Тонкопленочные электролюминесцентные индикаторы

3. Козелецкий Ю. Психологическая теория решений: Пер. с пол. М.: Мир, 1979. 287 с.

4. Киселев С.К., Медведев Г.В., Мишин В.А. Автоматическая поверка стрелочных электроизмерительных приборов в динамических режимах. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1996. 120 с.

5. Нейрокомпьютер как основа мыслящих ЭВМ. М.: Наука, 1993. 239 с.

Киселев Сергей Константинович, кандидат технических наук, окончил радиотехнический факультет Ульяновского политехнического института. Доцент кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Имеет научные работы в области автоматизации производства электроизмерительных приборов.

Грачева Наталья Олеговна, аспирант кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ, имеет публикации по разработке систем автоматической поверки измерительных приборов.

УДК 621.327.2; 621.383.932 М.К. САМОХВАЛОВ

ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ИНДИКАТОРЫ

Приведены результаты исследований физических основ работы, конструкций, методов контроля, технологии изготовления и технических характеристик плоских активных индикаторных устройств на основе тонкопленочных электролюминесцентных структур.

С развитием и широким внедрением во многие сферы деятельности человека вычислительной техники, информационных и измерительных приборов и систем происходит непрерывное совершенствование входящих в их состав средств отображения информации, основой которых являются индикаторные устройства. К наиболее перспективным индикаторным устройствам относятся электролюминесцентные индикаторы. Среди различных типов активных индикаторов электролюминесцентные приборы занимают особое место благодаря плоской твердотельной конструкции, быстродействию, широкому диапазону рабочих температур. К достоинствам тонкопленочных электролюминесцентных источников излучения относятся высокая яркость, контраст, разрешающая способность, долговечность, устойчивость к радиационным воздействиям, возможность получения экранов большой площади и др. Тонкопленочные электролюминесцентные индикаторы нашли применение в портативных приборах, приборных пане-

лях автомобилей и других транспортных средств, промышленном оборудовании и военной технике.

На кафедре проектирования и технологии электронных средств и в проблемной научно-исследовательской лаборатории микроэлектронных средств отображения и регистрации информации Ульяновского государственного технического университета в течение ряда лет разрабатывались методы получения и исследования свойств тонкопленочных электролюминесцентных источников излучения, способы и устройства управления индикаторными приборами и их применение в микроэлектронных средствах отображения информации.

Конструктивно тонкопленочные электролюминесцентные источники излучения создавались на диэлектрической (стеклянной) подложке в виде системы проводящих электродов (по крайней мере один из которых являлся прозрачным, изготовленным из оксида олова-индия) с заключенными между ними двумя слоями диэлектрика и слоем люминофора [1]. Общая толщина исследованных нами многослойных структур составляла 1-2 мкм на стеклянных пластинах толщиной 1,5-3 мм, площадь отдельных светоиз-лучающих элементов - от 0,5 до 50 мм . В качестве люминофора использован сульфид цинка, легированный марганцем или фторидами редкоземельных элементов (тербия или самария) для получения излучения желтого, зеленого и красного цвета свечения, соответственно [2]. В качестве диэлектриков использованы пленкообразующие материалы с достаточно большой диэлектрической проницаемостью и электрической прочностью: различные оксиды и цирконаты редкоземельных элементов, в частности, твердые растворы оксидов циркония и иттрия [3]. Слои наносились вакуумным напылением методами термического и электронно-лучевого испарения с использованием стандартного отечественного и зарубежного технологического оборудования в лабораториях УлГТУ и в производственных цехах Ульяновского радиолампового завода и завода «Искра» [3,4].

Для разработки надежных индикаторных приборов и повышения эффективности преобразования электрической энергии в световое излучение были проведены исследования физических процессов в тонкопленочных электролюминесцентных структурах и определены закономерности, устанавливающие зависимости светотехнических характеристик от свойств используемых материалов, конструкций и технологии получения тонкопленочных структур и условий возбуждения электролюминесценции. Анализ электронных процессов в тонкопленочных электролюминесцентных структурах позволил определить основные физические эффекты, необходимые для описания работы светоизлучающих элементов индикаторных устройств [7,8].

Как показали проведенные теоретические и экспериментальные исследования, электрические характеристики тонкопленочных излучателей определяются процессами перезарядки ловушек границы раздела люминофор

(широкозонный полупроводник) - диэлектрик [9]. Наличие поверхностных состояний связано с собственными дефектами поверхности сульфида цинка, их параметры не зависят от вида активатора и материала диэлектрической пленки. По результатам проведенных исследований определены требования к используемым диэлектрическим материалам, конструкции многослойных систем и условиям формирования пленочных структур.

На основе моделей квазиизолированной поверхности широкозонного полупроводника и туннельной перезарядки ловушек границы раздела люминофор-диэлектрик проведено математическое описание неравновесных электронных процессов в люминесцентном слое, объясняющее явление поляризации люминофора, и получены аналитические соотношения для электрических характеристик структур при различных режимах возбуждения [8,9]. Показано, что динамические электрические характеристики определяются формой возбуждающего напряжения, конструкцией излучателя и составом схемы управления и не зависят от электрических параметров слоев сульфида цинка, легированного различными активаторами.

Проведены экспериментальные исследования оптических и светотехнических характеристик пленок и тонкопленочных структур. На основе модели прямого ударного возбуждения активаторных центров свечения в люминофоре разработано математическое описание светотехнических характеристик электролюминесцентных источников излучения - вольт-яркостной зависимости и светоотдачи [9,10]. Полученное совпадение экспериментальных результатов с расчетными данными подтвердило адекватность разработанных математических моделей реальным физическим процессам в тонкопленочных структурах [10]. Полученные соотношения необходимы для разработки оптимальных конструкций индикаторных элементов и режимов работы устройств на их основе, обеспечивающих высокую эффективность возбуждения электролюминесценции и выход излучения.

Для проведения исследований свойств тонкопленочных электролюминесцентных структур и контроля светоизлучающих элементов разработаны методики определения основных параметров светоизлучающих приборов и слоев люминофора. Предложен способ измерения рассеиваемой мощности в люминесцентном слое тонкопленочных излучательных элементов с помощью определения площади петли вольт-зарядовой характеристики и созданы измерительные устройства, позволяющие существенно повысить точность и автоматизировать процесс измерений основных электрических и электрооптических характеристик источников излучения. Определены основные параметры, характеризующие эффективность источников излучения и люминофора (светоотдача излучателей, эффективная концентрация и сечения ударного возбуждения центров свечения в люминесцентных слоях с различными активаторами) [4, 5].

Разработаны электрические и математические модели тонкопленочных

электролюминесцентных элементов и индикаторных устройств на основе описания их эквивалентных схем системами интегральных уравнений, составленными в соответствии с законами Кирхгофа [11-13]. Программная реализация математических моделей выполнена с использованием численных методов Гаусса и Рунге-Кутта-Фельберга. Для определения параметров, характеризующих функционирование индикаторных панелей большой информационной емкости, разработана математическая модель, позволяющая формировать систему уравнений, описывающих матрицу индикаторных элементов в автоматическом режиме.

Результаты проведенных исследований были использованы при разработках конструкций и технологии изготовления тонкопленочных электролюминесцентных структур на предприятиях, разрабатывающих и изготавливающих индикаторные устройства и средства отображения информации. По заказам ряда предприятий были изготовлены образцы индикаторных элементов и устройств мнемонического, знакового, цифро-буквенного, шкального и матричного типов для использования в бортовых средствах отображения информации в транспортных системах. Разработаны способы и устройства управления тонкопленочными электролюминесцентными индикаторными приборами с использованием транзисторных схем и схем на двунаправленных коммутирующих элементах с отрицательным дифференциальным сопротивлением, повышающие эффективность средств отображения информации вследствие снижения энергопотребления, увеличения яркости свечения, повышения срока службы и др. [14].

Разработанные нами индикаторные устройства на основе тонкопленочных электролюминесцентных структур имеют следующие основные технические характеристики:

1. Яркость свечения - до 100 кд/м при возбуждении напряжением частотой 50 Гц и до 20000 кд/м при частоте возбуждающего напряжения 20 кГц.

2. Цвет свечения - желто-оранжевый, зеленый, красный.

3. Светоотдача - до 4 лм/Вт.

4. Напряжение возбуждения - знакопеременное импульсное или гармоническое с действующим значением 80-150 В.

5. Потребляемая мощность - 10-50 мВт/мм .

6. Напряжение питания индикаторного модуля в целом - постоянное +12 (24, 48) В или переменное 220 В, 50 Гц (115-200 В, 400 Гц).

7. По сигналам управления модули совместимы с цифровыми интегральными схемами и имеют оптоэлектронную гальваническую развязку.

Технические и эргономические параметры индикаторных устройств обуславливают их максимальную пригодность для создания плоских компактных и высоконадежных средств отображения информации в измерительной технике, бортовых системах управления, промышленном оборудовании и др.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Самохвалов М.К. Конструкции и технология тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов. Ульяновск: УлГТУ, 1997. 56 с.

2. Самохвалов М.К. Исследование свойств цинк-сульфидных люминофоров в тонкопленочных структурах // Журнал прикладной спектроскопии. 1995. Т.62, № 3. С. 182185.

3. Самохвалов М.К. Зависимость релаксационных процессов в тонкопленочных электролюминесцентных излучателях от свойств диэлектрических пленок // Электронная техника. Сер. 6. Материалы. 1989. № 1. С. 39-42.

4. Бригаднов И.Ю., Самохвалов М.К. Получение и свойства диэлектрических и люминесцентных пленок электролюминесцентных композиций на основе сульфида цинка // Известия вузов, Материалы электронной техники. 1998. № 3. С. 64-68.

5. Бригаднов И.Ю., Самохвалов М.К. Влияние условий получения сульфида цинка на характеристики тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов // Лазерная техника и оптоэлектроника. 1993. № 1 - 2. С. 48 - 50.

6. Самохвалов М.К. Тонкопленочные электролюминесцентные источники излучения. Ульяновск. УлГТУ: 1 999. 11 7 с.

7. Георгобиани А.Н., Пипинис П.А. Туннельные явления в люминесценции полупроводников. М.: Мир, 1994. 224 с.

8. Самохвалов М.К. Релаксационные процессы в тонкопленочных электролюминесцентных МДПДМ-структурах // Микроэлектроника. 1992. Т. 21, № 3. С. 53 - 55.

9. Самохвалов М.К. Кинетика токопереноса в тонкопленочных электролюминесцентных излучателях при возбуждении переменным напряжением // Письма в Журнал технической физики. 1 994. Т. 20, № 6. С. 67 - 71 .

10. Самохвалов М.К. Вольт-яркостная характеристика и светоотдача тонкопленочных электролюминесцентных структур // Журнал технической физики. 1996. Т. 66, № 10. С. 139 - 144.

11. Самохвалов М.К. Электрическое моделирование тонкопленочных электролюминесцентных излучателей // Микроэлектроника. 1994. Т. 23, № 1. С. 70 - 75.

12. Забудский Е.Е., Самохвалов М.К. Моделирование электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных индикаторных устройств // Микроэлектроника. 1999. № 2. С. 117 - 125.

13. Забудский Е.Е., Самохвалов М.К. Моделирование временных характеристик яркости тонкопленочных электролюминесцентных структур // Письма в Журнал технической физики. 2000. Т.26, №1. С. 56-60.

14. Забудский Е.Е., Гайтан В.В. Методы управления тонкопленочными электролюминесцентными панелями переменного тока // Приборы и системы управления. 1 997. №11. С. 56-63.

Самохвалов Михаил Константинович, доктор физико-математических наук, профессор, окончил физический факультет Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского. Заведующий кафедрой «Проектирование и технология электронных средств» УлГТУ. Имеет статьи и монографии в области исследований и разработки тонкопленочных электролюминесцентных индикаторных устройств.