ЗНАКОСИНТЕЗИРУЮЩИЕ ИНДИКАТОРЫ

Полупроводниковые индикаторы (ППИ). Появившись в про­мышленности в конце 1960-х гг., эти индикаторы по существу определили начало внедрения оптоэлектроники в системы отоб­ражения информации. Физической основой ППИ является инжекционная электролюминесценция, наиболее характерно проявляю­щаяся в прямозонных тройных соединениях GaAsP и GaAlAs и в непрямозонном GaP . Технологичность газовой эпитаксии предопределила преимущество GaAsi-xPx-иидикаторов красного цвета свечения (xr;0,4); дополнительное их достоинст­во состоит в том, что при изменении концентрации фосфора мож­но получить оранжевое (х»0,65) и желтое (х^0,85) свечения. Красный цвет свечения имеют GaP(Zn—О)-индикаторы, однако их яркость невелика; подлинный же интерес структуры GaP(N) представляют для создания индикаторов желтого и в особенности зеленого (л_НЗл~560 нм) цветов свечения. Наибольшую яркость ч красной области обеспечивают GaAlAs-индикэторы, но они слож­ны и дороги (из-за применения жидкофазной эпитаксии) и по­этому имеют ограниченное распространение.

Разработаны и успешно используются несколько конструкций полупроводниковых индикаторов (рис. 8.2). В миниатюрном мо­нолитном индикаторе сегменты создаются методом фотолитогра­фии на GaAsP-кристэлле с типичным размером 2x3 мм. Наборы таких кристаллов образуют индикаторы электронных наручных часов. Широко распространена гибридная конструкция, в которой каждый сегмент представляет собой отдельный излучающий крис­талл; все сегменты монтируются на керамическое основание и опрессовываютея пластмассой. Высокая яркость свечения свето­диодных кристаллов позволяет использовать различные способы увеличения изображения: в многоразрядных монолитно-гибрид­ных индикаторах для этой цели служит пластмассовая моноблоч­ная линза; в конструкции со световодами кристаллы помещают в основании конически расширяющихся прорезей в пластмассовом основании. Крупноформатные полупроводниковые индикаторы группового пользования (с размерами цифр около 100 мм) наби­рают из дискретных светодиодов с увеличенной площадью свече­ния каждого. Полупроводниковые индикаторы нашли широкое применение главным образом в портативной электронной аппара­туре благодаря сочетанию ряда полезных качеств. Прежде всего это возможность перекрытия значительной части видимого диа­пазона спектра (от красного до зеленого), при этом генерируются практически спектрально чистые цвета. Вторая важная особен­ность заключается в полной совместимости ППИ с интегральны­ми микросхемами управления: напряжение возбуждения не пре­вышает 1,5 ...3,5 В, а потребляемый ток может быть менее 10... 1 мА. Как и другие приборы на монокристаллических полупровод­никах, ППИ отличаются высокой эксплуатационной надежностью и практически неограниченной долговечностью.

Совершенствование ППИ идет по нескольким направлениям; улучшение качества и снижение стоимости простейших дискрет­ных и семисегментных индикаторов как приборов, пользующихся наивысшим спросом; создание индикаторов синего (голубого) цвета свечения, двухцветных индикаторов и приборов с перест­раиваемым цветом свечения; поиски новых эффективных материа­лов для инжекционной люминесценции.

Рис. 8.2. Полупроводниковые индикаторы: а — монолитный бескорпусиой: Аl — контактная металлизация; р — светящиеся р-области; n — кристалл GaAsP); б — внешний вид и разрез 8-разрядного монолитно-гибридного инди­катора для калькуляторов: 1 — металлизированная плата; 2 — кристалл с семисегментным рисунком; 3—полимерная моноблочная крышка с линзами; в— внешний вид и разрез гибридного индикатора: 1 — кристалл-светодиод; 2 — пластмассовый корпус со светопро­водами

Важнейший принципиальный недостаток индикаторов на мо­нокристаллических полупроводниках — их бесперспективность для создания крупноформатных многоэлементных экранов — ос­новы систем отображения будущего¹. Фактически с начала 1.980-х гг. график развития ППИ вышел на «участок насыщения».

Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ). Физическую ос­нову этих приборов составляют электрооптические эффекты в жидких кристаллах (ЖК), иными словами, ЖКИ относятся к индикаторам с пассивным растром. Жидкокристаллическое сос­тояние (трактуемое как четвертое агрегатное состояние вещест­ва) характеризуется одновременным сочетанием свойств жидкос­ти (текучесть) и кристалла (анизотропия свойств). Такое состоя­ние обнаруживается для огромного числа веществ в некотором температурном интервале между точкой кристаллизации Т_КР (превращение в твердый кристалл) и точкой превращения веще­ства в однородную прозрачную жидкость Т_ж. У многих веществ, интервал Т_ж... Т_кр может составлять десятки градусов, что поз­воляет практически использовать жидкокристаллическое состоя­ние.

Имеется три основных структурных разновидности ЖК: смек- тическая, нематическая, холестерическая; для них характерно то, что молекулы имеют сильно вытянутую конфигурацию и в рав­новесном состоянии появляется тенденция к ориентации этих мо­лекул вдоль какого-то преимущественного направления (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Схематическое расположе­ние молекул жидкого кристалла те­матической (а), смектической (б), холестерической (в) структур

В смектических ЖК молекулы располагаются параллельно их длинным осям и образуют в жидкости чередующиеся слои толщиной в длину молекулы. В тематическом ЖК центры этих мо­лекул расположены хаотично, так что слои не образуются. В холестерических ЖК молекулы также группируются в слои, при­чем их оси лежат в плоскостях этих слоев. Внутри каждой плос­кости ориентация всех молекул одинакова, а само направление этой ориентации постепенно изменяется от слоя к слою, поворачиваясь на некоторый угол.

В индикаторах используются практически только тематичес­кие ЖК, для которых характерны следующие особенности:

межмолекулярные взаимодействия очень слабы, поэтому структура жидкости (характер взаимной ориентации молекул) может легко изменяться под влиянием внешних воздействий;

вязкость ЖК незначительна, поэтому переориентация моле­кул происходит за относительно короткое время;

имеет место оптическая и электрическая анизотропия: значе­ния показателей преломления и диэлектрической проницаемости в направлениях вдоль больших осей молекул («ц и ец) и пер­пендикулярно им (п_х и е_х ) разные (ЖК кристаллы обладают двойным лучепреломлением);

в зависимости от знака величины Де=ец—е_х различают по­ложительную (Ae>0) и отрицательную (Ае-<0) диэлектричес­кую анизотропию: при приложении электрического поля молеку­лы ЖК первого типа ориентируются вдоль поля, второго типа — поперек;

сильная анизотропия свойств и возможность перестройки структуры проявляются в ряде электрооптических .эффектов.

Синтезированные и используемые ЖК представляют собой смеси сложных органических соединений с очень высоким удель­ным сопротивлением (до 10¹⁶ Ом-см). Введение специальных до­бавок («легирование» ЖК) позволяет снизить эту величину до 10^й... 10¹⁰ Ом-см. Предельные нижнее и верхнее значения рабо­чей температуры обычно лежат в интервалах —30...0°С и + 50...+80° С.

Исторически первым эффектом, использованным в ЖКИ, ■стал эффект динамического рассеяния- (рис. 8.4). Если к слою слабопроводящего ЖК с отрицательной диэлектрической анизо­тропией приложить электрическое поле, то молекулы ориентиру­ются поперек поля, а поток ионов стремится нарушить эту ори­ентацию. При некоторой плотности тока проводимости возникает состояние турбулентности (беспорядочного колебания молекул), разрушающее ранее упорядоченную структуру ЖК и внешне про­являющее как помутнение.

Твист-эффект наблюдается в слое ЖК, подвергнутом специ­альной предварительной технологической обработке (рис. 8.5). В зазоре между двумя стеклянными пластинами различными спо­собами достигают «скручивания» структуры ЖК, т. е. такого расположения молекул, когда их большие оси параллельны огра­ничивающим поверхностям, а направления этих осей вблизи плас­тин взаимно перпендикулярны. В толще жидкости ориентация

Рис. 8.5 Твист-эффект в жидких кристаллах: расположение больших осей мо­лекул вблизи границ при отсутствии (а) и приложении (б) электрического поля

молекул постепенно меняется от верхней граничной ориентации к нижней. Технологически скручивание достигается многими спосо­бами: натиранием стеклянных пластин во взаимно перпендику­лярных направлениях, косым напылением пленок моноокиси кремния или германия, нанесением поверхностно-ориентирующих слоев органических поверхностно-активных покрытий и т. п. Слой скрученного нематического ЖК поворачивает плоскость поляри­зации проходящего света на л/2. Если к ячейке приложить элект­рическое поле, то при условии положительной диэлектрической анизотропии ЖК все молекулы сориентируются вдоль поля, эф­фект скручивания пропадет и изменения поляризации света не произойдет. При помещении на входе и выходе ЖК ячейки по­ляризатора и анализатора модуляция поляризации преобразует­ся в амплитудную. Твист-эффект в отличие от эффекта динамиче­ского рассеяния является чисто полевым, а не токовым. Это дает существенный выигрыш в энергопотреблении. Кроме того, при твист-эффекте существенно больше углы обзора и выше разре­шающая способность.

Эффект «гость — хозяин» проявляется в тонких слоях немати­ческого ЖК (с положительной диэлектрической анизотропией), легированного примесями красителя (рис. 8 6). В отсутствие по­ля смесь гомогенна и эффективное поглощение поляризованного- света комплексом молекула нематика («хозяина») — молекула красителя («гость») придает слою окраску, характерную для красителя. Приложение поля изменяет ориентацию молекул не­матика так, что поглощение света ослабевает и слой становится бесцветным (или слабо окрашенным). Ценность данного эффек­та для ЖКИ заключается в возможности отображения цветных изображений, причем свобода в выборе цвета практически без­гранична.

Термооптический эффект фазового перехода заключается в следующем. Пропускание импульса тока через определенный участок ЖК смектического типа приводит к его локальному иа-

Рис. 8.6. Эффект «гость — хозяин»: а — ориентация молекул в отсутствие поля U — молекула красителя; 2 — металлические контакты; 3— стеклянные пластины; 4 — поляризатор; 5 — молекула ЖК); б — ориентация молекул после приложения напряжения; в, г — спектры поглощения в невозбужденном и возбужденном состояниях

греву и переходу в изотропную или беспорядочно ориентирован­ную фазу. Во время последующего резкого охлаждения (после прекращения импульса) при переходе через некоторую темпера- ^ТУРУ ЖК приобретает нематическую структуру, при этом ориен­тация его молекул оказывается чувствительной к воздействию электрического поля: охлаждение в присутствии поля возвраща­ет вещество в прозрачное состояние, охлаждение без поля — в сильно деформированную непрозрачную текстуру. И то, и другое состояния сохраняются достаточно долго (запоминаются), благо­даря чему не требуется регенерации изображения, что в конеч­ном счете упрощает схему управления. Стирание непрозрачного состояния осуществляется путем пропускания дополнительного токового импульса локального нагрева. Эффект интересен нали­чием памяти, что играет решающую роль при организации схем управления большими экранами.

Известен ряд других электрооптических эффектов в ЖК, но они значительно реже применяются в индикаторах. Заметим в
заключение, что, говоря об ориентации молекул, следует иметь в виду статистический характер этого процесса; в теории исполь­зуется вектор преимущественной ориентации (директор), усред- ненно характеризующий рассматриваемый микрообъем (см. рис. 8.3).

Устройство ЖКИ достаточно простое (рис. 8.7): кроме двух стеклянных пластин, между которыми помещен слой ЖК, в кон­струкцию входят элементы герметизации, пленочные прозрачные электроды, определяющие конфигурацию отображаемых фраг­ментов, внешние выводы, пластины поляризатора и анализатора (когда это необходимо). Чаще всего ЖКИ работают на отраже­ние, иногда — на просвет. К достоинствам ЖКИ относятся ма­лая потребляемая мощность (до 10 мкВт/см²), низкое напряже­ние возбуждения (2...20 В) и, как следствие, совместимость с МДП-микросхемами, высокий контраст в условиях сильной внеш­ней засветки, простота реализации и малых (1,5... 3 мм), и боль­ших (до 500 мм) знаков, панельная плоская конструкция, широ­кий выбор исходных ЖК, простота технологического процесса и низкая стоимость.

К числу недостатков ЖКИ относятся узкий диапазон рабочих температур, сложность мультиплексного режима работы (из-за относительно медленной переориентации молекул), необходи­мость внешней засветки, небольшой угол обзора.

Основные направления развития ЖКИ связаны с созданием больших экранов (см. § 8.3), обеспечением многоцветное™, улуч­шением эксплуатационных свойств.

Рис. 8.7. Устройство ЖКИ: 1 — поляроидные пластины; 2 — прозрач­ные электроды; 3 — ограничитель-фикса­тор; 4 — стеклянные обкладки

Вакуумные люминесцентные индикаторы (ВЛИ). Физической основой работы этих приборов служит явление низковольтной катодолюминесценции (НВК), т. е. сечение люминофора при его бомбардировке медленными электронами (с энергией до 100 эВ). В отличие от высоковольтной катодолюминесценции хорошо

Рис. 8.8. Устройство одноразрядного вакуумного люминесцентного инди­катора :

1 плата; 2, 7 — проводящие слон; 3 — вывод: 4 — люминофор: 5 — экранирующий электрод; 6 — сетка; 8 — катод.

изученной и широко используемой в ЭЛТ, при НВК электроны тормозятся и поглощаются в тонком поверхностном слое. При этом имеет место несколько механизмов передачи энергии элект­рона кристаллу: взаимодействие с валентным электроном и его перевод на верхние уровни свободной зоны (образование «горя­чих» электронов), взаимодействие с кристаллической решеткой и возбуждение упругих колебаний в объеме (объемные плазмоны) и на поверхности (поверхностные плазмоны); взаимодействие с ■отдельными атомами кристаллической решетки практически без потерь энергии. Плазмоны крайне недолговечны (около 10^-15 с), при их затухании в результате внутренней конверсии образуются свободные электроны. Пороговые энергии образования плазмонов составляют 10... 20 В, возбуждение валентных электронов требу­ет еще меньшего потенциала.

Образовавшиеся свободные носители стекают в глубь люми­нофора, поэтому процесс их рекомбинации идет так же, как при высоковольтной катодолюминесценции (спектры излучения прак­тически совпадают). Предельный КПД также не может быть бо­лее 30%, квантовый выход люминесценции не превышает 1. Это •требует для эффективного протекания НВК существенно боль­ших плотностей тока и меньших скважностей, т. е. сверхскорост­ное сканирование электронным лучом, как в ЭЛТ, в случае НВК невозможно.

Итак, порог НВК близок к 10 В; при превышении порога яр­кость растет пропорционально и напряжению, и току.

В качестве низковольтных катодолюминофоров может быть использован ряд широкозонных полупроводников, главным обра­зом ZnS, ZnO, CdS. В отличие от традиционных катодолюмино­форов необходимы добавки металлов (Zn, Al, Eu, Ag и др.) для придания электропроводности: в ВЛИ ток электронной бомбар­дировки протекает через люминофор, при этом не должно проис­ходить большого падения напряжения, «запирающего» поверх­ность.

Устройство ВЛИ традиционно для электровакуумных прибо­ров (рис. 8.8). В цилиндрическом или плоском вакуумном балло­не монтируется керамическая плата, на которой размещены кон­тактные площадки (в форме сегментов) с пленкой люминофора. Иногда на той же плате располагается управляющая МДП-мик- росхема. Эмиссия электронов осуществляется прямонакальным оксидным катодом, их ускорение — положительным напряжени­ем на управляющей сетке. Вакуумные люминесцентные индика­торы выпускаются в виде одно- или многоразрядных цифровых и ■буквенных индикаторов, линейных шкал, специализированных экранов средней информационной емкости.

Достоинствами вакуумных люминесцентных индикаторов яв­ляются отличные эргономические свойства: высокая яркость, при­ятный для глаза зеленый цвет свечения, широкий угол обзора, отсутствие паразитной засветки; полное сопряжение с МДП-мик- росхемами по уровням напряжения и тока; возможность изготов­ления знакомест практически любого размера; хорошие эксплуа­тационные свойства, возможность работы в условиях экстремаль­ных климатических и механических воздействий; технологичность и низкая стоимость, основанные на использовании автоматизиро­ванных сборочных линий электровакуумного производства и от­сутствии дефицитных и дорогостоящих материалов.

Другие разновидности индикаторов. Рассмотренные жидко­кристаллические, вакуумные люминесцентные, полупроводнико­вые приборы фактически составляют основу современной техни­ки знакосинтезирующих индикаторов сферы малоформатных сис­тем отображения информации. Огромный промышленный потен­циал каждого из этих направлений служит залогом того, что подобное положение сохранится долгое время. Однако специфика потребительского спроса оправдывает существование других ти­пов ЗСИ, а также поиски новых решений в этой области.

Газоразрядные индикаторы используют люминесценцию газо­вого разряда (см. § 2.4). Основу любого прибора этого класса составляет элементарный газоразрядный промежуток (рис. 8.9), заполняемый обычно неоном (оранжевое свечение), а иногда ге­лием (желтое), аргоном (фиолетовое) или другими газами и их смесями. Используется и двойное преобразование энергии: напри­мер УФ-излучение разряда в ксеноне, воздействуя на фотолюми­нофор, вызывает свечение в видимой области. При возбуждении разряда постоянным током имеет место нежелательное распыле­ние материала катода, поэтому более перспективна работа на пе­ременном токе.

В газоразрядных ЗСИ используется как пакетная конструк­ция (баллон, содержащий набор из десяти изолированных като­дов, фиксированно высвечивающих разные цифры), так и более современная — сегментная. Зажигание и поддержание газового разряда требует высокого напряжения (до сотен вольт), приборы сложны и громоздки, отличаются невысокими эргономическими свойствами. Практически газоразрядные ЗСИ используются в ус­таревшей аппаратуре, в новых разработках их полностью вытес­нили ВЛИ. Лишь создание крупноформатных плоских экранов с газоразрядным свечением открыло перед этим направлением но­вые широкие перспективы.

Рис. 8.9. Газоразрядный промежуток с внутренними (а) и внешними (б) элек­тродами и его условное обозначение (в): 1 — диэлектрик; 2 — металл; 3 — газовая среда

Вакуумные накалъные индикаторы так же, как и газоразряд­ные, относятся к числу старых «дооптоэлектронных» приборов. В вакуумном стеклянном баллоне из вольфрамовых нитей сформи­рованы цифры, высвечивающиеся при пропускании через них то­ка. Этим приборам присущи все недостатки теплового излучения (см. § 2.4), они громоздки и сложны, однако рекордно высокая яркость и отличные эксплуатационные свойства (температурная и радиационная стойкость, долговечность) обусловливают их вне­конкурентное™ в ряде специальных областей применения. Перс­пектив совершенствования и развития это направление, по-види­мому, не имеет.

Электролюминесцентные (порошковые) индикаторы, основан­ные на предпробойной люминесценции (см. § 2.4) и использую­щие в качестве элементарного фрагмента электролюминесцент­ную ячейку (см. § 5.1), получили заметное распространение бла­годаря таким свойствам, как возможность высвечивания очень больших площадей (десятки квадратных метров), многоцветность, простота изготовления. Однако малая светоотдача и очень низ­кая яркость, сложность возбуждения (переменное напряжение 220 В частотой до 1000 Гц), недолговечность (как правило, 3... 5 тыс. часов) предопределили ограниченность применения этих ин­дикаторов.

Принципиально по-иному электролюминесценция проявилась в тонкопленочных полупроводниковых индикаторах, что послу­жило основой развития одого из направлений создания крупно­форматных экранов (см. § 8.3).

Электрохромные индикаторы (ЭХИ) нередко рассматривают­ся как возможная альтернатива ЖКИ. Основа их действия — электрохромный эффект, т. е. обратимое изменение цвета мате­риала при протекании электрического тока, проявляется в одной из двух форм (рис. 8.10). В тонкопленочной структуре на основе трехокиси вольфрама при подаче на верхний электрод отрица­тельного напряжения в электрохромный материал инжектируют­ся электроны и в нем возникают центры окрашивания: цвет

Рис. 8.10. Ячейки электрохромных индикаторов: а — тонкопленочиого: 1 — стеклянная подложка; 2 —прозрачный электрод; 3 — трехокись вольфрама; 4 — диэлектрик; 5 — непрозрачный электрод); б —с фиологенной средой:1— активная пленка; 2—прозрачные электроды; 3 — изолятор; 4 — керамическая прокладка; 5 — электролит; 6 — стеклянные подложки

плёнки становится густо-синим. При перемене полярности слой ди­электрика препятствует инжекции электронов снизу и ранее вве­денные электроны экстрагируются анодом — окраска исчезает. Другой электрохромный эффект связан с процессом восстановле­ния — окисления таких органических соединений, как фиологены. В фиологенной ячейке электроды выполнены из окислов переход­ных металлов, а электролит между ними может быть твердым (например, перхлорат лития в органическом растворителе), жид­ким (кислота в смеси с глицерином или гликолем), пористым (на основе натрия и окиси алюминия). При приложении напряжения (1...2 В) между электродами в зависимости от полярности про­исходит либо окрашивание участка электрода (осаждение «окра­шенных» молекул на катоде), либо их обесцвечивание.

Отличительные особенности ЭХИ — это экономичность (ма­лые напряжение и заряд перекрашивания), большой угол обзо­ра, широкий диапазон рабочих температур (до 150° С) и самое главное наличие памяти: записанное состояние может храниться годами при отключенном питании. К их недостаткам относятся прежде всего деградационные эффекты (коррозия электрохром- ного материала), а также значительная инерционность перекра­шивания (секунды) и сложность матричной адресации из-за не­порогового характера переключения.

В некоторой степени подобны ЭХИ электролитический и элек- трофосфоретический индикаторы: в первом при приложении напря­жения идет гальванопластическое осаждение металла на катоде, что изменяет его отражающие свойства; во втором под действи­ем поля в жидкости происходит перемещение заряженных пиг­ментных (окрашенных) частиц.

Сегнетокерамические и магнитооптические индикаторы по принципу действия, используемым материалам и устройству со­ответствуют управляемым оптическим транспарантам (см. §10.2). Для этих индикаторов характерны микросекундная скорость пе­реключения (что важно для организации мультиплексного воз­буждения), наличие памяти, высокая рабочая температура (бо­лее 100°С), стабильность свойств, присущая твердотельным при­борам.

Отметим также перспективность твердотельных блинкерных индикаторов, основанных на тех же принципах, что и оптические транспаранты мембранного типа (см. § 10.1).

В заключение еще раз подчеркнем, что несмотря на интенсив­ные поиски (и находки) новых индикаторных средств домини­рующими в этой области техники остаются вакуумные люминес­центные, полупроводниковые и особенно жидкокристаллические знакосинтезирующие индикаторы.

ЭКРАНЫ

Успехи микроэлектроники, создание аппаратуры на основе микропроцессоров особенно контрастно выявили противоречие между устройствами обработки информации и ее отображения на дисплеях и в телевидении (ТВ). Недостатки ЭЛТ, отсутствие принципиальных путей их преодоления фактически предопреде­ляют невозможность комплексной микроминиатюризации в этой области техники. Вопрос о несовершенстве прежних средств ин­дикации возник после появления транзисторов: именно несоот­ветствие миниатюрных, низковольтных, твердотельных транзис­торов, с одной стороны, и громоздких высоковольтных газораз­рядных и канальных индикаторов — с другой, стимулировало ис­следования конца 1950-х — начала 1960-х гг., приведшие в ко­нечном счете к появлению ПНИ, ЖКИ, ВЛИ, удачно дополнив­ших транзисторную электронику.

Необходимость замены ЭЛТ оптоэлектронным аналогом сов­пала по времени с выдвижением новых перспективных требова­ний к дисплеям и ТВ-экранам, определяющих будущее этой об­ласти техники. Совокупность этих требований для экрана пред­ставляется следующим образом. Экран должен иметь плоскую панельную конструкцию, что обеспечит его подлинную комфорт­ность, а также увеличенные (по сравнению с существующими ТВ- приемниками) габаритные размеры (до 1 ... 1,5 м по диагонали). Строго говоря, выдвигается требование передачи и приема объ­емных изображений, однако реализация этого требования, воз­можная с привлечением голографии, потребует значительного вре­мени. Вместе с тем установлено, что некоторое приближение к ощущению объемности дает «эффект присутствия», обеспечивае­мый крупноформатным экраном.

Следующее требование — уже принятое для телевидения по­вышенной четкости — заключается в доведении числа элементов разложения до 1,5-10⁶ (1200x1200). Это автоматически ведет к повышению тактовой частоты сканирования до нескольких десят­ков мегагерц, применительно к оптоэлектронному экрану необ­ходимо соответствующее изменение организации схемы управле­ния. Крупноформатный экран должен представлять собой матри­цу с фиксированными знакоместами — при этом условии обеспе­чивается необходимая резкость по всему полю. Обязательным является требование цветности (генерация R—G—В-цветов), а также воспроизведение необходимого числа градаций серого-. Исключительное значение приобретает совместимость растра большого экрана с микроэлектронными схемами управления: ма­лые напряжения и токи возбуждения, возможность мультиплекс­ного режима, наличие памяти у светоконтрастных ячеек, порого­вый характер вольт-яркостной характеристики свечения.

Другим важным стимулом создания экранов высокой инфор­мационной емкости является прогресс в области дисплеев, приз­ванный обеспечить «компьютеризацию» всех родов человеческой деятельности. По прогнозам в 1990-е гг. общее число дисплеев в мире превысит 10^s млн, поэтому понятно, что их качеством в зна­чительной степени будут определяться и производительность тру­да, и удовлетворенность человека этим трудом. Отметим, что в области дисплеев требования к экранам и возможности новых технологий находятся в лучшем согласии, чем в случае ТВ-эк­рана.

Исторически первым шагом при создании оптоэлектронных экранов явилась разработка газоразрядных индикаторных пане­лей (ТИП), называемых также плазменными панелями. Основу конструкции такой простейшей панели (рис. 8.1 i) составляет центральная мозаичная пластина, служащая для изоляции раз­рядных промежутков друг от друга. Расстоянием между соседни­ми ячейками определяется разрешающая способность экрана (обычно 10... 20 лин./см). Электроды к ячейкам выполняются в виде системы двух взаимно ортогональных проволочных и тон­копленочных наборов. Схемы управления располагают на зад­ней стороне панели.

В некоторых разновидностях ГИП, преимущественно малой и средней информационной емкости, используется принцип само­сканирования. Для этого в центральной пластине делают специ­альные отверстия, соединяющие определенным образом соседние ячейки. Тогда зажженное состояние, созданное в одной ячейке, последовательно перемещается по всем ячейкам данной строки. Изготавливают панели постоянного и переменного тока, причем последние получили большее распространение из-за меньшего напряжения зажигания разряда, наличия внутренней памяти в ячейках, большей долговечности. Разработанные ГИП характери­зуются числом знакомест 10⁴... 10⁶, высокой контрастностью (до 90%), возможностью высвечивания любых по размеру знаков от

Рис. 8.11. Устройство плазменной панели переменного тока: 1 — защитная пленка; 2 — центральный диэлектрик с ячейками; 3 — системы верхних и нижних электродов; 4 — стеклоцемент; 5 — стеклянные пластины; 6 — внешний вывод; 7 — фиксатор; 8 — штенгель

3 до 100 мм и самое главное пригодностью для изготовления табло коллективного пользования площадью до нескольких квад­ратных метров. Практически ГИП внеконкурентны среди других ■очень крупноформатных плоских экранов для отображения циф- ро-буквенной и графической информации. Вместе с тем в ГИП не удается реализовать яркость, цветность, передачу полутонов, не­обходимых для телевидения.

Наибольшие успехи в создании плоских ТВ-экранов достигну­ты при использовании жидких кристаллов. Основная причина этого ■— малая потребляемая мощность, что позволяет резко уп­ростить схемы управления; кроме того, ЖК-экраны конструктив­но просты, мало чем отличаются от элементарной ячейки (см. рис. 8.7). Созданы промышленные образцы черно-белых и цвет­ных портативных телевизоров с ЖК-экранами. Особенно привле­кательно это направление тем, что оно открыло принципиальную возможность интеграции отображающего растра и схемы управ­ления. Наиболее перспективна для этого технология аморфного кремния. На стеклянной подложке создается пленка а—Sii-_XH_X, которая посредством лазерного отжига по периферии преобразу­ется в поликристаллическую. В этих областях создаются быстро­действующие сдвиговые регистры, в центральной части — МОП (металл — окисел — проводник) — ключи матричной адресации Поверх пленки наливается слой жидкого кристалла, сверху он ограничивается стеклянной пластиной с общим прозрачным эле­ктродом. Завершающая стадия изготовления экрана — гермети­зация структуры по образующей. Схема коммутации может из­готавливаться и на основе ПЗС, в которых просто реализуется построчное сканирование. Принципиальное преимущество аморф­ного кремния перед монокристаллическим заключается в возмож­ности покрытия очень больших площадей и в том, что для соз­дания транзистора необходима всего одна дополнительная опе­рация фотолитографии.

При изготовлении цветных экранов на верхней обкладке соз­даются тонкопленочные оптические фильтры, при этом участки красного, зеленого и синего цветов группируются в триады. Ма­лые размеры участков (100x100 мкм²) и их плотная компоновка приводят к тому, что даже на небольшом расстоянии (десятки сантиметров) наблюдается смешение цветов. Подобные интегри­рованные устройства называют жидкокристаллическими экрана­ми с активной (или адресующей) матрицей (подложкой).

Другое решение проблемы интеграции связано с использова­нием в схеме управления напыленных тонкопленочных транзис­торов на основе селенида кадмия CdSe. Преимуществом этого материала по сравнению с кремнием является более высокая по­движность носителей заряда и соответственно большая тактовая частота регистров сдвига в схеме развертки. Фрагмент такого интегрированного экрана (рис. 8.12) демонстрирует технологиче­скую гармонию отображающего растра и схемы управления. Ис­пользование интегрированных экранов исключает необходимость

Рис. 8.12. Фрагмент интегрированного жидкокристаллического экрана: 1 — общий электрод; 2 — жидкий кристалл; 3 — диэлектрик; 4 — изолятор мест пересечения; 5 — запоминающий конденсатор; 6 — выходная контактная площадка; 7 — электрод стока; 8 — селенид кадмия; 9 — электрод затвора; 10—поляризатор; 11 — стеклянные пластины.; 12, 13 — диффузный отражатель

мультиплексирования благодаря элементам локальной памяти. Тем самым преодолеваются основные трудности возбуждения жидкого кристалла, что в конечном итоге упрощает решение проб­лем передачи полутонов и обеспечения цветности.

Матричные экраны средней информационной емкости (до 10⁴... 10⁵ знакомест) изготовлены на основе НВК, электрохром­ных эффектов, электролюминесценции в порошковых люминофо­рах. В этих устройствах в основном повторяются достоинства и недостатки соответствующих ЗСИ.

После почти четвертьвековых исследований получены обнаде­живающие результаты в разработке тонкопленочных полупро­водниковых индикаторов. В приборах постоянного тока инжекция зарядов в люминесцирующую пленку осуществляется путем создания гетероперехода или МДП (металл—диэлектрик — про­водник) - структуры с туннельно-тонким диэлектриком. Падение напряжения на структуре лежит в пределах от единиц до нес­кольких десятков вольт, при этом яркость достигает 10²... 10³ кд/м², что значительно больше, чем у порошковых ЭЛИ. Однако в тонкопленочных индикаторах постоянного тока не удается пол­ностью преодолеть деградационные процессы в полупроводнике, обусловленные миграционными эффек­тами под действием температуры, электрического тока или напряжения.

Рис. 8.13. Фрагмент тонкопле­ночного полупроводникового индикатора переменного тока: 1 - сегментный электрод; 2, 4 — диэлектрик; 3 — полупроводник; 5 — общий прозрачный электрод; 6 — стеклянное основание

Реальным решением проблемы де­градации явилось создание тонкопле­ночных индикаторов переменного тока (рис. 8.13). Здесь активный слой по­лупроводника «зажат» между двумя диэлектрическими слоями и не взаимо­действует с металлическими электро­дами. Таким образом, ячейка пред­ставляет МДПДМ (металл — диэлек­трик — проводник — диэлектрик —
металл)-структуру, механизм свечения во многом подобен описан­ному для ЭЛИ.

Основной полупроводник — это ZnS(Mn), в качестве диэлект­риков используются Si0₂, А1₂0₃, Ti0₂, Y₂0₃ и др.; основной ме­тод нанесения — вакуумное испарение и ионно-плазменное рас­пыление.

Особенности тонкопленочных индикаторов заключаются в вы­сокой яркости, широком выборе возможных цветов свечения, рез­ко выраженном пороге и суперлинейности вольт-яркостной ха­рактеристики, относительной простоте изготовления, возможнос­ти получения больших светящихся площадей. В этих приборах используются практически те же люминофоры, что и в ЭЛТ, по­этому принципиально могут быть достигнуты и аналогичные эр­гономические параметры. Основной недостаток — сложность уп­равления, по-видимому, может быть преодолен при использова­нии интеграции со схемой управления (так же, как в ЖК-экранах).

Успехи в развитии оптоэлектронных экранов привели к новым идеям в традиционной ЭЛТ-технике: создан ряд конструкций плоских кинескопов. В одном из них (рис. 8.14,а) специальное Отклоняющее устройство изгибает траекторию луча; в другом (рис. 8.14,6) сканирующая и возбуждающая функции электрон­ного луча разделены — для возбуждения используется микрока­нальная пластина; на рис. 8.14,в гибридно объединены элементы ГИП и ЭЛТ.

Рис. 8.14. Плоские ЭЛТ-индикаторы: а —с искривленным электронным лучом: 1 — люминофор; 2 — электронный луч; 3 — откло­няющая система; 4— направление наблюдения; б —с микроканальным умножением: 1— поворачивающая линза; 2 — электронный луч; 3 — микроканальная пластина; 4- отклоня­ющая система; 5 — электронная пушка; в — с газовой плазмой:1 — область газового раз­ряда; 2 —катод; 3 — люминофорный экран; 4 — область электронного потока; 5 — управля­ющий матричный электрод.

Итак, оптоэлектронные экраны могут быть разделены на три группы приборов:

1. Матричные универсальные индикаторы, функционально по­добные ЗСИ для отображения значительных массивов цифро- буквенной, символьной, графической информации. Среди них до­минируют ГИП (крупноформатные экраны), ВЛИ и ЖКИ (эк­раны малых и средних размеров). В этих применениях опто- электронные средства технически и экономически превосходят ЭЛТ.

2. Экраны, выполняющие функции портативных дисплеев уни­версального назначения, пригодных для отображения символьной и образной информации. Они изготавливаются главным образом на основе ЖК.

3. Крупноформатные экраны телевизионного назначения. Воз­можно их получение в виде интегрированных ЖК-экранов или в виде тонкопленочных полупроводниковых панелей переменного тока.

Заключение