за счет вторичной эмиссии начинается ток электронов I₂, который в у раз больше тока I₁ (для упрощения будем считать, что у всех динодов коэффициент вторичной эмиссии один и тот же), т. е. I₂ = уI₁ = у²I_ф В свою очередь, ток I₂ направляется на третий динод Д₃, у которого положительный потенциал еще выше, и от этого динода течет ток электронов I₃ = уI₂ = у³I_ф, и т. д.

С последнего, n-го, динода Д_n электронный ток I_n направляется на анод А, и тогда ток анода I_а = I_n = уⁿI_ф. Таким образом, коэффициент усиления тока k_i=уⁿ. Например, если у= 10 и n = 8, то k_i = 10⁸. Практически усиление меньше, так как не удается все вторичные электроны, выбитые из данного динода, направить на следующий динод. Чтобы большее число вторичных электронов было использовано, разработаны ФЭУ с различной формой и различным взаимным расположением электродов. Для фокусировки потока вторичных электронов применяют, как правило, электрическое поле, поскольку фокусировка магнитным полем требует громоздких магнитных систем.

Простейший однокаскадный ФЭУ имеет фотокатод, динод и анод. У многокаскадных ФЭУ может быть коэффициент усиления тока до нескольких миллионов, а интегральная чувствительность достигает десятков ампер на люмен. Как правило, ФЭУ работают при малых анодных токах и малых световых потоках. Ток анода обычно бывает не более десятков миллиампер, а световые потоки на входе могут быть 10^-3 лм и менее.

Поскольку на каждом следующем диноде напряжение выше, чем на предыдущем, то анодное напряжение должно быть высоким (1--2 кВ), что является недостатком ФЭУ. Обычно питание ФЭУ осуществляется через делитель, на который подается полное анодное напряжение (рис. 22.7). В цепь анода включается нагрузочный резистор R_н, с которого снимается выходное напряжение.

Для ФЭУ, как и для обычных фотоэлементов, характерен темновой ток, обусловленный термоэлектронной эмиссией фотокатода и динодов. Он составляет малые доли микроампера. Этот ток может быть уменьшен охлаждением прибора. Значением темнового тока ограничивается минимальный световой поток, который можно регистрировать с помощью ФЭУ. А минимальные изменения светового потока ограничиваются флюктуациями эмиссии фотокатода и темнового тока. Следует отметить, что эти флюктуации невелики, т. е. ФЭУ являются малошумящими приборами. Коэффициент шума Fm у них обычно 1,5 -- 2,0 (напомним, что у идеального «нешумящего» усилителя F_ш = 1).

Основные параметры ФЭУ: область спектральной чувствительности (диапазон длин волн), в которой можно применять данный ФЭУ; число ступеней умножения; общий коэффициент усиления тока; напряжение питания; интегральная чувствительность; темновой ток. В качестве характеристик ФЭУ обычно рассматриваются световая характеристика I_а = f(Ф), а также зависимости коэффициента усиления k_i и интегральной чувствительности S_? от напряжения питания E_а (рис. 22.8).

Фотоэлектронные умножители обладают малой инерционностью и могут работать на весьма высоких частотах. Их применяют для регистрации световых импульсов, следующих через наносекундные промежутки времени. Кроме того, ФЭУ применяются во многих областях науки и техники -- в астрономии, фототелеграфии и телевидении, для измерения малых световых потоков, для спектрального анализа и т. д. В полупроводниковой электронике нет пока приборов, заменяющих ФЭУ.

7. Дисплеи

Дисплеи - это оконечные устройства информационных систем, служащие для визуального изображения информации и связи человека с машиной. Широко применяются дисплеи малого размера, например в электронных часах или микрокалькуляторах, и дисплеи большого размера. Различные типы дисплеев основаны на использовании разнообразных физических и химических явлений.

Все дисплеи можно разделить на две большие группы: излучающие свет и модулирующие свет.

Светоизлучающий дисплей должен давать свечение достаточной яркости. Особенно большая яркость необходима, если дисплей применяется при солнечном освещении. Важен цвет свечения: человеческий глаз наиболее чувствителен к желтому и желто-зеленому цвету. Изображение должно быть контрастным. Чем больше отношение максимальной яркости к минимальной, тем выше контрастность. Желательна широкая диаграмма направленности дисплея, т. е. возможность хорошей видимости изображения под разным углом зрения.

Для управления работой дисплея применяются токи и напряжения различного вида и амплитуды. Всегда желательна, возможно, меньшая потребляемая мощность. Дисплеи, работающие с устройством на интегральных схемах, должны питаться напряжением не более 30 В. У дисплеев большого размера, потребляющих значительную мощность, важен более высокий КПД. Высокое быстродействие не требуется для дисплеев, так как человеческий глаз не может различать изменения, происходящие быстрее чем за 0,1 с. Разрешающая способность дисплея оценивается минимальным размером наблюдаемого элемента. Это может быть квадрат со стороной не менее 50 мкм. У многих дисплеев этот элемент больше, причем он зависит от яркости и расстояния от дисплея до наблюдателя.

Некоторые типы дисплеев обладают «памятью», т. е. могут сохранять изображение без потребления или с малым потреблением энергии.

Рассмотрим теперь основные типы светоизлучающих дисплеев.

В электронно-лучевых дисплеях используются электронно-лучевые трубки. Дисплеи на светоизлучающих диодах, как правило, имеют небольшие (несколько сантиметров) линейные размеры и низкое (не более 5 В) напряжение питания.Дисплеи на газоразрядных элементах иначе плазменные, имеют, две взаимно перпендикулярные системы электродов в виде проводящих полос. Между электродами инертный газ -- неон, или ксенон, или смесь газов. Такие системы иногда называют еще газоразрядными индикаторными панелями (ГИП). Дисплеи с электродами в виде полос могут иметь различное число электродов, например 512 горизонтальных и столько же вертикальных. Разрешающая способность характеризуется числом линий (обычно две-три) на 1 мм. Возможно также применение точечных электродов. Неон дает оранжевое свечение. Иногда на подложку, на которой расположены электроды, наносят люминофор, дающий свечение другого цвета. Питание этих дисплеев возможно постоянным или переменным током.

Электролюминесцентные дисплеи составлены из электролюминесцентных индикаторов (ЭЛИ).

Рассмотрим основные типы светомодулирующих дисплеев. Жидкокристаллические дисплеи (ЖКД) потребляют малую мощность, дают хорошую видимость изображения даже при высоком уровне внешней освещенности, имеют низкую стоимость, бывают малого (например, в часах) и большого размера.

Электрохромные дисплеи (ЭХД) основаны на использовании электрохромного эффекта, который заключается в том, что некоторые вещества под действием электрического поля или при прохождении тока изменяют свой цвет. В качестве электрохромного вещества чаще всего применяют триоксид вольфрама WO3. Его пленка под напряжением приобретает синий цвет. Для этого требуется напряжение всего лишь 0,5-1,5 В. При перемене полярности напряжения, пленка приобретает исходный цвет. Эти дисплеи потребляют небольшую мощность и обладают «памятью», т. е. сохраняют цветное изображение некоторое время (минуты и даже часы) без потребления мощности. Так как ЭХД на WO3 имеют ряд недостатков, в частности невысокое быстродействие и небольшой срок службы, то ведутся разработки таких дисплеев на других веществах.

Электрофорезные дисплеи (ЭФД) основаны на явлении электрофореза, который состоит в том, что под действием электрического поля в жидкости перемещаются взвешенные частицы (на-, пример, частицы пигмента в окрашенной жидкости), притягиваясь к какому-то электроду или отталкиваясь от электрода в зависимости от знака потенциала. Жидкость выбирается с хорошими диэлектрическими свойствами для уменьшения потребляемого тока. Пигмент выбирается по цвету резко отличным от жидкости. Напряжение для ЭФД составляет десятки вольт. Срок службы может достигать десятков тысяч часов. В течение этого срока могут происходить десятки миллионов переключений. Быстродействие ЭФД невысокое.

7.1 Светоизлучающие дисплеи

1. FED monitors.

Яркими представителями устройств, запущенных в производство, являются дисплеи с полевой эмиссией (Field Emission Display, FED), называемые также плоскими ЭЛТ. Они базируются на давно известном принципе миниатюрной электронной лампы с холодным катодом, в которой электроны «срываются» с поверхности последнего под воздействием электрического поля высокой напряженности, созданного очень близко расположенным анодом. По дороге к нему они проникают сквозь зазор шириной всего 1 мкм между излучающими конусами катода и управляющей сеткой (в нем создан вакуум) и бомбардируют слои люминофора. В принципе простые, полевые дисплеи выдвигают очень высокие требования к качеству литографических процессов и плоскостности составляющих «пирог» стеклянных слоев. Тем не менее появились их промышленные образцы. Они обеспечивают высокую яркость изображения и угол обзора 160о во всех направлениях, а также имеют очень короткое время отклика, легки, тонки, потребляют мало электроэнергии, могут работать в широком температурном диапазоне.

2. LEP monitors.

Честно говоря, известие о том, что какая-то английская фирма изобрела какую-то новую технологию производства дисплеев, мы восприняли довольно скептически. Пересмотреть отношение к технологии "светоизлучающего пластика" (Light Emission Plastics или LEP), разаботанной компанией Cambridge Display Technology(CDT), общество пользователей заставило заявление компании Seiko-Epson о начале совместной программы разработки LEP-дисплеев.

В течении последних 30 лет внимание многих ученых было приковано к полимерным материалам (проще говоря - пластикам), обладающим свойствами проводимости и полупроводимости.

Наиболее интересным применением пластиковых полупроводников на данный момент является создание разного рода устройств отображения информации на их базе. О том, что полупроводящий пластик под действием электрического тока может испускать фотоны (то есть светиться), знали давно. Но крайне низкая (0,01%) квантовая эффективность этого процесса (отношение числа испущенных фотонов к числу пропущенных через пластик зарядов) делала практическое применение этого эффекта невозможным. За последние 5 лет компания CDT совершила прорыв в этом направлении, доведя квантовую эффективность двуслойного пластика до 5% при излучении желтого света, что сравнимо с эффективностью современных неорганических светодиодов (LED). Помимо повышения эффективности, удалось расширить и спектр излучения. Теперь пластик может испускать свет в диапазоне от синего до ближнего инфракрасного с эффективностью порядка 1%.

О том, что промышленный мир серьезно относится к LEP-технологии, свидетельствует покупка компанией Philips Components B.V. лицензии на использование этой технологии, и инвестиции Intel в компанию CDT. Итак, что же есть у компании на сегодняшний день.

7.2 LEP-дисплеи: день сегодняшний

На сегодняшний день компания может представить монохромные (желтого свечения) LEP-дисплеи, приближающиеся по эффективности к жидкокристаллическим дисплеям LCD (Liquid Crystal Display), уступающие им по сроку службы, но имеющие ряд существенных преимуществ. Поскольку многие стадии процесса производства LEP- дисплеев совпадают с аналогичными стадиями производства LCD, производство легко переоборудовать. Кроме того, технология LEP позволяет наносить пластик на гибкую подложку большой площади, что невозможно для неорганического светодиода (там приходится использовать матрицу диодов).

Поскольку пластик сам излучает свет, не нужна подсветка и прочие хитрости, необходимые для получения цветного изображения на LCD-мониторе. Больше того, LEP-монитор обеспечивает 180-градусный угол обзора.

1. Поскольку устройство дисплея предельно просто: вертикальные электроды с одной стороны пластика, горизонтальные - с другой, изменением числа электродов на единицу протяженности по горизонтали или вертикали можно добиваться любого необходимого разрешения, а также, при необходимости, различной формы пиксела.

2. Поскольку LEP-дисплей работает при низком напряжении питания (менее 3 V) и имеет малый вес, его можно использовать в портативных устройствах, питающихся от батарей.

3. Поскольку LEP-дисплей обладает крайне малым временем переключения (менее 1 микросекунды), его можно использовать для воспроизведения видеоинформации.

4. Поскольку слой пластика очень тонок, можно использовать специальные поляризующие покрытия для достижения высокой контрастности изображения даже при сильной внешней засветке.

Эти преимущества плюс дешевизна привели к возникновению у LEP-технологии достаточно радужных перспектив.

7.3 LEP-дисплеи: день завтрашний

День 16 февраля 1998 года стал историческим для LEP-технологии: компании CDT и Seiko-Epson продемонстрировали первый в мире пластиковый телевизионный экран.

Правда, он пока черно-белый (точнее - черно-желтый) и размером всего 50 мм², но толщина в 2 мм впечатляет. Уже сейчас такие дисплеи могут найти применение в видеокамерах и цифровых фотоаппаратах, а к концу года компании планируют представить полноразмерный цветной дисплей (не уточняя, правда, что такое "полный размер").

Причины, по которым Seiko-Epson приняла участие в этом проекте, по словам Генерального менеджера по базовым исследованиям (General Manager of basic research) компании доктора Шимоды (Dr. Shimoda) заключаются в том, что сочетание LEP-технологии с многослойной TFT (Thin Film Transistor) технологией и технологией струйной печати, в которых Seiko-Epson является мировым лидером, а также возможность использования для производства LEP-дисплеев большей части уже имеющегося оборудования позволит достичь быстрого прогресса в данной программе. "LEP-дисплеи, - считает доктор Шимода, - станут конкурентоспособными не только по сравнению с LCD, но и по сравнению с обычными дисплеями на базе CRT (Catod Ray Tube или электронно-лучевая трубка) как по качеству, так и по цене.

LED

Явление электролюминесценции (механизм излучения) - это процесс непосредственного преобразования электрической энергии в свет. Существует два класса ЭЛ_устройств. В хорошо извест_ных устройствах на основе свето_излучающих диодов (LED - LightEmitting Diode) свет генерируется посредством рекомбинации элек_тронно_дырочных пар вблизи p_n перехода. Промышленные свето_диоды изготавливаются из неор_ганических материалов таких, как арсенид галлия GaAs, однако в последнее время достигнут значи_тельный прогресс в разработке дисплеев на базе органических материалов OLED (Organic Light Emitting Display). Дисплеи компании Planar относятся к другому классу ЭЛ_устройств, в которых свет генерируется по_средством ударного возбуждения светоизлучающих активаторов высокоэнергичными электронами в та_ких тонкопленочных структурах, как ZnS:Mn. Элек_троны приобретают большую энергию под действием сильного электрического поля, и, соответственно, этот тип электролюминесценции часто называют эле_ктролюминесценцией при сильном магнитном поле (high field electroluminescence) или предпробойной электролюминесценцией. Таким образом, дисплеи компании Planar относятся к устройствам отображе_ния информации на основе тонкопленочных электро_люминесцентных структур с сильными электрически_ми полями (Thin Film Electroluminescent - TFEL). В принципе, светоизлучающие дисплеи имеют наиболее простую структуру, так как не требуют внешнего ис_точника излучения и сложной оптики. Основными преимуществами активных индикаторов, в которых электрическая энергия непосредственно преобразует_ся в свет, являются:_ высокое быстродействие;_ способность работать при малой освещенности окружающей среды;_ большой угол обзора. На рис. 2 приведена структура TFEL_индикатора. Центральный слой представляет собой тонкую плен_ку фосфора, которая излучает свет при воздействии сильного электрического поля с напряженностью 1,5 MВ/см. Из_за такого сильного электрического поля любые дефекты в тонкопленочном стеке, способные создать короткое замыкание, могут послужить при_чиной рассеивания разрушительного количества энергии, если фосфор непосред_ственно соединится с электрода_ми. Поэтому на каждой из сторон фосфорного слоя необходимы то_коограничивающие слои (изоля_торы) с тем, чтобы сформировать надежную структуру устройства. Изоляторы ограничивают макси_мальный ток заряда и разряда ем_костей. Наконец, электроды сни_зу и сверху устройства завершают основную емкостную структуру. По крайней мере, один набор из этих электродов должен быть прозрачным для того, чтобы иметь возможность наблюдать из_ лучаемый свет.

История ОСД

В 1962 г. Ник Холоняк (Nick Holonyak, Jr.) изобрел полупроводниковые светодиоды видимого спектра, которые нашли применение в качестве крошечных источников красного света в калькуляторах и часах. Вскоре появились зеленые и желтые светодиоды. По своим характеристикам они со временем приблизились к лазерам, что привело к стремительному развитию оптических методов передачи и хранения данных. Когда в 1990-х гг. были созданы полупроводниковые источники синего света, на небоскребах и футбольных табло появились огромные полноцветные экраны, собранные из сотен тысяч светодиодов.

И обычные, и органические светодиоды созданы из слоев полупроводников, электрическое сопротивление которых выше, чем у проводников, но ниже, чем у диэлектриков. Важнейшее свойство полупроводниковых материалов - наличие небольшого энергетического барьера между свободными электронами, переносящими электричество, и электронами, которые удерживаются на атомных орбитах. Чтобы последние могли преодолеть барьер и поддержать электрический ток, им необходимо сообщить достаточное количество энергии, приложив к полупроводнику электрическое напряжение. Проводимость полупроводника можно увеличить, если внедрить в него примесные атомы с меньшим числом электронов, из-за недостатка которых появляются положительно заряженные дырки. Так получаются полупроводники p-типа. Аналогично, легирование полупроводника атомами с избытком электронов превращает его в полупроводник n-типа. Электрон, попавший в полупроводник p-типа, может встретить дырку и перейти на более низкий энергетический уровень. При этом излучается фотон, длина волны которого зависит от величины энергетического барьера эмитирующего материала.

Для получения видимого света величина барьера между наименьшей и наибольшей проводимостями материала должна лежать в относительно небольшом промежутке от 1 до 3 эВ. Длина волны фотона с энергией 1 эВ составляет 1240 нм (инфракрасное излучение), а длина волны фотона с энергией 2 эВ - 620 нм (красный цвет).

Органические полупроводники состоят из групп молекул в аморфном состоянии, т.е. представляют собой твердое вещество с некристаллической структурой. Существуют два вида ОСД, отличающиеся размером молекул. Первый ОСД p-n-типа был изобретен в 1987 г. Чингом Тангом (Ching W. Tang) и Стивеном ван Слайком (Steven A. Van Slyke) из компании Eastman Kodak, заметившим голубое свечение, исходящее от органического элемента солнечной батареи. Ученые установили, что, как и в случае кристаллических светодиодов, можно добиться эмиссии фотонов в зоне соприкосновения двух органических материалов, в одном из которых присутствуют проводящие дырки, а в другом - избыточные электроны. Разумеется, внешний слой излучающего элемента должен беспрепятственно пропускать свет. С другой стороны, атомы одного из материалов должны прочно удерживать свои электроны, позволяя беспрепятственно добавлять дырки. Поэтому изобретатели решили использовать широко применяемый в полупроводниковой промышленности прозрачный оксид индия и олова (ITO), в котором электроны прочно "привязаны" к своим орбитам.

Танг и ван Слайк не стали останавливаться на достигнутом и начали работать над повышением эффективности. Они добавили к эмитирующему материалу - тригидроксихинолину алюминия - небольшое количество подкрашенного флуоресцентного кумарина. Энергия, выделяющаяся при рекомбинации дырок и электронов, передается флуоресцентному слою, который излучает значительно больше света. Нанесение поверх электродов дополнительных тонких пленок ITO и других соединений позволило усилить интенсивность взаимодействия более толстых слоев и повысить эффективность всего устройства.

Описанные ОСД используются для получения красного, синего и зеленого света. Последние не уступают лучшим на сегодня светодиодам и отличаются наибольшей световой отдачей: от 10 до 15 кд/А и от 7 до 10 лм/Вт, что сопоставимо с характеристиками ламп накаливания.

Заглянем внутрь

Когда к электродам многослойных ОСД (слева) или ПСД(справа) прикладывается электрическое напряжение, возникает свечение. Когда положительно заряженная дырка из p-полупроводника встречается в активном слое с электроном из n-полупроводника, излучается один фотон. Его цвет определяется составом эмитирующего материала.

8. Принцип действия мультимедийных проекторов

Первые видео проекторы, предназначенные исключительно для воспроизведения видео сигналов, появились в 70-х годах и выполнялись на электронно-лучевых трубках. Ряд фирм продолжает их выпуск - привлекает высокая разрешающая способность, обеспечивающая очень хорошее качество изображения. Однако аппараты эти, по нынешним меркам, не слишком яркие, весят они десятки килограмм и стоят десятки тысяч долларов. В данном обзоре они не рассматриваются.

Появление жидкокристаллических дисплеев (ЖКД) привело к принципиально другой конструкции видео проекторов. В ранних моделях использовались многослойные ЖКД, выпускаемые фирмой Sharp, выполненные по тонкоплёночной технологии (TFT LCD-panels). Такие дисплеи имеют диагональ от 3 до 26 см (а иногда и больше).

Светящиеся точки дисплея (пиксели) под воздействием управляющих сигналов могут излучать любой из базовых цветов (красный, зелёный, синий). По принципу действия такой ЖКД не отличается от монитора ноутбука, только в проекторе он работает на просвет и обычно имеет меньшие размеры. Структурная схема проектора представлена на рис. 1.

Рис.1. TFT-технология

1-проекционная лампа; 2-конденсорные линзы; 3-линзы Френеля; 4-TFT-дисплей; 5-объектив

Такие одно-панельные проекторы, наиболее простые по конструкции, продолжают успешно выпускать некоторые фирмы.

Рис.2. Полисиликоновая технология

Более сложную конструкцию имеют появившиеся позднее проекторы, использующие выпускаемые фирмой Epson ЖКД с диагональю 3,3 см (в последнее время - 2,3 см), выполненные на базе полисиликоновой технологии (PSI LCD-panels). В таких проекторах применены 3 дисплея, каждый из которых управляет одним базовым цветом (рис. 2).

1-проекционная лампа; 2-отражательное зеркало; 3-дихроичное зеркало; 4,5,6-ЖК-дисплеи; 7-объектив

Полисиликоновая технология обеспечивает очень яркие, насыщенные краски, что особенно важно при проецировании видео изображений. Кроме того, полисиликоновые матрицы более устойчивы по отношению к длительному тепловому воздействию, чем обычные тонкопленочные. Именно по этим причинам в настоящее время они наиболее часто применяются в проекторах.

Наконец, в самое последнее время, примерно 3 года назад, в проекторах вместо ЖКД стали применять небольшие, размером с ноготь, интегральные микросхемы, разработанные фирмой Texas Instruments. Эти микросхемы, именуемые DMD (Digital Mirror Device), содержат на своей поверхности более 500 тыс. крошечных алюминиевых зеркал размером 1/1000 человеческого волоса (16х16 мкм). Каждое микрозеркало соответствует одной световой точке на экране, но если пиксели ЖКД работают на пропускание света, то микрозеркала - на отражение (рис. 3).

Потери света при этом минимальны, что и обеспечивает преимущество таких проекторов перед проекторами на ЖКД. Кроме того, относительные расстояния между микрозеркалами существенно меньше, чем между пикселями ЖКД. За счёт этого изображение менее дробное. При отсутствии управляющего сигнала ориентация каждого микрозеркала такова, что отражённый от него свет в объектив не попадает и рассеивается в проекторе. Цветовая гамма создаётся вращением специального цветового фильтра, если используется один микрозеркальный чип, или за счёт использования трёх таких чипов, по одному на базовый цвет.

Проекторы, использующие микросхемы DMD, на Западе называют DLP-projectors (Digital Light Processing Projectors), а в России - микрозеркальными проекторами. Появление микрозеркал и возникшая конкуренция стимулировали значительное усовершенствование конструкции и характеристик проекторов на ЖКД, так что в настоящее время трудно отдать предпочтение тому или иному классу проекторов. Несомненное преимущества микрозеркальная технология имеет только при создании стационарных сверх ярких проекторов, прежде всего за счёт высокой теплоустойчивости микрозеркальных чипов.

0.7" XGA DMD™ кристалл

В "сердце" оптического проектора DLP™ (Digital Light Processing - цифровая обработка света) установлен 0.7" DMD™ кристалл (Digital Micro-mirror Device - цифровое микрозеркальное устройство).

Микрозеркала меняют угол преломления несколько тысяч раз в секунду и направляют требуемое количество света через линзы на экран, в результате чего получается яркое изображение высочайшего качества.

Высокое разрешение проектора обеспечивает кристально четкое отображение входных RGB сигналов. Для дальнейшего повышения точности отображения цвета используется специально разработанный PCOF - оптический цветовой фильтр улучшенной чистоты цвета (Pure-Colour-Optical-Filter).

Принцип действия DLP™ проектора

6 Plasma Addressed Liquid Crystal (PALC)

В этом типе дисплеев используется плазменная панель для управления ЖК-ячейками. PALC-дисплей состоит из стеклянной подложки, с нижней стороны которой нанесен поляризационный фильтр, а с верхней -- сформированы продольные выступы-барьеры. Внутри каждой колонки, образованной барьерами, расположены два электрода. Сверху конструкцию накрывают тонким слоем стекла и полученные емкости наполняют газом под давлением несколько кПа. Затем следуют слой ЖК, прозрачная пленка с электродами колонок, цветные фильтры, субстрат стекла с поляризатором (Рисунок 12). Позади всей конструкции располагается блок подсветки. Выборка колонки осуществляется путем генерации разряда между двумя электродами в наполненной разреженным газом продольной ячейке. На поверхности стекла, разделяющего газовую и ЖК-ячейки, формируется отрицательный заряд, представляющий собой как бы виртуальный электрод (Рисунок 13). На один из поперечных электродов с противоположной стороны "сандвича" подается напряжение +70 В. Заряд с виртуального электрода протекает через ЖК-ячейку, расположенную на пересечении газовой продольной ячейки и поперечного электрода. Как только заряд стечет, все ЖК-ячейки переходят в полностью изолированное состояние, и можно начинать выборку следующего пикселя.

Рисунок 12.

Рисунок 13.

Одно из достоинств PALC-панелей - простота изготовления. Они менее чувствительны к чистоте производственных помещений и точности компоновки по сравнению с традиционными TFT-матрицами. Это позволяет использовать большие по размерам стеклянные подложки и, следовательно, открывает перспективы производства больших ЖК-экранов. PALC-дисплеи свободны от влияния точечных дефектов, к которым так чувствительны активно-матричные мониторы. Конструктивная независимость плазменной и ЖК-панели облегчает процесс разработки новых модификаций.

9. OLED-дисплеи Epson

Простое эволюционное совершенствование плазменных и ЖК-панелей не позволяет полностью избавиться от присущих им недостатков. Необходима разработка новых устройств отображения с использованием других физических принципов создания яркого изображения. Этим устройством может стать дисплей на светоизлучающих диодах. Конечно, не таких больших, какие использовались, например, для индикации режимов на панелях усилителей или ресиверов, а размером с элемент пикселя панели. Естественно, что традиционные технологии не позволяют создать такие микроскопические светодиоды. Уже достаточно долго исследуются возможности использования органических светодиодов (в англоязычной транскрипции -- OLED) для создания дисплеев разных размеров.

В мае прошлого года в Японии корпорация Seiko Epson представила широкой публике прототип 40-дюймового цветного OLED-дисплея. Такие дисплеи имеют целый ряд преимуществ по сравнению с существующими жидкокристаллическими и плазменными панелями. В OLED-дисплеях используются самосветящиеся вещества. Другими словами, органические материалы, из которых изготовлен OLED-дисплей, становятся электролюминесцентными и излучают свет, когда через них проходит электрический ток. Это означает, что не требуется энергопотребляющей задней подсветки для создания яркого изображения, и само изображение превосходно по контрастности (неработающие пиксели просто выключаются, создавая идеально черное поле) и яркости по сравнению с другими присутствующими на рынке дисплеями. Кроме того, OLED-дисплей обеспечивает яркие насыщенные цвета (красный, синий и зеленый) при широком угле обзора в пределах до 165o.

Для работы современных ЖК-панелей требуется использование задней подсветки. Поэтому и потребление у них выше, и конструктивно они получаются толще, ведь для размещения ламп необходимо дополнительное место. Кроме того, до последнего времени возникала масса вопросов в связи с их использованием в качестве экрана домашнего кинотеатра, так как угол обзора ЖК-панелей резко падал по мере смещения от ее центра (когда кто-то из зрителей сидит сбоку).

Что касается плазменных дисплеев, то хотя их угол обзора больше, и они обеспечивают лучшую чистоту цветов, чем ЖК-панели, присутствующий в процессе их работы плазменный разряд приводит к потере четкости изображения. Кроме того, они потребляют больше, чем ЖК-панели, электроэнергии и во всех отношениях дороже.

Таким образом, OLED-дисплеи потенциально могут не только занять некую долю рынка дисплеев больших размеров, но вскоре вообще вытеснить ЖК- и плазменные панели. По мнению некоторых экспертов, это произойдет еще до конца десятилетия.

Структура полимерного OLED-экрана предельно проста. Каждая ячейка представляет собой тонкий слой светоизлучающего полимера, расположенный между слоями металла (катода) и прозрачного анода, нанесенного на стеклянную подложку. Анод изготавливается из индий-оловянного оксида (ITO), который из-за своей высокой прозрачности широко используется в ПЗС-матрицах. При подаче напряжения смещения в проводящем направлении электроны и дырки инжектируются катодом и анодом в полимерный слой, где они рекомбинируют с выделением энергии в виде света высокой интенсивности. При напряжении 5 вольт OLED толщиной всего несколько миллиметров способен выдавать до 40 люмен на ватт -- сколько же дает и флуоресцентная лампа. Цвет свечения зависит от химического состава OLED, и, используя двухмерный массив (матрицу) RGB-пикселей, можно создавать полноцветные экраны.

Структура ячейки дисплея на органических светодиодах

В прототипе OLED-дисплея Epson использованы четыре низкотемпературные TFT-панели, которые соединены вместе в одну 40-дюймовую панель. Из двух типов органических структур, исследуемых разработчиками -- низкомолекулярных и полимерных материалов, специалисты Epson выбрали последний. На выбор повлияли технологические особенности материалов и большой опыт корпорации в области струйных принтеров. Изготовление низкомолекулярных органических светодиодов очень дорого: для этого требуется вакуумное осаждение органического вещества с использованием теневой маски. Если изготовление такой маски для небольших дисплеев (например, для мобильных телефонов) экономически вполне оправдано, то затраты на изготовление высокоточной маски больших размеров растут непропорционально быстро с ее увеличением. Полимерную же органику можно превратить с помощью растворителя в жидкость и затем наносить на подложку любых размеров в обычных условиях, печатая точки элементов пикселей специальным струйным принтером.

Специалисты Epson адаптировали свою технологию высокоскоростной микропьезопечати для производства дисплеев. В других методах струйной печати используется подогрев красящего вещества перед выбросом до очень высокой температуры, что не подходит для печати полимерными материалами. Чтобы получить необходимую точность изготовления дисплея, сначала методом фотолитографии на подложке создаются микроуглубления. Затем они заливаются (печатаются технологическим струйным принтером) последовательно красным, синим и зеленым полимером, образуя структуру RGB-субпикселей. Электроника дисплея объединяет каждые три субпикселя в полноцветный пиксель. Этот метод позволяет получить шаг пикселей 128 мкм при размере каждого субпикселя 40 мкм. Таким образом, представленный 40-дюймовый прототип имеет разрешение 1280х768 пикселей. Чтобы повысить четкость печати органических светодиодов, было использовано еще одно технологическое ухищрение. Углубления на подложке покрыты гидрофильным веществом, а поверхность между ними -- гидрофобным. Эти вещества соответственно притягивают или отталкивают раствор полимера, обеспечивая требуемую точность печати. Все микрокапли жидкого полимера скатываются в углубления при минимальном размазывании полимера по разделительным ребрам. В настоящее время ограничение размера дисплея связано с возможностями принтера. Существующий технологический принтер позволяет печатать на подложке размером 1200х20 мм с разрешением 2880 точек на дюйм. Используя этот метод, корпорация уже серийно производит OLED-панелей размером от 2,1 до 12,5 дюйма. Заметим также, что подобный принтер корпорация использует для изготовления самых тонких многослойных печатных плат, проводники которых просто печатаются на подложку.

Конечно, не все так просто. И у OLED-панели есть существенный недостаток, но хочется надеяться, что только пока. Сегодня срок службы панели составляет около 2000 часов. Специалисты утверждают, что уже к 2007 году, когда они собираются выходить на рынок с коммерческими моделями, он составит 10000 часов или даже больше.

OLED-технология

Эра органических светодиодов началась в 1977 г., когда был открыт эффект электропроводности полимеров. За это открытие его соавторы Алан Хигер (Alan J. Heeger), Алан Мак-Диармид (Akan G. MacDiarmid) и Хидеки Ширакава (Hideki Shirakawa) были удостоены Нобелевской премии по химии за 2000 г. Дальнейшие исследования этого явления позволили специалистам Кембриджского университета обнаружить в 1990 г. свойство электролюминесценции у проводящих полимеров, что и привело к созданию полимерных органических светодиодов.

10. Светоимодулирующие дисплеи

Существование жидких кристаллов было установлено очень давно, почти столетие тому назад, а именно в 1888 году.

Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был австрийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое синтезированное им вещество холестерилбензоат, он обнаружил, что при температуре 145° С кристаллы этого вещества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т. е. начинает вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоат обнаруживал в мутной фазе. Рассматривая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рейнитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т. е. скорость света в этой фазе, зависит от поляризации.

Жидкокристаллические индикаторы весьма экономичны. Ток, потребляемый для воспроизведения одного знака, не превышает 1 мкА. Долговечность ЖКИ составляет десятки тысяч часов. Недостаток этих индикаторов -- низкое быстродействие. Время появления или исчезновения знака, т. е. время перехода молекул ЖК из упорядоченного расположения в беспорядочное или обратно, доходит до 200 мс.

Далеки от идеала и LCD-дисплеи. Главный и непреодолимый их врожденный недостаток - сам принцип действия. ЖК-матрицы не являются светоизлучающими приборами, они лишь модулируют световой поток от лампы подсветки и поэтому не могут обеспечить высокие значения контрастности. Кроме того, даже в лучших моделях не до конца преодолены такие специфические недостатки LCD, как направленность излучения и инерционность изображения. К минусам этого типа дисплеев нужно отнести также ограниченную стойкость к отрицательным температурам. Для большинства массовых моделей температура 15-20 градусов мороза гибельна, поскольку происходит необратимая деградация молекул жидких кристаллов. И если для стационарной аппаратуры недостаточная морозостойкость не является особо критичной, то для мобильных устройств (например, автомобильного телевизора) это весьма серьезный минус (особенно в наших широтах). Наконец, технология изготовления этого типа плоских панелей также очень сложна, и поэтому даже при крупносерийном производстве LCD-панелей ожидать обвального падения цен на них (хотя бы до уровня кинескопов с равным размером экрана) тoже, увы, не приходится.

Жидкокристаллические мониторы

Наше знакомство с жидкокристаллическими дисплеями длится уже долгие годы, и его история уходит корнями еще в докомпьютерную эпоху. Сегодня если человек смотрит на наручные часы, проверяет состояние принтера или работает с портативным компьютером, он поневоле сталкивается с феноменом жидких кристаллов. Более того, эта технология посягает на традиционную вотчину CRT-мониторов - настольные дисплеи для ПК.

ЖК-технология базируется на использовании такой характеристики света, как поляризация. Человеческий глаз не может различать состояния поляризации волны, но некоторые вещества (например, поляроидные пленки) пропускают свет только с определенной поляризацией. Если взять два поляроида -- один задерживающий свет с вертикальной поляризацией, а другой с горизонтальной, поместить их друг напротив друга, то свет через такую систему пройти не сможет (Рисунок 3).

Рисунок 3. Поляризация света.

Избирательно вращая поляризацию света в промежутке между пленками, мы смогли бы формировать светящиеся и темные участки - пиксели. Это возможно, если использовать пластину с вкраплениями оптически активных кристаллов (так их называют потому, что они, благодаря особенностям своих несимметричных молекул, могут изменять поляризацию света).

Но дисплей подразумевает динамичное отображение информации, и обычные кристаллы тут не смогут нам помочь. На выручку приходят их жидкие собратья. Жидкие кристаллы - это жидкости, которым присущ определенный порядок расположения молекул, вследствие чего появляется анизотропия механических, магнитных и, что наиболее интересно для нас, электрических и оптических свойств.

Благодаря анизотропии электрических свойств и наличию текучести можно управлять преимущественной ориентацией молекул, тем самым изменяя оптические свойства кристалла. А они имеют замечательную особенность - специфическая удлиненная форма молекул и параллельное их размещение делают их весьма эффективными поляризаторами. Теперь приступим к изучению элементарной разновидности ЖК-дисплеев - на скрученных нематических кристаллах (Twisted Nematic - TN).

TN - кристаллы.

То, что молекулы нематического жидкого кристалла выстраиваются подобно солдатам на параде, - следствие анизотропии сил их взаимодействия. Предсказать положение директора с макроскопической точки зрения в свободном жидком кристалле невозможно, поэтому заранее определить, в какой плоскости он будет поляризовать свет, нельзя.

Оказывается, придать молекулам ту или иную ориентацию достаточно просто, необходимо только изготовить пластину (для наших целей прозрачную, например, стеклянную) со множеством микроскопических параллельных углублений-бороздок (их ширина должна соответствовать минимальному размеру элемента формируемого изображения).

Узкие и длинные молекулы нижнего слоя жидкого кристалла, попадая в углубления, вынуждены придерживаться заданной ориентации. А все последующие слои молекул будут выстраиваться им "в затылок" вследствие уже упомянутого выше межмолекулярного взаимодействия. Если теперь поместить сверху еще одну стеклянную пластину с аналогичным набором бороздок так, чтобы они были перпендикулярны бороздкам нижней пластины, то продольные оси молекул самого верхнего слоя будут расположены под прямым углом по отношению к осям молекул из нижнего слоя. Между этими двумя крайними положениями образуется своеобразная молекулярная спираль из промежуточных ориентаций, которая и дала название технологии -- twisted nematic (закрученные нематические).

По мере прохождения света вдоль спирали плоскость его поляризации вращается, следуя за ориентацией продольной оси составляющих ее молекул. В случае "сандвича" из пластин с перпендикулярными бороздками получается спираль с поворотом на 90°, и плоскость поляризации поворачивается именно на этот угол. Если поместить такой "сандвич" между двумя поляроидами с перпендикулярно расположенными осями (поляроид пропускает только свет, линейно поляризованный вдоль его оси), то свет будет проходить через такую систему (Рисунок 4).

Таким образом, в TN-дисплеях формируются светящиеся пикселы. Инверсные (в данном случае темные) пикселы - продукт еще одного свойства жидких кристаллов - электрической анизотропии. Достаточно приложить к спирали электрическое поле, и молекулы тут же будут вынуждены развернуться вдоль вектора его напряженности. Разместив миниатюрные прозрачные пленочные электроды над и под слоем жидкого кристалла, подавая напряжение на них, можно ориентировать молекулы вертикально. После этого они уже не могут менять поляризацию света, а так как оси поляроидов расположены перпендикулярно, то свет проходить не будет. Включая и выключая электроды по отдельности, мы и получим динамическую черно-белую картинку.

"А как насчет градаций серого?" - спросите вы. Градациями, или уровнями яркости пикселов, можно управлять с помощью величины приложенного напряжения. Постепенно повышая его, мы будем наблюдать, как молекулярная спираль проходит через три этапа своего состояния - три зоны (рисунок 5). Зона 1 соответствует максимуму пропускания и белому цвету (максимальному повороту поляризации), зона 3 - минимуму и черному цвету, а самые интересные состояния находятся в зоне 2. При прецизионном изменении напряжения в ее пределах получаются все оттенки серого.

Анатомия LCD.

Немного разобравшись с физическими принципами работы ЖК-дисплея простого нематического типа, можно рассмотреть чисто механические аспекты его конструкции (Рисунок 6). В основании располагается система подсветки -- это мощные (ведь остальная часть "сандвича" поглощает до 50% проходящего света) флюоресцентные лампы в виде трубок и специальные материалы (plastic light guide), или световоды, способствующие более равномерному распределению освещения по плоскости экрана. Этого далеко не всегда удается достичь, и результатом могут стать темные полосы, неоднородность изображения.

Рисунок 6. Строение ЖК - монитора

Свет направляется на поляризационный фильтр. Далее следует стеклянная пластина, на которую нанесены полупрозрачные электроды из пленки окислов индия и олова, формирующие пикселы изображения. Затем идет полимерная пленка с микробороздками, ориентирующими молекулы жидких кристаллов, составляющие следующий слой. Вторая половина - все с точностью до наоборот (за исключением подсветки).

Теперь рассмотрим основные различия активных и пассивных матриц, а также образование цветных изображений. В пассивных матрицах для адресации используются полоски полупрозрачных электродов, расположенные на обеих поверхностях стеклянных подложек и ориентированные перпендикулярно (рисунок 7). Их пересечение формирует пиксель. Чтобы изменить его состояние, необходимо задействовать две адресные линии - вертикальную и горизонтальную. Одна, к примеру нижняя, заземляется, а на другую подается управляющий импульс. Процесс, в ходе которого с помощью поочередной выборки всех комбинаций из двух управляющих линий создается изображение, называется сканированием.