Виды оптоэлектронных индикаторов

Индикатором называют электронный прибор, предназначенный для преобразования электрических сигналов в световые с пространственным распределением яркости и контраста. Физические эффекты, используемые в устройстве индикатора и определяющие его вид, исключительно разнообразны. Основные из них следующие:

1. Свечение вольфрамовой нити, помещенной в вакуум и раскаленной пропусканием через нее электрического тока (накальные индикаторы - рис.1, 70, 78, 63, 75, 80).

2. Свечение, сопровождающее электрический разряд в газах (газоразрядные индикаторы - рис. 3, 20, 64, 73, 76, 84).

3. Предпробойная электролюминесценция порошковых люминофоров в переменном электрическом поле (катодлюминесцентные индикаторы - рис. 2, 19, 65, 76, 82).

4. Инжекционная люминесценция монокристаллических полупроводников с p-n-переходами (полупроводниковые индикаторы – рис. 66, 81, 75).

5. Электролюминесценция тонких поликристаллических полупроводниковых пленок в постоянном и переменном электрических полях (тонкопленочные электролюминесцентные индикаторы – рис. 67, 75, 81).

6. Электрооптические эффекты в жидких кристаллах (жидкокристалли­ческие индикаторы – рис. 68, 76, 83,79).

7. Изменение окраски некоторых веществ при пропускании через них электрического тока (электрохромные индикаторы – рис. 69, 77, 79).

8. Перемещение заряженных цветовых частиц под действием электрического поля (электрофоретические индикаторы – рис. 77, 79).

Индикаторы видов 1 - 5 основаны на светогенерационных эффектах, в то время как жидкокристаллические, электрофоретические и электрохромные приборы требуют внешней подсветки и основаны на изменении световых характеристик.

Среди светогенерационных индикаторов выделяются приборы с прямым (2, 3, 4, 5) и двухступенчатым (1) преобразованием электрической энергии в световую. Индикаторы видов 1, 4, 5 управляются электрическим током, видов 2, 3, 6-напряжением, видов 7, 8- управляются электрическим зарядом.

В качестве активных сред в индикаторах выступают металл (1), полупроводники (4, 5), порошки (3), жидкие кристаллы (6), газы (2), коллоидная жидкость (8). Самыми распространенными являются полупроводниковые, газоразрядные, люминисцентные и жидкокристаллические индикаторы.

Различные типы индикаторов могут быть разбиты на следующие группы: знакомодулирующие, в которых сечение светового и электронного пучка повторяет форму знака; знакосинтезирующие, в которых знаки синтезируются по принципу фигур Лиссажу; знакогенерирующие, в которых изображение формируется с помощью мозаики независимо управляемых элементов-преобразователей сигнал-код. По характеру отображений информации индикаторы делятся на единичные (точечные), шкальные, цифровые и цифро-буквенные (одно- и многоразрядные), матричные и мнемонические.

Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) управляют отражением и пропусканием света для создания изображений цифр, букв, символов и т.д. В отличие от светодиодов, жидкокристаллические индикаторы не излучают свет. Основу ЖКИ составляют жидкие кристаллы (ЖК), молекулы которых упорядочены послойно определенным образом между двумя стеклянными пластинами. В каждом слое сигарообразные молекулы ЖК выстраиваются в одном направлении, их оси становятся параллельны (рис. 9).

Под действием электрического поля молекулы ЖК переориентируются параллельно полю. Этот процесс называется твист-нематическим полевым эффектом. При такой ориентации поляризация света не скручивается при прохождении через слой ЖК. Если передний поляризатор ориентирован перпендикулярно заднему, свет пройдет через включенный дисплей, но заблокируется задним поляризатором. В этом случае ЖКИ действует как заслонка свету. Отображение различных символов достигается избирательным травлением проводящей поверхности, предварительно созданной на стекле. Невытравленные области становятся символами, а вытравленные - фоном дисплея.

Символы создаются из одного или нескольких сегментов. Каждый сегмент может быть адресован (запитан) идивидуально, чтобы создать отдельное электрическое поле. Таким образом, прохождение света управляется электрически, включая и отключая необходимые сегменты. В неактивной части дисплея направленность молекул остается спиральной, формируя фон. Запитанные сегменты составляют символы, контрастирующие с фоном. В зависимости от ориентации поляризатора, ЖКИ может отображать позитивное или негативное изображение. В дисплее с позитивным изображением передний и задний поляризатор перпендикулярны друг другу, так что незапитанные сегменты и фон пропускают свет с измененной поляризацией, а запитанные препятствуют прохождению света. В результате - темные символы на светлом фоне. В дисплее с негативным изображением поляризаторы параллельны, "в фазе", препятствуют прохождению света с повернутой поляризацией, так что незапитанные символы и фон темные, а запитанные - светлые. Рефлективный ЖКИ имеет отражатель (рефлектор) за задним поляризатором, который отражает свет, прошедший через незапитанные сегменты и фон. В негативных рефлективных дисплеях свет отражается через запитанные, "включенные" сегменты. Трансмиссивные дисплеи используют те же принципы, но фон или сегменты становятся ярче за счет использования задней подсветки.

В электрохромных индикаторах используется явление изменения цвета под действием приложенного электрического поля. В настоящее время разработаны ЭХИ на основе реакции восстановления металлических оксидов WO₃ и реакции восстановления органических соединений  виологенов (компаундов и других соединений) на поверхности электродов. В работе ЭХИ на основе тонких пленок WO₃ можно выделить три стадии: запись, запоминание и стирание. Запись и стирание реализуются при подаче на электроды ЭХИ постоянного напряжения (11,5 В) или тока, при этом в первом случае ток, протекающий между электродами, будет переменным, а во втором  напряжение между электродами будет зависеть от времени. Достоинства ЭХИ: малая потребляемая мощность, широкий диапазон рабочих температур, малые рабочие напряжения (около 1В), большая контрастность, не зависящая от угла зрения. Недостатки: небольшой выбор цветов, большие времена реакции и релаксации, относительно малый срок службы.

Электрофорез  направленное движение в жидкости дисперсных частиц (коллоидных и взвешенных твердых частиц, пузырьков газа, капель другой жидкости) под действием электрического поля. В электрофоретичеких индикаторах реализуется движение взвешенных заряженных пигментных частиц в окрашенной безводной жидкости под действием электрического поля. В результате электрофореза изменяются коэффициент отражения и цвет рабочего вещества. Электрофоретические индикаторы состоят из слоя коллоидной жидкости толщиной 25100 мкм, помещенной между двумя стеклянными пластинами с расположенными на их внутренних поверхностях прозрачными электродами. Диапазон температур 1550С, ресурс работы 10⁸ циклов.

Описание к КПК «p-n-переходы и диоды на их основе»

Диод – электропреобразовательный прибор, содержащий, как правило, один электрический переход и два вывода для подключения к электрической цепи. В качестве выпрямляющего перехода в диодах может быть электронно–дырочный переход, гетеропереход или контакт между металлом и полупроводником (переход Шоттки (рис.VIII)).

В зависимости от назначения и выполняемых функций их делят на выпрямительные, импульсные, варикапы, стабилитроны, стабисторы и пр.

Выпрямительный диод — это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный (однополярный) (рис.IX). Принцип работы выпрямительных диодов основан на использовании односторонней проводимости (вентильных свойств) электрического перехода. Они служат для преобразования переменного двухполярного тока в однополярный пульсирующий.

Наибольшую информацию об электрических свойствах выпрямительных диодов можно получить из ВАХ. На рис. 1 изображены ВАХ выпрямительных диодов, выполненных из Ge (кривые 1 и 6), Si (кривые 2 и 5), GaAs (кривые 3 и 4). Если сравнить прямые ветви трех диодов, изготовленных из разных материалов, с разной шириной запрещенной зоны, то у диода с большей будет больше высота потенциального барьера. Следовательно, прямой ток через диод из материала с большей будет меньше при том же прямом напряжении.

С увеличением концентрации примесей высота потенциального барьера будет увеличиваться, а значит, прямой ток при том же прямом напряжении будет меньше (рис.9 кривая 2).

С увеличением температуры прямое напряжение уменьшается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера p-n-перехода и с перераспределением носителей заряда по энергиям (рис. 9 кривая 1).

На рис. 14 приведена энергетическая диаграмма выпрямительного диода в состоянии равновесия, на рис. 15 – при прямом включении диода, на рис.16 – при обратном включении. На диаграммах обозначены точками СКМ – валентная зона, АDEF – зона проводимости, ACGK – запрещенная зона. Ширина p-n-перехода обозначена буквами DE, контактная разность потенциалов – FG, уровень Ферми – BH.

Различают 3 типа пробоя диодов: тепловой, лавинный (электрический) и туннельный.

Пробой германиевых диодов имеет тепловой характер (рис.12). С ростом обратного напряжения рост обратного тока вызывает увеличение температуры, усиление процесса термогенерации, повышение концентрации неосновных носителей и еще более резкий рост обратного тока. Подводимая к переходу мощность Р_под становится больше отводимой Р_отв, в результате p-n-переход разрушается и диод выходит из строя. Пробивное напряжение германиевых диодов уменьшается с увеличением температуры (Т₂>Т₁), а значения этого напряжения меньше пробивных напряжений кремниевых диодов.

Пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер (рис. 10). Под действием высокого напряжения электроны ионизируют атомы. При этом число электронов растет лавинообразно, обратный ток резко возрастает. Поэтому пробивное напряжение с увеличением температуры увеличивается (Т₁>Т₂). Лавинный пробой является обратимым, т.е. не разрушает p-n-переход. В режиме электрического пробоя работают стабилитроны (рис.IV).

Полупроводниковый стабилитрон — это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смешении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения.

Основные параметры обозначены точками на ВАХ (рис.2): напряжение стабилизации – D, соответствующий ему ток стабилизации – В, минимально допустимый ток стабилизации I_{ст min}– А, максимально допустимый ток стабилизации I _{ст max} – точкой С.

В низковольтных стабилитронах с напряжением стабилизации менее 6В, происходит туннельный пробой (рис.11), а пробивное напряжение при туннельном пробое уменьшается с увеличением температуры (<0) (Т₂>Т₁).

Импульсный полупроводниковый диод (рис. IX) — это полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Импульсные диоды могут работать как от генератора тока, так и от генератора напряжений. В первом случае специфическим параметром импульсного диода является время установления прямого напряжения диода t_уст, равное интервалу времени от момента подачи импульса прямого тока на диод (при нулевом начальном напряжении смещения) до достижения заданного значения прямого напряжения на диоде (рис.3). Во втором случае – одним из основных параметров импульсного диода является время восстановления обратного сопротивления t_воc, равное интервалу времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода с заданного прямого тока в состояние заданного обратного напряжения до момента достижения обратным током заданного низкого значения (рис.4).

Паразитными параметрами p-n–перехода являются барьерная и диффузионная емкости. Барьерная ёмкость является преобладающей при обратных и небольших положительных напряжениях. Барьерная ёмкость имеет высокую добротность, поскольку дифференциальное сопротивление велико. На практике барьерная ёмкость бывает от долей пкФ до сотен пкФ. Барьерная ёмкость не зависит от частоты, вплоть до 10¹² Гц. Барьерная ёмкость слабо увеличивается с ростом температуры из-за снижения высоты потенциального барьера (рис.13 кривая 1).

Диффузионная ёмкость обусловлена неравновесными (неосновными) носителями в базе. Является преобладающей при положительных напряжениях. Ёмкость может достигать значений в несколько мкФ (рис. 13 кривая 2).

Варикап (рис.V)— это полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. На рис. 13 кривая 1 показывает зависимость емкости варикапа от обратного напряжения.

Обращенным называют диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении (рис. VII).

При концентрациях примесей в р- и n-областях диода, меньших, чем в туннельных диодах, но больших, чем в обычных выпрямительных диодах, можно получить диод, энергетическая диаграмма которого показана на рис. 17. Уровень Ферми при такой средней концентрации примесей расположен на потолке валентной зоны р-области (точка А) и на дне зоны проводимости n-области диода (точка С), т. е. потолок валентной зоны р-области и дно зоны проводимости n-области при нулевом смещении на диоде находятся на одной высоте по энергетической диаграмме.

Oбращённые диоды обладают выпрямляющим эффектом, но пропускное (проводящее) направление у них соответствует обратному включению, а запирающее (непроводящее) — прямому включению (рис. 8). На рисунке изображены ВАХ обращённых диодов, выполненных из: Ge (кривые 2 и 3) и GaSb (кривые 1 и 4). (∆W_GaSb=0.72 эВ, ∆W_Ge =0.746 эВ).

Туннельный диод (рис. VI) – полупроводниковый прибор на основе p-n-перехода, образованного вырожденными полупроводниками (концентрация примеси N≈10²⁰ см^-3).

Особенности туннельного диода: концентрация примеси высокая, что в сотни раз больше, чем в выпрямительных диодах; малая толщина перехода (≈0,01мкм). В результате, даже при малых напряжениях напряженность электрического поля достигает величин порядка 10⁶ В/см, а полупроводник становится вырожденным, то есть уровень Ферми заходит в p-области в валентную зону, а в n-области в зону проводимости. Энергетическая диаграмма туннельного диода в состоянии равновесия приведена на рис. 18.

Если к переходу приложено прямое напряжение 0 < U < U_п, потенциальный барьер (рис. 19) снижается, против занятых уровней n-области появляются разрешенные свободные уровни валентной зоны p-области. Появляется туннельный ток. При U = U_п (пиковое напряжение – точка А на рис.7) все уровни зоны проводимости n-области окажутся против свободных уровней валентной зоны, то есть прямой туннельный ток будет максимальным.

Если прямое напряжение станет больше U_п, барьер еще понизится (рис.20) и часть занятых уровней n-области окажется против запрещенной зоны p-области. Туннельный ток будет уменьшаться. При некотором U = U_в (напряжении впадины – точка С на рис.7) туннельный ток прекратится.

Туннельные диоды характеризуются специфическими параметрами: пиковый ток I_п, ток впадины I_в, отношение токов туннельного диода I_п/I_в, напряжение пика U_п, напряжение впадины U_B. Их можно определить по ВАХ на рис.7. На этом рисунке приведены ВАХ диодов, выполненных из Ge (кривая 1) и GaAs (кривая 2) (∆W_GaАs=1.43 эВ, ∆W_Ge =0.746 эВ).

Полупроводниковым прибором отображения информации является светоизлучающий диод (СИД) (рис. I). Их изготавливают из широкозонных полупроводниковых материалов ∆W>1.7эВ. На рис. 5 изображены ВАХ светодиодов, выполненных из: GаAs (кривая 1), GaP (кривая 2), SiC (кривая 3) (∆W_GaAs=1.43 эВ, ∆W_GaР =2.26 эВ, ∆W_SiC =2.39эВ).

Полупроводниковым приемником излучения является фотодиод (рис.II). Его обратный ток зависит от освещенности. На рис.6 изображена ВАХ фотодиода. Кривая А соответствует затемненному состоянию (световой поток Ф=0). При освещении фотодиода обратный ток через него возрастает на величину, называемую фототоком. Кривая С соответствует большему световому потоку Ф_с>Ф_в.

37