Вакуумные люминесцентные индикаторы (ВЛИ).

Физической основой работы этих приборов служит явление низковольтной катодолюминесценции (НВК), т. е. свечение люминофора при его бомбардировке медленными электронами (с энергией до 100 эВ). В отличие от высоковольтной катодолюминесценции хорошо изученной и широко используемой в ЭЛТ, при НВК электроны тормозятся и поглощаются в тонком поверхностном слое.

Образовавшиеся свободные носители стекают в глубь люминофора, поэтому процесс их рекомбинации идет так же, как при высоковольтной катодолюминесценции (спектры излучения практически совпадают).

Устройство ВЛИ традиционно для электровакуумных приборов (рис. 8). В цилиндрическом или плоском вакуумном баллоне монтируется керамическая плата, на которой размещены контактные площадки (в форме сегментов) с пленкой люминофора.

Рис. 8. Устройство одноразрядного вакуумного люминесцентного индикатора :

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

Иногда на той же плате располагается управляющая МДП-микросхема. 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.

Газоразрядные индикаторы используют люминесценцию газового разряда. Основу любого прибора этого класса составляет элементарный газоразрядный промежуток (рис. 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. 9. Газоразрядный промежуток с внутренними (а) и внешними (б) электродами и его условное обозначение (е): 1 — диэлектрик; 2 — металл; 3 — газовая среда

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. 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 пленки становится густо-синим. При перемене полярности слой диэлектрика препятствует инжекции электронов снизу и ранее введенные электроны экстрагируются анодом — окраска исчезает.

Рис. 10. Ячейки электрохромных индикаторов:

а — тонкопленочиого (1 — стеклянная подложка; 2 —прозрачный электрод; 3 — трехокись вольфрама; 4 — диэлектрик; 5 — непрозрачный электрод); б —с фиологенной средой Ц — активная пленка; 2—прозрачные электроды; 3 — изолятор; 4— керамическая прокладка; 5 — электролит; 6 — стеклянные подложки)

Экраны

Исторически первым шагом при создании оптоэлектронных экранов явилась разработка газоразрядных индикаюрных панелей (ГИП), называемых также плазменными панелями. Основу конструкции такой простейшей панели (рис. 11) 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.

Рис. 11. Устройство плазменной панели переменного тока:

Я — защитная пленка; 2 — центральны!! диэлектрик с ячейками; 3 — системы верхних и нижних электродов; 4 — стеклоцемент; 5 — стеклянные пластины; 6 — внешний вывод- 7 —фиксатор; 8 — штенгель

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. 7). Созданы промышленные образцы черно-белых и цветных портативных телевизоров с ЖК-экранами.

В схеме управления широко распространено напыление 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 представлен на рис. 12. Использование интегрированных экранов исключает необходимость 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.

Рис. 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; S — селевид кадмия; 9 — электрод затвора; 10 — поляризатор; 11— стеклянные пластины; 12, 13 — диффузный отражатель

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.

Реальным решением проблемы деградации явилось создание тонкопленочных индикаторов переменного тока (рис. 13). Здесь активный слой полупроводника «зажат» между двумя диэлектрическими слоями и не взаимодействует с металлическими электродами.

Рис. 13. Фрагмент тонкопленочного полупроводникового индикатора переменного тока:

1 — сегментный электрод; 2,4 — диэлектрик; 3 — полупроводник; 5 — общий прозрачный электрод; 6 — стеклянное основание

Успехи в развитии оптоэлектронных экранов привели к новым идеям в традиционной ЭЛТ-технике: создан ряд конструкций плоских кинескопов. В одном из них (рис. 14,а) специальное отклоняющее устройство изгибает траекторию луча; в другом (рис. 14,6) сканирующая и возбуждающая функции электронного луча разделены — для возбуждения используется микроканальная пластина; на рис. 14,в гибридно объединены элементы ГИП и ЭЛТ.

Рис. 14. Плоские ЭЛТ-индикаторы:

а —с искривленным электронным лучом (1 — люминофор; 2 — электронный луч: 3 — отклоняющая система; 4 — направление наблюдения); б —с мнкроканальным умножением (У— поворачивающая линза; 2 — электронный луч; 3 — микроканальная пластина; 4 — отклоняющая система- 5 — электронная пушка); в —с газовой плазмой (/ — область газового разряда; 2 —катод; 3 — люминофорный экран; 4 — область электронного потока; 5 — управляющий матричный электрод)

Литература

1. 1. Гусев В. Г., Гусев В. М. Электроника. – М.: Высшая школа, 1991. – 622 с.

2. Кучумов А.И. Электроника и схемотехника. – М.: "Гелиос АРВ" 2002. -304 с.

3. Лачин В.И., Савёлов Н.С. Электроника. – Ростов-на-Дону. "Феникс" 2004.- 576 с.

4. Уткин Г.М. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ: Учеб. пособие для вузов. – М. Советское радио, 1979. – 320 с.

5. Суэмацу Я. и др. Основы оптоэлектроники. – М.: Мир, 1988. – 288 с.

6. Юдин В.И., Володько А.В., Краснов Р.П., Останков А.В. Волоконно-оптические линии связи. – Воронеж: Междунар. инс-т компьютерных технологий, 2009. – 163 с.