великим (до 104 годин) терміном експлуатації та достатньо високою швидкодією (10–3 с). Об’єднуючи велику кількість багаторозрядних індикаторів можна отримати екрани для відображення інформації. До недоліків вакуумних люмінесцентних індикаторів відносять невисоку контрастність (що особливо помітно при великому рівні зовнішньої освітленості), обмежений кут огляду та деякі інші.

Пристрої, які використовують явища катодолюмінесценції, яка збуджується електронами з високою енергією (декілька кілоелектронвольт) належать до класу електровакуумних приладів, робота яких побудована на формуванні зображення одним або декількома електронними пучками. Інтенсивність та просторове положення променів задаються за допомогою спеціальних систем керування. Серед загальної маси приладів цього типу основне місце займають електроннопроменеві трубки, які виділяються великою світловою віддачею (10...25 лм/Вт) (відношенням світлового потоку до споживаної потужності), простотою адресації, задовільною яскравістю (300 кд/м2) і контрастністю зображення. Основними недоліками пристроїв цього типу є необхідність використання високої напруги, а також значні габарити. Розроблено нові плоскі електронно-променеві пристрої, які вже склали звичайним електронно-променевим трубкам серйозну конкуренцію.

13.3. Газорозрядні індикатори

Дія приладів цього типу обумовлена виникненням світла при електричному розряді в газовому середовищі. Як правило, використовують режим тліючого розряду (з холодним катодом). Скляний балон індикатора заповнений інертним газом при невеликих тисках (біля 40 мм рт. ст.). Поки енергія електронів, які вилітають із катоду мала, в індикаторі проходять пружні зіткнення цих електронів з атомами газу. При підвищенні анодної напруги енергія електронів поступово збільшується і досягає значень, необхідних для іонізації атомів газу. Зтікнення електронів з атомами стають непружними: у результаті зтікнення утворюються додаткові електрони, які також направляються до анода, а позитивно заряджені іони досягають катоду та виривають із нього додаткові (вторинні) електрони.

Струм через лампу при цьому зростає, однак, оскільки рухливість позитивних іонів значно менша ніж рухливість електронів, то навколо катода створюється область позитивного просторового заряду. При цьому навіть зменшення напруги на аноді супроводжується зростанням струму за рахунок збільшення прикатодного поля. У результаті на вольт-амперній характеристиці з’являється ділянка, що відповідає від’ємному опору.

155

Газорозрядні прилади мають значну інерційність. Вона зв’язана з тим, що час запізнювання імпульсу струму в газорозрядному проміжку відносно імпульсу керуючої напруги визначається як статистичними закономірностями “народження” електронів холодним катодом, так і часом формування електронної лавини. У той самий час після зупинення дії анодної напруги електрони та іони рекомбінують

протягом певного часу. У результаті швидкодія подібних індикаторів, як правило, не перевищує 10–3 с.

Основна газова суміш, яка використовується в газорозрядних індикаторах, є суміш гелію з неоном. Видиме випромінювання електричного розряду в цій суміші знаходиться в помаранчево-червоній області спектра. Добавка невеликої кількості аргону призводить до зсуву спектру в більш короткохвильову область. Світлова віддача індикаторів цього типу складає 0,2...0,3 лм/Вт; в червоній області спектра, де 1 Вт дорівнює приблизно 100 лм, енергетичний вихід дорівнює 0,2...0,3 %. У той самий час яскравість індикаторів може досягати 10 000 кд/м2. Для підвищення світловіддачі та забезпечення багатокольоровості в газорозрядних індикаторах часто використовують фотолюмінофори, які перетворюють ультрафіолетове випромінювання в видиме. Аналогічний механізм формування світлового потоку використовується в лампах денного світла, світлова віддача яких може досягати 100 лм/Вт. Світлова віддача газорозрядних індикаторних приладів з використанням фотолюмінофорів значно нижча (0,5...1 лм/Вт), при цьому енергетичний вихід не перевищує 1 %.

Серед існуючих газорозрядних індикаторів можна виділити прилади трьох типів: знакові індикатори, індикаторні тиратрони та газорозрядні індикаторні панелі, плазмові панелі (ГІП). У свою чергу ГІП діляться на три підгрупи: ГІП постійного струму з зовнішньою ад-

ресацією, ГІП постійного струму з самоскануванням та ГІП змінного струму.

У знакових індикаторах використовують слабке світло тліючого розряду поблизу катода (світло покриває весь катод, який має форму потрібного символу). Система незалежних символів дозволяє отримати різні зображення. Випромінювання виходить через анод, який виготовляють у вигляді сітки (рис. 13.4).

На відміну від знакових індикаторів індикаторні тиратрони мають декілька керуючих електродів – сіток і анодів, що дозволяє більш ефективно керувати електричним розрядом. У приладах цього типу ультрафіолетове випромінювання газу перетворюється в видиме за допомогою фотолюмінофора. В одному скляному балоні індикатора можуть розміщуватися декілька світлових комірок люмінофору, в яких кожна має свій колір.

Схема конструкції ГІП постійного струму з зовнішньою адресацією показана на рис. 13.5.

156

1 1

2

3

Така панель є сукупністю великої кількості двохелектродних газорозрядних комірок; світло виникає лише в комірках, які знаходяться на перетині тих канальних електродів, на які подана напруга. Для підвищення стабільності роботи панелі між верхніми та нижніми електродами розміщується діелектрична пластина з отворами. У газорозрядних панелях може використовуватись як світло газового розряду, так і світло шару люмінофора.

Особливістю ГІП постійного струму з самоскануванням є наявність внутрішньої розгортки. Уздовж кожної стрічки такої панелі періодично пробігає розряд, який проводить попередню іонізацію газового проміжку комірок; світло самого розряду дуже слабе і непомітне. Якщо тепер на яку-небудь комірку подати керуючу напругу, то виникає розряд. у таких панелях розряд є однорідним і стабільним.

У ГІП змінного струму електроди покривають тонким шаром діелектрика, в зв’язку з чим через панель може протікати лише змінний струм. На поверхні діелектрика накопичується заряд, напруженість за рахунок заряду може бути як паралельна, так і непаралельна напруженості зовнішнього електричного поля. Якщо збуджуюча нап-

руга U збігається з різницею потенціалів UН (створена зарядом), то в комірці виникає електричний розряд, який приводить до локальної перезарядки діелектриків. Загальна напруга зменшиться при цьому до

значення U – UН (при відповідному виборі напруги такою, що U < UМ < U+UМ, де UМ – напруга запалювання тліючого розряду) і розряд

погасне. Після зміни полярності напруги U процес повториться, в результаті чого комірка буде випромінювати періодичні імпульси світла. У той самий час ті комірки, на які не було попередньо надано

напругу UН, не будуть запалюватись взагалі. Таким чином, такі ГІП мають властивість запам’ятовувати інформацію, що важливо при конструюванні матричних екранів. Газорозрядні індикатори мають досить великий термін (біля 10000 год) експлуатації.

157

Лекція 14. ТВЕРДОТІЛЬНІ СВІТЛОВИПРОМІНЮЮЧІ ПРИЛАДИ

Індикатори на основі світлодіодів.

Індикатори на основі порошкоподібних електролюмінофорів.

Індикатори на основі плівкових електролюмінофорів.

14.1. Індикатори на основі світлодіодів

Принцип роботи напівпровідникових індикаторів, в яких вико-

ристовується явище інжекційної електролюмінесценції, розглянутий раніш, тому тут ми зупинимося лише на деяких характеристиках приладів, що випускаються.

Успіхи в розробці технології одержання світлодіодів привели до створення індикаторів, що випромінюють у червоній, жовтій і зеленій частинах спектра. Основними матеріалами для подібних приладів є GaAs1–ХPХ (варіюючи Х від 0,4 до 1, вдається змінювати колір випромінювання індикатора від червоного до зеленого), GaР (при легуванні його азотом виникає випромінювання зеленого кольору, а при легуванні цинком і киснем – червоного), а також SiС (жовте світіння). Донедавна найбільших труднощів викликало виготовлення світлодіодів, що мають більш короткохвильове випромінювання. Проте індикатори на основі SiС, що випромінюють світло в блакитній області спектра, випускаються серійно, причому по мірі удосконалення технології виробництва їх вартість все більше знижується, наближаючись до вартості світлодіодів інших кольорів світіння.

Загальною перевагою напівпровідникових індикаторів перед індикаторами інших типів є низька робоча напруга, що дозволяє безпосередньо стикувати світлодіоди з інтегральними напівпровідниковими схемамикерування. Усвітлодіодіввеликийтермінексплуатації (до106 год), висока швидкодія (10–8...10–9с), широкий діапазон робочих температур

(від – 60 °С до +125 °С).

Розроблено напівпровідникові індикатори з керованим кольором світіння. Так, на основі GaР виготовляється прилад із двома p–n-пе- реходами, легованими різними акцепторними домішками. Кожен p–n-пе- рехід має окремі виводи, що дозволяє регулювати колір світіння від зеленого до червоного. Існують і інші способи варіації кольору світіння напівпровідникових індикаторів: зустрічно-паралельне ввімкнення двох світлодіодів, що випромінюють у різних областях спектра, використання антистоксових люмінофорів (перетворюючих інфрачервоне випромінювання одного зі світлодіодів у видиме), виготовлення p–n-пе-

158

реходів спектр випромінювання яких має не один, а два максимуми, причому, відношення інтенсивностей цих смуг визначається струмом, що протікає через перехід.

У залежності від необхідних розмірів напівпровідникові індикатори виготовляють у монолітному чи в гібридному виконанні. У першому випадку знакові індикатори з розмірами символів до 3 мм являють собою блок світлодіодів, виконаний на одному напівпро-

Вольт-амперна характеристика світлодіода аналогічна вольтамперній характеристиці напівпровідникового діода. Допустима зворотна напруга, яка подається на світлодіод, невелика (не більш 3...7 В). Постійна пряма напруга, щоприкладається досвітлодіода, рівна1...2 В.

Яскравість світлодіода залежить від його конструкції, струму, що проходить через прилад. Звичайно яскравість змінюється від 10 до 50 кд/м2, хоча є відомості про розробку випромінювачів з яскравістю 250 кд/м2 і вище. У залежності від кольору світіння світлова віддача серійних напівпровідникових індикаторів складає 0,1...1 лм/Вт, енергетичний вихід при цьому дорівнює 0,1...0,5 %. Перспективи підвищення ККД світлодіодів визначаються шляхом вирішення задачі збільшення частки випромінювальних рекомбінацій у світлодіодній структурі. Реально досяжний зовнішній енергетичний вихід складає десятки відсотків, це відповідає світловій віддачі 300...500 лм/Вт, для світлодіодів із зеленим і 100 лм/Вт – з червоним кольорами світіння.

159