Конспект лекций «Элементная база РЭС» (стр. 12 )

Эффективность инжекции определяется, насколько ток инжекции электронов отличается от суммарного тока и определяется соотношением:

В результате рекомбинации энергия переходит в тепловое колебание решётки, либо если в рекомбинации участвуют более 2х частиц, то энергия может передаваться 3ей частице.

Генерация фотонов длинноволнового излечения.

Показатель количественной эффективности рекомбинации называется внутренний квантовый выход з, обозначает отношение числа актов излучательной рекомбинации к полному числу актов рекомбинации. Т. о эффективность определяется произведением гз.

Светодиоды как источники некогерентного излучения

Полупроводниковый излучатель – это полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию в излучение в видимой, УФ, ИК части спектра.

Физической основой полупроводниковых диодов является инжекционная электролюминесценция.

Светодиод – основной наиболее универсальный излучатель некогерентный в оптоэлеетронике, что обусловлено следующими достоинствами:

+ высокий КПД преобразования электроэнергии в оптическую

+ относительно устойчивый спектр излучения

+ есть возможность перекрытия всего оптического диапазона.

+ высокая направленность излучения

+ малые значения падения напряжения, что обеспечивает электрическую совместимость с интегральными микросхемами.

+ высокое быстродействие

+ малые габариты

+ высокая надёжность и долговечность.

Качество светодиода характеризуется внешним квантовым выходом:

зопт – оптическая эффективность вывода света

Возможны 4 варианта излучения:

рис288

1. потери на самоизлучение. При поглощении полупроводником фотонов, их энергия может быть передана электронам валентной зоны переходом их в зону проводимости. Энергия фотонов может расходоваться на перевод носителей на более высокие энергетические уровни. В полупроводниках может происходить поглощение фотонов кристаллической решёткой.

2. Потери на внутреннее отражение от границы полупроводника и воздуха. Эта часть излучения, отразившись от внутренней границы, теряется за счёт самопоглощения.

3. Потери на обратное (3) и торцевое (4) излучение.

Параметры светодиодов

Спектральная характеристика

рис 289

К основным параметрам светодиода относятся:

- длина волны излучения

- сила света

- угол излучения

- энергетический КПД

Излучение большинства светодиодов близко к монохроматическому, т. е. отношение ширины спектра к длине волны гораздо меньше 1. Имеет высокую направленность.

Следующим этапом развития светодиодов явилась разработка полупроводниковых лазеров.

Устройства отображения информации

Плазменные панели (PDP)

1. Основы газового разряда

Сказанное ниже относится также к процессам ионно-лучевого и ионно-плазменного травления. В основу плазменных панелей положено возникновение газового разряда в микрообъёме ячейки (пикселя). Для возникновения газового разряда необходимо:

1) наличие ускоряющего электрического поля (напряжения);

2) низкое давление в разрядном промежутке;

3) осуществление режима поджига разряда (резким повышением напряжения на электродах/облучением объёма УФ излучением/облучением сверхвысокоэнергетичными частицами из космоса)

РИС1

на анод течёт электронный ток, на катод течёт ионный ток

Процесс ионизации происходит в том случае, если электрон успел набрать энергию, достаточную чтобы вышибить другой электрон у атома. Эта энергия должна быть 10эВ. Если электрон не успел набрать энергию, происходит реакция возбуждения, т. е электрон сталкивается с атомом и передаёт ему часть энергии, в результате чего электрон атома переходит на более высокий уровень. С этого состояния атом может выйти 2мя путями. Первый путь – ионизация, т. е. окончательно выбивает у атома электрон. Второй путь – электрон переходит на нижнюю орбиталь, при этом испускает квант света.

Недостаток – происходит ионно-плазменное распыление катода при столкновении с ионами.

Как правило фотоны, испускаемые в плазме газового разряда, относятся к УФ диапазону. Если покрыть прозрачную стенку люминофором, то фотон УФ диапазона будет возбуждать свечение фотона видимого диапазона, который будет зависеть от материала люминофора. По этому принципу работают газоразрядные индикаторы (с 70-ых годов), в дисплейных устройствах они появились в конце 90-ых годов.

2. Устройство PDP панели

РИС2

Каждый пиксель представляет собой заполненную газом ячейку, на стенке которой с внутренней стороны нанесён люминофор. Наружный электрод выполнен из прозрачного проводящего материала (как правило это оксид индия с добавками олова - ITO). В качестве люминовора выбираются материалы:

- зелёный: Zn2SiO4:Mn2+/BaAl12O19:Mn2+  510..520 нм

- Красный: Y2O3:Eu3+/Y0,65Gd0,35BO3:Eu3 610 нм и выше

- Синий: BaMgAl 450 нм

Плёнки ITO – максимальное сопротивление проводника при максимальной прозрачности. На лицевой стороне – дополнительные проводники из хрома, чья проводимость гораздо лучше, но он непрозрачный.

Проблемой в плазменных панелях является обеспечение регулирования интенсивности излучения в больших пределах. С одной стороны, интенсивность излучения ограничена напряжением удержаения разряда в ячейке, а с другой стороны напряжением зажигания. Поэтому варьированием напряжения не обеспечивается необходимый динамический диапазон. Вследствие этого используется метод широтно-импульсной модуляции, суть которого заключается в соотношении длительности включенного и выключенного состояния.

Ещё одной проблемой плазменных панелей является адресация пикселей т. к. на панели имеется 1280х768 пикселей.

3. ACC plasma panel

РИС3

3 электрода на каждую ячейку. Это обеспечивает протекание разряда дольше, чем для 2х-электродной системы.

На первом этапе напряжение подаётся между электродами A и X, а затем между электродами X и Y, а электрод А остаётся свободным для того, чтобы произвести адресацию на другие ячейки.

4. Достоинства и недостатки плазменных панелей

+ Яркость и контрастность выше, чем у ЖК. Теоретически, в ЭЛТ достигается большая яркость только потому, что механизм возбуждения люминофора электронным лучом более эффективен, чем УФ излучением.

+ Угол обзора гораздо выше, чем у ЖК (из-за наличия поляризатора у ЖК мониторов).

+ Лучшая контрастность, чем у ЖК и ЭЛТ (без учёта светодиодных индикаторов).

+ Яркость достигает 1000кд/м2.

+ Не чувствительна к электромагнитным полям.

- В отличие от ЭЛТ и ЖК мониторов, в плазменных панелях сложно обеспечить такую яркость по всему экрану, что обеспечивается большим энергопотреблением плазменных панелей. Как правило, PDP используют всякие системы охлаждения. КПД плазменных панелей низкий, поэтому регулируется суммарная потребляемая мощность панели, и если она превышает некоторое значение, подаётся сигнал к снижению яркости.

- формирование дисплея с малым размером экрана невозможно (минимум – порядка десятков дюймов).

- срок службы порядка 30.000 часов (у кинескопов стандарт 25.000), но имеется деградация люминофора, которая заметна на протяжении нескольких лет эксплуатации.

Технологически возможно снизить цену плазменных панелей.

Жидкокристаллические мониторы

Конструкции ЖК мониторов

ЖК матрицы бывают 2х типов: активные и пассивные.

Пассивная матрица представляет собой набор взаимоортогональных электродов, одни из которых выполнены прозрачными, между которыми заключён жидкий кристалл. В пассивной матрице можно одновременно управлять только ячейками одной строки. При переходе управления на слёдующую строку изображение на предыдущей строке исчезает, соответственно требуется большое время на обновление изображения. Следовательно такие матрицы используются в небольших дисплеях. В мониторах с числом пикселей 106 и более необходима активная матрица.

РИС4

Каждый пиксель имеет конденсатор и транзистор.

Конденсатор является запоминающим устройством, способным хранить заряд. Если транзистор открыт, то осуществляется запись информации в конденсатор. Когда транзистор закрывается, данные остаются в конденсаторе, т. е. когда тр-р закрыт и обращение к данной ячейке не осуществляется, напряжение на жидком кристалле остаётся, т. е. пиксель не будет возвращаться в исходное состояние, как это происходит в случае пассивной матрицы. Другое название этой технологии – TFT. TFT монитор и ЖК монитор – сейчас синонимы. В технологии ЖК мониторов широко используются ТП, используемые в полупроводниковой электронике (вакуумные методы нанесения хромовых проводников, нанесение диэлектриков SiO2, и нанесение аморфного кремния в качестве затворов). Лицевой электрод выполнен прозрачным (InStO - ITO). Чтобы 2 пластины не соприкасались, добавляется специальный разделитель (на рисунке не показан).

Лазерный диод

Это полупроводниковое устройство, построенное на базе светодиода. Если электрон и дырка оказываются на расстоянии, обеспечивающем рекомбинацию в виде излучения фотона определённой длины волны, такой процесс – спонтанное излучение. При определённых условиях электрон и дырка могут находиться в одной области пространства достаточно долгое время (микросекунды). Если в этот момент времени через эту область пространства пройдёт фотон нужной частоты (т. н. резонансной частоты), он может вызвать вынужденную рекомбинацию с выделением второго фотона с такими же характеристиками. Возможность создания лазера на p-n переходе была предсказана в 61 году Басовым, а первый эксперимент лазера на основе арсенида галлия – 1962г. Особенность инжекционного лазера – непосредственное преобразование электрической энергии в лазерное излучение, следовательно – минимальные габариты. Кристалл арсенида галлия является одновременно оптическим резонатором с размерами 200..400 мкм.

Активные элементы инжекционного лазера:

РИС4

1 – п/п подложка

2 – эмиттер электрода

3 – активная излучательная область

4 – эмиттер дырок

5 – подконтактный полупроводниковый слой

Особенность – кристалл играет роль оптического волновода и резонатора. У этого резонатора торцы полируются для образования гладких параллельных плоскостей. Они образуют т. н. резонатор Фабри-Перро. Случайный фотон, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдёт через оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, этот фотон будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые фотоны и излучение будет усиливаться.