Электрические характеристики тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов

А. И. ГУСЕВ, М. К. САМОХВАЛОВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ИНДИКАТОРОВ

Ульяновск 2006

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УЛЬЯНОВСКОЕ ВЫСШЕЕ ВОЕННОЕ ИНЖЕНЕРНОЕ УЧИЛИЩЕ СВЯЗИ

А. И. ГУСЕВ, М. К. САМОХВАЛОВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ИНДИКАТОРОВ

Ульяновск 2006

УДК 621.31 ББК 31.29

Г 96 Рецензенты: доктор технических наук, профессор кафедры САПР УлГТУ В.Р.Крашенинников; кандидат технических наук, доцент, начальник кафедры радиоэлектроники УВВИУС А.В. Дормидонтов Научный редактор: доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедры ПиТЭС УлГТУ М. К. Самохвалов. Гусев, А. И. Г 96 Электрические характеристики тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов / А. И. Гусев, М. К. Самохвалов; под науч. ред. М. К. Самохвалова. – Ульяновск: УлГТУ, 2006. – 125 с. ISBN 5-89146-768-2 В монографии приведены результаты исследований электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов, как элементов электрической цепи в составе схемы управления индикаторными устройствами. Предназначена для студентов высших учебных заведений, аспирантов, соискателей, а также для научных и научно-технических работников, занимающихся разработкой и изготовлением индикаторных устройств.

УДК 621.31 ББК 31.29 © Гусев А. И., Самохвалов М. К. 2006 ISBN 5-89146-768-2 © Оформление. УлГТУ, 2006

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение……………………………………………….…….…....7 Глава I. Анализ конструктивно-технологических, электрических свойств тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов и индикаторных устройств.………………………………….10 1.1. Тонкопленочные электролюминесцентные конденсаторы..................................................................10 1.2. Типы и конструкции тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов………………14 1.3. Электрические характеристики тонкопленочных электролюминесцентных источников излучения……..21 1.4. Светотехнические характеристики тонкопленочных электролюминесцентных структур…29 1.5. Методы и средства управления индикаторными устройствами на основе тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов………………32 1.6. Выводы и постановка задач исследований………44 Глава II. Электрические процессы в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах в схемах управления индикаторами.……………………..……………46 2.1. Электрические характеристики тонкопленочных структур при возбуждении электролюминесценции переменным напряжением……………………………….47

3

2.2. Переходные электрические процессы в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах с последовательным сопротивлением в схемах управления…………………54 2.2.1. Электрические характеристики электролюминесцентных конденсаторов с последовательным сопротивлением при возбуждении симметричным пилообразным напряжением………………………………………………..58 2.2.2. Электрические характеристики электролюминесцентных конденсаторов с последовательным сопротивлением при возбуждении гармоническим напряжением………65 2.3. Переходные электрические процессы в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах с последовательным сопротивлением и параллельно включенным конденсатором в схемах управления…………………..68 2.3.1. Электрические характеристики электролюминесцентных конденсаторов с последовательным сопротивлением и параллельно включенным конденсатором при возбуждении симметричным пилообразным напряжением…………71 2.3.2. Электрические характеристики электролюминесцентных конденсаторов с последовательным сопротивлением и параллельно включенным конденсатором при возбуждении гармоническим напряжением…………………………….77 4

2.4. Основные результаты и выводы…………………...80 Глава III. Исследование электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов в электрических цепях схем управления…………………………........................................81 3.1. Схемотехническое моделирование электрических процессов в тонкопленочных электролюминесцентных индикаторных устройствах……………………………….82 3.1.1. Системы автоматизированного проектирования и моделирования аналоговых и цифровых устройств…………………………………….82 3.1.2. Схемотехнический анализ индикаторных устройств на основе тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов с использованием программы Electronics Workbench.89 3.1.3. Моделирование электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов в электрических цепях………………..............................94 3.2. Исследование характеристик электрических схем замещения тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов……………….101 3.3. Экспериментальные исследования электрических и светотехнических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов…………………………………………….105

5

3.3.1. Получение и свойства тонкопленочных электролюминесцентных структур…………………….106 3.3.2. Экспериментальные измерения электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов…………….107 3.3.3. Экспериментальные измерения светотехнических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов…………….110 3.4. Основные результаты и выводы………………….113 Заключение…………………………………….…...........115 Библиографический список……………...................117

6

ВВЕДЕНИЕ Индикаторные устройства, преобразующие электрические сигналы в видимое излучение заданного спектрального состава и пространственного распределения, являются основными частями современных средств отображения информации. К числу наиболее перспективных относятся индикаторные устройства на основе электролюминесцентных излучателей, которые занимают особое место среди активных индикаторных устройств благодаря своей плоской твердотельной конструкции, высокому быстродействию, широкому диапазону рабочих температур. К достоинствам тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов относятся также высокие яркость, контрастность, разрешающая способность, радиационная стойкость, большой угол обзора и др. Благодаря перечисленным достоинствам тонкопленочные электролюминесцентные индикаторные устройства находят широкое применение в средствах отображения информации. К настоящему времени достигнуты значительные успехи в разработке и производстве индикаторов на основе 7

тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов: определены материалы с требуемыми свойствами, и разработаны конструкции и технологии получения элементов и устройств, методы контроля параметров материалов и источников излучения. Особенностью тонкопленочных электролюминесцентных излучателей является необходимость возбуждения электролюминесценции знакопеременным напряжением достаточно большой амплитуды для достижения в люминесцентном слое необходимого значения напряженности электрического поля. В связи с этим проводятся исследования электрических процессов в многослойных тонкопленочных излучающих структурах, и разрабатываются высоковольтные генераторы переменного напряжения для управления индикаторными устройствами, в состав которых входят электролюминесцентные конденсаторы как элементы электрических цепей. Однако до сих пор в технической литературе отсутствуют сведения об электрических характеристиках тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов в схемах управления индикаторами, а в электротехнике не изучены переходные процессы в электрических цепях с нелинейными элементами. Для создания надежных и эффективных индикаторных устройств необходимо изучать электрические характеристики тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов в составе схемы управления, влияние на них различных элементов электрической цепи и режимов возбуждения свечения, разработку схем управления индикаторами.

8

В данной монографии представлены результаты исследований электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов, как элементов электрической цепи в составе схемы управления индикаторными устройствами, необходимых для повышения быстродействия и снижения энергопотребления индикаторов. В первой главе рассмотрены конструктивные и технологические особенности тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов, их основные электрические и светотехнические характеристики, методы и средства управления индикаторными устройствами. Во второй главе проводится теоретический анализ переходных электрических процессов в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах в составе схемы управления с последовательным сопротивлением и параллельной емкостью при возбуждении знакопеременным симметричным линейно-изменяющимся и гармоническим напряжением. В третьей главе приведены результаты схемотехнического и натурного моделирования электрических характеристик схем замещения тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов и экспериментальные исследования электрических процессов в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах.

9

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНО–ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ И ИНДИКАТОРНЫХ УСТРОЙСТВ Для разработки индикаторных устройств необходимы исследования электрических свойств тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов как элементов, входящих в состав электрической схемы, включающей в себя излучатель и систему управления. В связи с этим был проведен анализ конструктивно–технологических свойств тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов, определяющих их электрические характеристики, и особенности управления индикаторных устройств на их основе. 1.1. Тонкопленочные электролюминесцентные конденсаторы Тонкопленочные электролюминесцентные (ТПЭЛ) структуры типа <<прозрачный электрод–диэлектрик– люминофор–диэлектрик–металл>> обычно состоят из пяти 10

последовательно нанесенных на стеклянную подложку слоев с использованием методов тонкопленочной технологии [1–10]. Такая структура представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Тонкопленочный электролюминесцентный источник излучения: М–металлический электрод; Д–диэлектрик; Л–люминофор; СП–стеклянная подложка

Кроме перечисленных пленок в состав электролюминесцентного конденсатора могут входить дополнительные слои, например, слой светопоглощающего контрастного материала [5–10]. Кроме того, каждый из функциональных слоев может быть неоднородным, например, состоять из нескольких пленок [6, 7, 10]. Прозрачным может быть и второй электрод, тогда контрастный слой помещается за пределами тонкопленочной структуры и может совмещаться по своим функциям с защитным покрытием. В качестве подложки и одновременно первого диэлектрика может быть использована керамическая пластина, тогда верхний электрод также должен быть прозрачным [11, 12]. 11

В качестве люминесцентных слоев обычно используют сульфид цинка, легированный марганцем или фторидами редкоземельных элементов [3, 6–10]. Перспективными люминофорами показали себя сульфиды стронция и кальция, легированные фторидами редкоземельных металлов [3, 10, 13]. Все использованные люминофоры являются широкозонными полупроводниками с высоким удельным сопротивлением, легирующие примеси образуют центры свечения, мало воздействующие на электрические свойства материалов люминофора. В качестве подложек при получении структур используются пластины бесщелочного термостойкого стекла толщиной 2–3 мм с нанесенным слоем прозрачного электрода, для создания которого применяют сильно легированные оксиды индия или олова. Для получения непрозрачных электродов используют алюминий, индий, олово, тугоплавкие металлы. Иногда для увеличения проводимости тонких, протяженных электродов в матричных панелях поверх прозрачных электродов наносят более узкие полоски металлов с высокой электропроводностью [10, 13]. Для создания диэлектрических пленок в электролюминесцентных структурах применяют оксиды кремния, алюминия, иттрия и редкоземельных металлов; нитрид кремния и другие их композиции, сегнетоэлектрические материалы [3, 6, 10, 11, 14, 15]. Поскольку эти пленки работают в условиях сильных электрических полей, к их электрическим параметрам предъявляют высокие требования [15]. Используемые диэлектрические слои должны иметь высокие электрические и технологические свойства, стабильность и воспроизводимость. 12

Наличие двух диэлектрических слоев, отделяющих пленку люминофора от электродов, превращает данное устройство в электролюминесцентный конденсатор, что определяет необходимость использовать переменное напряжение для возбуждения электролюминесценции. Для электролюминесцентных структур с малой плотностью свободных носителей заряда в люминофоре в слабых полях приложенное напряжение распределяется между пленками люминофора и диэлектриков в соответствии со значениями их геометрических емкостей. Таким образом, чем больше емкость диэлектриков, тем большая часть общего напряжения падает на слой люминофора [15, 16]. Главная роль диэлектрических слоев заключается в ограничении заряда, проходящего через люминофор в рабочих режимах [15, 16]. Необходимость применения таких слоев обусловлена физической природой процесса переноса заряда в люминесцентной пленке. Электролюминесценция в тонких слоях сульфида цинка и других материалов связана с электрическим пробоем полупроводника. При малых электрических полях материал обладает очень низкой проводимостью, но при некоторой пороговой напряженности поля, которая составляет по разным данным от 5,105 до 2,106 В/см, одновременно наблюдается ускорение роста тока и люминесценция. Небольшие неоднородности поликристаллических люминесцентных пленок могут привести к тому, что после приложения высокого напряжения возникнут области с быстрым нарастанием тока, которые войдут в режим постоянного, короткого замыкания, и ток может достигнуть величин, достаточных для разруше13

ния структуры. При возбуждении пульсирующим или переменным напряжением структур с изолирующими слоями через люминесцентный слой проходит только ограниченный заряд. В этом случае нагрев пленки люминофора ограничивается до приемлемого уровня, и катастрофического разрушения не происходит. Электрический пробой люминесцентного слоя носит обратимый характер и сопровождается электролюминесценцией. Другая важная роль диэлектрических слоев заключается в формировании поляризационного заряда на границах раздела <<люминофор–диэлектрик>> [15, 16]. По мере накопления зарядов у противоположных границ люминесцентного слоя созданное ими поляризационное поле уменьшает напряженность электрического поля в люминофоре, и пробой прекращается. Поляризационное поле обуславливает ослабление действия исследуемого импульса напряжения той же полярности и усиливает действие последующего импульса напряжения противоположной полярности. При подаче на электролюминесцентный конденсатор импульса напряжения противоположной полярности поляризационное поле добавляется к внешнему полю. 1.2 Типы и конструкции тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов Типы и конструкции тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов различаются составом и пространственным расположением слоев тонкопленочных структур, конфигурацией и взаимным расположением электродов, обусловленных требованиями к назначению и функцио14

нальным характеристикам индикаторных устройств [6, 7, 10]. Наиболее типичная конструкция электролюминесцентных конденсаторов содержит пять слоев, нанесенных на диэлектрическую подложку: проводящий нижний, диэлектрический нижний, люминесцентный, верхний диэлектрический, верхний проводящий (рис. 1.1.). Толщина пленок проводников составляет 0,1–0,2 мкм, диэлектрических пленок– –0,2–0,5 мкм и пленок люминофора–0,6–1,5 мкм. При этом состав материала и толщина верхних и нижних диэлектрических и проводящих слоев могут быть различными. Подобная тонкопленочная светоизлучающая система обладает высокими значениями функциональных параметров и высокой надежностью. Впервые представленные в 1974 году фирмой <<Sharp>> промышленные тонкопленочные электролюминесцентные экраны имели наработку на отказ около 20 000 часов, современные плоские индикаторы имеют долговечность свыше 100 000 часов [3]. Кроме указанной конструкции разработаны и исследованы другие типы источников излучения, имеющие меньшее число диэлектрических слоев [9] (рис. 1.2.). К достоинствам индикаторных устройств таких типов относятся, как правило, меньшие значения управляющего напряжения, а к недостаткам–более низкая яркость и светоотдача, меньшая надежность. В частности, структуры типа <<проводник–люминофор–проводник>> обладают яркостью на порядок меньше яркости излучателей типа <<проводник–диэлектрик–люминофор–диэлектрик–проводник>>; пробой люминофора и выгорание электродов у них проис15

ходит при напряжениях чуть больше порогового значения [9]. Поэтому тонкопленочные светоизлучающие устройства, в которых люминесцентный слой не изолирован от обоих электродов, не нашли широкого практического применения.

Рис. 1.2. Различные конструкции тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов: М–электрод; Д–диэлектрик; Л–люминофор; СП–стеклянная подложка; КП–керамическая подложка

Выпускаемые промышленные тонкопленочные электролюминесцентные индикаторы изготавливаются на прозрачных стеклянных подложках, через которые происходит выход излучения. Поэтому нижние электроды, расположенные на подложке, должны обладать высокой прозрачностью. Верхние электроды могут быть как прозрачными, так и непрозрачными металлическими [10]. Если же подложкой является непрозрачная керамическая или ситалловая пластина, то прозрачными должны быть верхние электроды, через которые производится вывод излучения. Однако для таких индикаторов требуется защита и герметизация прозрачным покрытием, и оптические потери в нем больше, а надежность работы меньше, чем у типичных тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов на стеклянной подложке. Одним из конструк16

тивных решений тонкопленочных индикаторов является светоизлучающая структура, в которой подложка выполняет функции диэлектрического слоя [12] (рис. 1.2.). В таких структурах в качестве материала диэлектрической подложки используется сегнетоэлектрическая керамика с высокой диэлектрической проницаемостью. Данная конструкция излучателя также обладает вышеуказанными недостатками, а также имеет более низкую разрешающую способность вследствие значительной паразитной емкости между соседними светоизлучающими ячейками в плоских экранах. В тонкопленочных структурах, представленных на рис. 1.1. и 1.2., диэлектрические и люминесцентные слои могут состоять из двух или даже трех пленок различного состава [10]. Двухслойные диэлектрики используются для улучшения изолирующих свойств: повышения устойчивости к электрическому пробою и снижения потерь, а также для увеличения инжектирующей способности границы раздела <<люминофор–диэлектрик>>. В многослойных люминесцентных слоях используются пленки сульфида цинка с различной величиной проводимости, связанной с легированием разными примесями, пленок селенида цинка и других полупроводников [3]. Целью данных конструктивных решений является повышение эффективности возбуждения люминесценции и увеличения яркости и светоотдачи индикаторов. Область светящегося поля индикатора определяется размерами, формой и взаимным расположением верхних и нижних электродов; свечение люминофора возникает в местах пересечения этих электродов на поверхности инди17

каторов [4, 5]. В зависимости от формы и расположения светоизлучающих элементов различают мнемонические, знаковые, шкальные и матричные индикаторы. Мнемонические индикаторные устройства показывают светящиеся фигуры простой или сложной формы. Знаковые индикаторы высвечивают различные буквы, цифры и другие символы. Шкальные индикаторы обычно используются в измерительных приборах для непрерывной регистрации уровня сигнала. Матричные индикаторные устройства являются наиболее сложными и позволяют отображать самую различную информацию. Наиболее высокие требования предъявляются к матричным индикаторам большого формата или экранам, предназначенным для отображения динамической информации на статическом фоне. Свечение элементов (пикселей) возникает, когда на пересекающиеся строки и столбцы подается возбуждающее напряжение. Разрешающая способность тонкопленочных электролюминесцентных экранов, определенная как максимальное количество различных элементов информации на линейный размер, обуславливается минимальными размерами светящихся пикселей и минимальным расстоянием между соседними элементами. Минимальные размеры ограничиваются возможностями тонкопленочной технологии, в частности, процессов фотолитографии и для используемых тонкопленочных электролюминесцентных экранов эти величины составляют 10–100 мкм. Информационная емкость электролюминесцентных экранов определяется как максимальное количество различных элементов информации в кадре средства отобра18

жения информации. Информационная емкость определяется размерами индикатора и его разрешающей способностью. В настоящее время информационная емкость электролюминесцентных экранов достигает 330 тысяч элементов, и разрабатываются экраны с числом пикселей до 4–5 миллионов. Размеры индикатора ограничиваются технологическими возможностями получения однородных пленок и их совершенством. В настоящее время созданы экраны с размерами диагонали 50–70 см. Информационная емкость может быть увеличена путем использования экранов, состоящих из нескольких коммутированных блоков. В качестве материалов люминофоров в тонкопленочных электролюминесцентных источниках излучения используются широкозонные полупроводниковые соединения [3, 10]. Слой полупроводника должен содержать центры свечения, создаваемые активаторными примесями и обеспечивать их возбуждение ускоренными электронами [17, 18]. Таким образом, материал должен хорошо соответствовать по своим параметрам процессам ускорения электронов электрическим полем до энергии, достаточной для возбуждения центров свечения, с минимальными паразитными потерями. В большинстве люминофоров может наблюдаться несколько видов люминесценции, поэтому, например, все материалы, которые применяются как катодолюминофоры, могли бы быть использованы в качестве матриц при создании электролюминофоров [4]. Однако материалы для электролюминесцентных устройств должны отвечать ряду специфических требований [10]. Данное различие частично вызвано тем, что даже в низковольтных ка19

тодолюминесцентных устройствах необходимо ускорение электронов до значительно больших кинетических энергий, когда происходит ионизация решетки и осуществляются, главным образом, межзонные переходы, тогда как в устройствах с предпробойной электролюминесценцией доминирует механизм прямого ударного возбуждения центров свечения. К диэлектрическим материалам, применяемым в тонкопленочных электролюминесцентных излучателях, предъявляется ряд требований, которые можно разделить на две группы [10, 14, 16, 17]. К первой группе относятся требования к механическим, тепловым, физико-химическим и технологическим свойствам пленок, ко второй–основные функциональные требования к оптическим и электрическим свойствам. В тонкопленочных электролюминесцентных индикаторных устройствах используются прозрачные и непрозрачные электроды [10]. К материалам, применяемым для создания одного или двух прозрачных электродов, предъявляется ряд требований, основными среди них являются низкое сопротивление и высокая прозрачность в рабочем диапазоне длин волн излучения. В настоящее время для этих целей чаще всего используют пленки сильнолегированных широкозонных полупроводников: SnO2, In2O3, СdO, ZnO и других или полупрозрачные пленки металлов Аu, Ag, Аl, Ni, In [6, 7].

20

1.3. Электрические характеристики тонкопленочных электролюминесцентных источников излучения Из определения электролюминесценции следует, что для ее возбуждения необходимо электрическое поле. Электролюминесцентные излучатели в индикаторах входят в состав электрических цепей, включающих также в себя устройства подачи возбуждающего напряжения и схемы управления индикатором. Поэтому для описания работы электролюминесцентных приборов, как элементов электрических цепей, необходимо определить их основные электрические характеристики: рабочее напряжение, ток, рассеиваемую мощность. Тонкопленочные электролюминесцентные конденсаторы, как уже было сказано, являются пороговыми устройствами свечение наблюдается, когда величина приложенного напряжения достигает порогового значения [19–21]. С этого момента индикаторный элемент излучает свет в течение каждого полупериода знакопеременного напряжения, причем полярность каждого импульса должна меняться, поскольку повторение импульсов напряжения одной полярности приводит к поляризации люминофора и быстрому уменьшению интенсивности люминесценции. Описание электрических характеристик будет различно для напряжения меньше и больше порогового значения [19, 22–24]. Люминофор в тонкопленочных структурах является высокоомным полупроводником, поэтому при малых напряжениях его сопротивление велико. Когда напряжение 21

меньше порогового значения VT, электролюминесцентное устройство может быть представлено как конденсатор с трехслойным диэлектриком. Распределение напряжения V на слоях диэлектриков VD и люминофора VL определяется исходя из равенства заряда: Q = C V = СD VD = CL VL,

(1.1)

где С = 1/(1/СD + 1/CL)–емкость тонкопленочной структуры; СD и CL–емкость слоев диэлектриков и люминофора. В этом случае в тонкопленочной структуре протекают только зарядные токи (токи смещения): J = JLC = JDC = СL dVL / dt = СD dVD / dt = С dV / dt,

(1.2)

где JLC и JDC–токи смещения в слоях люминофора и диэлектриков соответственно. Рассеяние электрической мощности в тонкопленочной структуре практически не происходит. Значение порогового напряжения определяется величиной напряженности электрического поля в люминесцентном слое ELT, когда резко возрастает скорость генерации свободных носителей заряда, которые, ускоряясь в поле, возбуждают центр свечения [9]. Таким образом, величина порогового напряжения зависит от свойств и толщины слоев люминофора и диэлектриков [3, 7]: VT = VLT CL / C,

(1.3)

где VLT = ELT dL–пороговое падение напряжения в слое люминофора; dL–толщина люминофора. Величина ELT для цинкосульфидных люминофоров составляет 7 105 В/см [7]. 22

При напряжениях больше порогового значения в слое <<люминофора>> происходит перенос заряда с катодной на анодную границу <<люминофор–диэлектрик>>, т. е. происходит поляризация люминесцентного слоя [6, 7]. Вследствие поляризации падение напряжения в люминофоре остается практически постоянным с повышением внешнего напряжения, которое в основном перераспределяется на диэлектрические слои: VL = VLT = (V – Qр / СD) С / СL, Vд = (V + Qр / С) С / СD,

(1.4)

где Qр–поляризационный заряд. Величина и знак поляризационного заряда зависят от приложенного напряжения и предшествующего состояния тонкопленочного электролюминесцентного конденсатора. При периодическом изменении внешнего напряжения поляризационный заряд, установившийся в люминофоре под действием напряжения одной полярности, при подаче напряжения другой полярности приводит к увеличению напряженности электрического поля в люминофоре вследствие сложения внешнего поля, создаваемого внешним напряжением, и внутреннего поляризационного поля [9]. Величина максимального рабочего напряжения, ограничивается суммой порогового напряжения люминофора и пробивного напряжения для диэлектрических пленок Vmax < VLT + Епр dD,

(1.5)

где Епр–электрическая прочность диэлектриков; dD–толщина диэлектрических слоев (здесь полагается, что 23

верхний и нижний диэлектрики изготовлены из одного материала). Соотношения (1.1, 1.2 и 1.5) позволяют определить конструктивные требования к материалам и толщинам диэлектрических и люминесцентных слоев, исходя из требований к электрическим свойствам электролюминесцентных конденсаторов [6]. Генерация свободных носителей заряда в люминофоре происходит путем туннелирования электронов из состояний границ раздела <<люминофор–диэлектрик>> в сильном электрическом поле [3, 6–8]. Туннельный механизм генерации определяет высокую скорость процесса, его сильную полевую зависимость и слабое влияние температуры. Вследствие высокой скорости генерационных процессов при напряжениях выше порогового значения величина тока ограничивается не инерционностью механизма образования поляризационного заряда, а скоростью изменения внешнего напряжения J = JDС = JLA = CD dV / dt,

(1.6)

где JLA–ток проводимости в люминофоре. Величина плотности активного тока составляет обычно 0,05–0,5 мА/мм2. На рис. 1.3. показаны временные диаграммы заряда, тока и яркости излучения тонкопленочной структуры при возбуждении электролюминесценции симметричным линейно изменяющимся напряжением [7]. Соотношения (1.3 и 1.6) позволяют определить значения тока в тонкопленочном электролюминесцентном конденсаторе для возбуждающего напряжения известной формы. 24

Q, мкКл

V

0.2 0.1 0 1

-0.1

2

3

t, мс

4

1

-0.2 -0.3

2

j, мА 2 0.2 1

0.1 0 1

-0.1

2

3

t, мс

4

-0.2 -0.3

В,

кд м2

300 200

2

100 0

1

t, мс 1 2 3 4 Рис. 1.3. Графики зависимости заряда, тока и яркости излучения электролюминесцентного конденсатора при возбуждении 25

Величина заряда, перенесенного через люминесцентную пленку за период изменения напряжения, записывается в следующем виде [23] QТ = 4СD (V – VT)

(1.7)

Эффективное значение активного тока в слое люминофора тонкопленочного излучателя при возбуждении электролюминесценции переменным напряжением определяется произведением перенесенного за период заряда Qт и частоты изменения внешнего напряжения f [23]: J = 4f СD (V – Vт)

(1.8)

Таким образом, эффективное значение активного тока определяется разностью между амплитудным и пороговым значением напряжения, тогда как максимальная величина тока определяется амплитудой переменного напряжения и скоростью его изменения в момент переключения. Электрическая мощность в рабочих режимах рассеивается при протекании активного тока (проводимости) в слое люминофора и определяется как произведение этого тока на величину падения напряжения в люминофоре. Выражение для средней рассеиваемой мощности Р получается усреднением выделяющейся в люминофоре энергии за период изменения напряжения [7] P = 4 f Vт (V – Vт) СD С / CL

(1.9)

Данное выражение характеризует среднюю рассеиваемую мощность при возбуждении электролюминесценции переменным напряжением любой формы. Значения рассеиваемой мощности обычно составляют 1–50 мВт/мм2. 26

Следует отметить, что здесь произведен анализ рассеяния энергии электрического поля лишь в слое люминофора тонкопленочной электролюминесцентной структуры. При рассмотрении процессов потребления энергии индикаторными устройствами на основе электролюминесцентных конденсаторов необходимо также учитывать рассеяние энергии внешнего источника в электрической управляющей цепи, связанное с перезарядкой емкостей излучательных элементов и паразитных емкостей, с потерями в подводящих проводах и др. Задача электрического моделирования процессов в тонкопленочных электролюминесцентных структурах сводится к построению эквивалентной схемы с сосредоточенными параметрами [7, 21, 25]. Элементы схемы замещения должны отражать основные закономерности изменения заряда поля и тока в различных пленках при разных условиях возбуждения люминесценции и учитывать свойства всех слоев. Нелинейные электрические свойства пленки люминофора связаны с тем, что в слабых полях люминофор является достаточно высокоомным, а в сильных–его сопротивление резко уменьшается [20]. В эквивалентной схеме люминесцентный слой имитируется конденсатором с емкостью, равной геометрической емкости пленки люминофора, и параллельно включенным сопротивлением и включенными навстречу друг другу стабилитронами [21, 25 – 28]. Слои диэлектрика в эквивалентной схеме представлены конденсаторами, емкости которых соответствуют геометрическим емкостям диэлектрических пленок, и включенными парал27

лельно с ними переменными резисторами, которые могут имитировать диэлектрики со значительной сквозной проводимостью. Последовательно с ними может включаться резистор, характеризующий сопротивление электродов. Полностью эквивалентная электрическая схема тонкопленочного электролюминесцентного конденсатора представлена на рис. 1.4. [26, 27, 28].

Рис. 1.4. Эквивалентная электрическая схема тонкопленочного электролюминесцентного конденсатора СD1 = СD2=1 нФ; RD1 = 2,2 МОм; RD2 = 3,3 МОм; СL = 330 нФ; RL = 68 кОм; К–2 диода КС 62О А

Значения номиналов элементов схемы рассчитываются исходя из соответствующих величин для реальных тонкопленочных электролюминесцентных структур. Представленная электрическая модель достаточно адекватно представляет основные процессы в тонкопленочных электролюминесцентных индикаторных элементах. Вместе с тем, 28

эквивалентная схема может быть дополнена сопротивлением и емкостью, отражающими паразитные связи в электролюминесцентных экранах [28]. Для моделирования эффектов памяти в схему последовательно со стабилитронами могут быть включены элементы с отрицательным сопротивлением. Несимметричность свойств тонкопленочной структуры ее электрических характеристик может быть отражена встречным включением различных стабилитронов. 1.4. Светотехнические характеристики тонкопленочных электролюминесцентных структур Средняя яркость свечения электролюминесцентного конденсатора связана с величиной рассеиваемой в люминофоре электрической мощности следующим соотношением [7, 29]: В = (К0 Р В0) / (В0 + К0 Р),

(1.10)

где К0 и В0–максимальные значения светоотдачи и яркости для данного люминофора. Из выражения (1.10) следует, что для малых значений рассеиваемой в люминофоре мощности, когда Ко Р << В0, яркость линейно возрастает с увеличением мощности. Состояние насыщения яркости В = В0 возможно лишь для бесконечно большой мощности, т.е. является практически недостижимым. Иногда зависимость яркости от рассеиваемой мощности представляют в простом линейном виде: В = К Р, но в этом случае величина светоотдачи будет не постоянной, а зависящей от условий возбуждения К = К0 (1–В / В0). 29

Соотношения (1.9) и (1.10) позволяют объяснить зависимости яркости от напряжения (вольт–яркостной характеристики) и частоты, а также произвести расчет вольт– яркостных характеристик и светоотдачи для различных условий возбуждения, свойств материалов люминофора и диэлектрика, а также конструкции тонкопленочных электролюминесцентных индикаторных элементов [30]. Основной задачей создания активных индикаторных элементов является эффективное преобразование электрической энергии в световое излучение. Поэтому важнейшими функциональными характеристиками этих приборов являются показатели, характеризующие выходящее оптическое излучение: яркость и цвет свечения, длительность послесвечения, эффективность выхода излучения, контрастность изображения и оптимальное сочетание цветов свечения. Цвет свечения индикатора определяется спектральным составом излучения люминофора. Для создания полноцветных тонкопленочных электролюминесцентных экранов необходимы определенные соотношения между яркостями излучения источников разных цветов, учитывающие особенности светового восприятия излучения глазом человека [4, 31, 32]. Исходя из минимально возможной яркости активного индикатора в белом цвете (35 кд/м2) и особенностей восприятия нормальным человеческим глазом (стандартное соотношение интенсивности красного, зеленого и синего цветов–26,5 %, 65,8 % и 7,7 %), а также с учетом реального коэффициента заполнения экрана свечением данного цвета, было установлено, что в рабочем режиме необ30

ходимы минимальные значения яркости: 37 кд/м2–для красного, 92 кд/м2–для зеленого и 11 кд/м2 для синего цветов. Кроме того, для хорошей цветопередачи и возможности создания большого числа градаций яркости максимумы в спектрах излучения соответствующих тонкопленочных индикаторных элементов должны находиться в диапазонах 450–480 нм., 540–560нм. и 630–670 нм. Яркость свечения индикаторных элементов зависит от материала люминофора и типа активатора, концентрации активаторных и других примесей, технологии получения люминесцентного слоя и его толщины, условий возбуждения электролюминесценции [6, 7]. Толщина люминесцентного слоя задается исходя из требований к яркости индикатора и величине управляющего напряжения. Как правило, пленки толщиной менее 0,2 мкм не применяются из-за низкой яркости. С ростом толщины слоя люминофора яркость свечения возрастает, но при увеличении толщины пленки более 1–1,5 мкм рост яркости незначителен, в то же время существенно увеличивается пороговое напряжение, что усложняет схему управления индикатором. Оптимальные значения толщины люминесцентной пленки лежат в пределах от 0,5 до 1 мкм. Светоотдача тонкопленочных электролюминесцентных излучателей определяется в основном тремя процессами: возбуждением центров свечения ускоренными электронами, излучательными переходами в активаторах и выходом света во внешнюю среду [19, 29]. Скорость излучательных переходов определяется временем жизни возбужденного состояния излучающих центров и для разных люминофоров 31

лежит в пределах от 10 мкс до 1,3 мс, ограничивая длительность послесвечения индикатора и задавая частоту возбуждающего напряжения. Выход излучения во внешнюю среду определяется оптическими потерями в пленках и на границах раздела в многослойной структуре [7, 19]. 1.5. Методы и средства управления индикаторными устройствами на основе тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов Внедрение средств отображения информации во многом ограничивается не самими индикаторами, а схемами управления, сложность которых в данном случае обусловлена необходимостью электрической проводной коммутации большого числа элементов отображения, входящих в состав индикаторного поля [4, 5, 31, 32]. Дискретные индикаторы могут работать в двух режимах [31]: – статической индикации, когда состояние элементов отображения меняется только при обновлении воспроизводимой информации, т. е. с частотой обновления fобн = 1 / Тобн , причем все выбранные элементы отображения работают одновременно; статическая индикация может быть непрерывной, тогда скважность q = 1, или импульсной, в этом случае скважность q > 1; – динамической индикации, характеризуемой тем, что разные элементы или группы элементов отображения, образующие индикаторное поле, включаются в разные части периода кадра Тк. При этом, пока воспроизводимая информация остается неизменной, фаза и длительность вклю32

ченного состояния элементов отображения внутри периода кадра сохраняются, т. е. Тобн > Тк. Для получения немелькающего изображения кадровая частота fк должна быть больше критической частоты мельканий fкчм, а за период кадра Тк необходимо адресовать все элементы, составляющие изображение. Поэтому скважность оказывается обратной числу групп элементов отображения. Такой режим с регенерацией изображения характеризуется следующими соотношениями: для яркости: ВVкаж = ВVи / qV,

(1.11)

где qV – скважность импульсов излучения; ВVкаж – кажущаяся (усредненная во времени) яркость; ВVи – мгновенная яркость; для времени выборки: tв = 1/ (fк q)

(1.12)

Из-за инерционности индикатора обычно q < qV. Те же соотношения можно использовать для режима статической индикации, если вместо fк подставить fобн, причем либо qV = 1, либо qV > 1. Прежде чем перейти к конкретным схемам управления индикаторов, рассмотрим основные системы адресации, выделив из них наиболее важные: однокоординатной адресации; двухкоординатной матричной адресации; многоуровневой адресации; адресации со сканированием [31, 33]. Система однокоординатной адресации отличается тем, что каждый элемент отображения имеет два независимых от других элементов отображения входа, к которым 33

и прикладываются сигналы со схемы возбуждения. Очевидно, независимость элементов отображения друг от друга по управлению сохраняется и тогда, когда для уменьшения числа соединений их вторые управляющие входы объединяются (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Подключение элементов отображения при однокоординатной адресации

Так как входы независимы, то при однокоординатной адресации элементы отображения могут включаться одновременно и на любой промежуток времени, что позволяет организовать статическую индикацию, т. е. использовать умеренные значения импульсных яркостей ВVи и большие времена выборки tв. Преимуществом однокоординатной адресации является также отсутствие жестких требований к параметрам индикатора. В то же время схемы однокоординатной адреса34

ции многоэлементных индикаторов имеют существенные недостатки – большое число каналов управления NУ = NЭО

(1.13)

и выводов индикатора NВ > NЭО + 1

(1.14)

Например, для 7–сегментного цифрового индикатора с десятичной точкой число выводов на один разряд равно 8 + 1 = 9, а на три разряда уже 27. Если взять буквенный индикатор, у которого знакоместо образовано матрицей точек 5 х 7, то на три знакоместа уже понадобится 35 х 3 + 1 = 106 выводов [31]. Из-за трудности создания индикаторов и схем управления с большим числом выводов и в особенности их соединения между собой применение методов с однокоординатной адресацией ограничивается цифровыми средствами отображения информации на тричетыре знакоместа или буквенными средствами отображения информации на одно знакоместо. Воспользоваться преимуществами схемы однокоординатной адресации можно, выполнив ее интегрально с индикатором. Для адресации в дискретных индикаторах наиболее широко применяется метод двухкоординатной матричной адресации (рис. 1.6.) [31, 34]. Здесь в отличие от однокоординатной адресации каждый выход схемы управления присоединяется к множеству элементов отображения, причем схема управления разбита на две части, соединенные по строкам и столбцам с управляющими входами элементов отображения. 35

Рис. 1.6. Подключение элементов отображения при матричной адресации

Включение элементов отображения происходит только тогда, когда сумма сигналов на его входах превысит напряжение включения. Система с матричной адресацией обеспечивает значительное уменьшение числа каналов управления и выводов индикатора (при условии его выполнения с общими электродными шинами). Здесь NУ = NВ = 2[

NЭО]

(1.15)

где [ ] обозначает округленное до большего целого число в скобках. Для матричного индикатора с NЭО = 35 х 3 получим NУ = NВ = 2[ 105] = 23 вместо 105 каналов управления и свыше 106 выводов индикатора по (1.13) и (1.14) [31]. 36

Недостатком двухкоординатной матричной адресации является то, что при полном возбуждении определенных элементов отображения может происходить частичное возбуждение других элементов отображения, что ухудшает качество изображения [34]. Для малоинерционных индикаторов, у которых время включения и выключения много меньше длительности управляющего воздействия (т. е. практически для всех активных типов индикаторов), оптимальные условия соответствуют максимальному отношению U1 / U0 возбужденной и невозбужденной ячеек. Здесь можно выделить два случая: 1) элемент отображения обладает выпрямляющими свойствами; 2) элемент отображения не обладает таковыми свойствами. Более простая схема адресации 2:1 изображена на рис. 1.7. [31].

Рис. 1.7. Метод адресации 2 : 1

37

В ней использованы только два уровня питающих напряжений, но отношение U1 / U0 составляет всего 2 : 1. Во всех трех рассмотренных случаях количество одновременно выбираемых элементов отображения ограничено необходимостью возбуждения одних и невозбуждения других. В статическом режиме можно независимо возбудить любое число элементов отображения, но только расположенных вдоль одной строки или одного столбца, что позволяет создавать шкалы, но не двумерные изображения. В динамическом режиме выборка элементов отображения производится одним из следующих способов: поэлементным; построчным; функциональным.В поэлементном способе последовательно производится выборка одного элемента отображения за другим по всему индикаторному полю так, как это делается в растровом дисплее. В этом случае q=mn

(1.16)

Из (1.11) и (1.12) вытекает, что для больших NЭО поэлементный способ связан с необходимостью использования больших ВVи и малых tв, т. е. мощных импульсных ключей и быстродействующих индикаторов и схем управления ими. При построчном способе последовательно производится выборка одной строки за другой, причем одновременно в каждой строке возбуждаются все необходимые для формирования изображения элементов отображения [31, 34]. Поэтому скважность q=m

(1.17) 38

В функциональном способе возбуждаются только те элементы отображения, из которых состоит изображение [31, 34], что дает формулу для скважности в виде q = NФ

(1.18)

где NФ – число возбуждаемых функциональных элементов отображения. Наименьшее значение BVи и наибольшее tв при плотном заполнении экрана информацией обеспечивает способ построчной адресации. Из изложенного следует, что хотя двухкоординатная матричная адресация и позволяет значительно уменьшить число выводов индикатора и выходов схем управления по сравнению с однокоординатной адресацией, ее существенные недостатки – это уменьшение tв, BV каж и Кобр дм при увеличении m. Кроме того, увеличение скважности q возбуждающих сигналов, происходящее при увеличении m приводит к необходимости использования более мощных формирователей [32, 33]. Для уменьшения влияния этих недостатков обычной двухкоординатной матричной адресации можно разделить индикаторное поле на части и адресовать каждую из них независимо [31]. Например, разделение на две части позволяет одновременно адресовать две строки. Для таких матричных систем можно подставить m / Км, где Км – число частей матрицы, что значительно облегчает его выполнение. На практике в виде монолитных приборов реализуются системы с Км = 2, для чего в прямоугольном индикаторе достаточно посередине разрезать столбцы и обеспечить подвод к ним напряжений и токов с разных сторон индика39

торного поля. Большие значения Км легко получить, создавая экран из субблоков [31]. При рассмотрении систем матричной адресации считалось, что включение элементов отображения происходит на максимальное время выборки, что позволяет получить только черно-белые изображения без градаций яркости полутонов. Очевидно, что для создания полутонов требуется не просто включение элементов отображения, а регулировка его кажущейся яркости [32, 35]. При элементах отображения без внутренней памяти для получения полутоновых изображений применяют амплитудно-импульсную, широтно-импульсную и амплитудно-широтно-импульсную модуляции [32]. При широтно-импульсной модуляции меняется только длительность импульса tи при неизменной его амплитуде. При этом необходимо, чтобы длительность tи, соответствующая минимальной яркости, была значительно больше времен реакции τ рк и релаксации τ рлк индикатора, а также их разбросов, что ограничивает диапазон модуляции. При амплитудно-импульсной модуляции меняется только амплитуда, а длительность светового импульса остается постоянной. Диапазон регулирования здесь ограничивается насыщением электрооптической характеристики. Наиболее широкий диапазон изменения яркости получают с помощью комбинированной амплитудно-широтноимпульсной модуляции. Особенностью применения электролюминесцентного индикатора является необходимость коммутировать знако40

переменное напряжение различной частоты (от 50 до 20 000 Гц) и амплитуды (от 100 до 400 В). Ниже приведен ряд электрических схем включения электролюминесцентного индикатора и описаны их особенности [32–37].

Рис. 1.8. Трансформаторная схема коммутации индикатора

При отсутствии сигнала на базе транзистор VT 1 заперт, ток через первичную обмотку трансформатора не протекает, индикатор не возбужден. При подаче на базу транзистора сигнала с частотой 400 Гц на вторичной обмотке повышающего трансформатора появляется переменное напряжение с эффективным значением около 220 В (см. рис. 1.8.). На рис. 1.9. и 1.10. показаны бестрансформаторные схемы коммутации электролюминесцентного индикатора. В схеме на рис. 1.9. при поступлении положительного сигнала на управляющий электрод коммутационный тиристор переходит в проводящее состояние. 41

Рис. 1.9. Бестрансформаторная схема коммутации индикатора

Особенностью тиристора данного типа является его двунаправленная проводимость. После того как тиристор открылся, все рабочее напряжение внешнего питающего генератора прикладывается к соответствующему сегменту индикатора. Схема применения более мощного симметричного тиристора типа КУ 208Г для коммутации электролюминесцентного индикатора представлена на рис. 1.10. Входной сигнал, поступающий на базу транзистора VT 1, формирует на коллекторе отрицательный импульс, который, проходя через диод на управляющий электрод симметричного тиристора VD 3, открывает его. При этом загорается соответствующий сегмент или знак индикатора. Для устранения засветки индикатора от утечки симметричного тиристора параллельно сегментам включается шунтирующий резистор. 42

Рис. 1.10. Схема коммутации сегмента с большой светящейся площадью

Перспективными приборами для коммутации электролюминесцентного индикатора являются оптроны [31, 32, 38], которые обладают высокой надежностью, простотой управления, практически исключают паразитную засветку сегментов индикатора (рис. 1.11.).

Рис. 1.11. Схема управления электролюминесцентного индикатора 43

1.6. Выводы и постановка задач исследований Таким образом, к настоящему времени разработаны и исследованы основные конструкции тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов и индикаторов на их основе, технология изготовления элементов и устройств, их основные электрические и светотехнические характеристики. Способы управления электролюминесцентного индикатора являются достаточно общими по отношению к другим видам индикаторов. В то же время электролюминесцентные индикаторы имеют свои особенности управления, заключающиеся в необходимости приложения знакопеременного напряжения высокой амплитуды. Однако в технической литературе приводятся примеры схем управления лишь для порошковых электролюминесцентных индикаторов. Для создания надежных и эффективных индикаторных устройств необходимы изучение электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов в составе схемы управления, влияния на них различных элементов электрической цепи и режимов возбуждения свечения; разработка схем управления индикаторами. В связи с этим целью проведенной работы являлось исследование электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов, как элементов электрической цепи в составе схемы управления индикаторными устройствами. Для достижения этой цели в ходе выполнения исследований были поставлены и решены следующие задачи: 44

1. Теоретический анализ переходных электрических процессов в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах в составе схемы управления с последовательным сопротивлением и параллельной емкостью при возбуждении знакопеременным симметричным, линейно изменяющимся и гармоническим напряжением; 2. Схемотехническое моделирование электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов с использованием программы проектирования электронных схем; 3. Изучение электрических процессов в схемах замещения тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов; 4. Экспериментальные исследования электрических процессов в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах.

45

ГЛАВА 2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ КОНДЕНСАТОРАХ В СХЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ИНДИКАТОРАМИ Тонкопленочные электролюминесцентные конденсаторы являются не только излучающими элементами, входящими в индикаторные устройства, но и обладают рядом особенностей электрических свойств, в частности, пороговой зависимостью электрических характеристик от управляющего напряжения. В рамках теории электрических цепей процессы в таких системах подробно не рассматривались, за исключением переходных характеристик в цепях при подаче ступенчатого напряжения. В данном разделе приведены результаты теоретического анализа переходных электрических процессов в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах в составе схемы управления при возбуждении знакопеременным симметричным, пилообразным и гармоническим напряжением.

46

2.1. Электрические характеристики тонкопленочных структур при возбуждении электролюминесценции переменным напряжением Исследование электрических характеристик приборов при воздействии переменного напряжения является удобным для проведения экспериментов и позволяет проводить сравнение скоростей протекания электрических и электрооптических процессов в различных условиях для изучения динамики физических явлений в тонкопленочных структурах и электрических процессов в схемах управления. Поскольку переменное напряжение широко используется для управления тонкопленочными излучателями в реальных условиях, анализ электрических характеристик многослойных структур позволяет изучить поведение излучателя как элемента электрической цепи, что является необходимым для разработки режимов возбуждения и схем управления электролюминесцентными индикаторными устройствами [39]. Полевой механизм образования свободных носителей заряда в слое люминофора в сильном электрическом поле обуславливает высокую скорость протекания электронных процессов в тонкопленочных электролюминесцентных структурах [3]. Как показали экспериментальные исследования, скорость изменения характеристик электролюминесцентных конденсаторов определяется скоростью изменения внешнего напряжения [7]. В этом случае в люминофоре создается электрическое поле, незначительно превышающее пороговое значение напряженности, тогда скорость ге47

нерации свободных носителей заряда меньше максимально возможной. Причиной этого является эффект самоэкранирования, приводящий к установлению квазистационарного режима [40]. Эффект самоэкранирования заключается в уменьшении электрического поля в области генерации за счет экранирования его носителями, созданными самим полем. Квазистационарный режим экранирования состоит в уравновешивании скорости генерации свободных носителей скоростью экранирования внешнего поля [40]. Токи в слоях люминофора и диэлектрика электролюминесцентного конденсатора связаны с напряженностью электрического поля. В этом уравнении выражение для тока смещения в люминесцентной и диэлектрической пленках могут быть записаны в следующем виде [7]: JLC = CL dVL / dt, JDC = CD dVD / dt,

(2.1)

где dVL / dt и dVD / dt – скорости изменения напряжения в слоях люминофора и диэлектрика, соответственно. Для использованных в тонкопленочных электролюминесцентных излучателях диэлектрических материалов ток проводимости незначителен, поэтому можно считать, что в диэлектрическом слое протекает только ток смещения. Выражение для полного тока в многослойной структуре может быть записано в следующем виде: J = CL dVL / dt + JLA = CD dVD / dt.

48

(2.2)

Активный ток, или ток проводимости, в люминофоре определяется процессами изменения поляризационного заряда на границах раздела <<люминофор–диэлектрик>>: JLA = dQS / dt = CD dVD / dt – CL dVL / dt

(2.3)

Поскольку приложенное напряжения распределяется между слоями люминофора и диэлектрика, то скорость изменения напряжения, приложенного к тонкопленочной структуре, складывается из скоростей изменения падения напряжения на люминофоре и диэлектрике dV / dt = dVL / dt + dVD / dt

(2.4)

Из соотношений (2.1) и (2.4) могут быть получены следующие выражения для полного тока и тока проводимости в слое люминофора: J = CD dV /dt (1 – dVL / dV), JLA = CD dV / dt (1 – CL / C dVL / dV).

(2.5)

Таким образом, величины тока определяются скоростью изменения внешнего напряжения, значениями емкости слоев структуры и зависимостью падения напряжения в слое люминофора от внешнего напряжения. Для выяснения зависимости электрического тока в люминесцентной пленке от внешнего напряжения следует рассмотреть две конкретные ситуации, представляющие наибольший интерес для понимания физических процессов, протекающих в тонкопленочных электролюминесцентных излучателях. Как известно, зависимость физических явлений в электролюминесцентных конденсаторах от внешнего напряже49

ния носит пороговый характер. Электрические и электрооптические характеристики тонкопленочных излучателей существенно отличаются для слабых и сильных полей в люминофоре. Когда приложенное напряжение меньше порогового значения поляризационные явления не наблюдаются, и излучение отсутствует. Если приложенное напряжение превышает пороговое значение, происходит изменение поляризационного заряда и яркость излучения резко увеличивается с ростом напряжения. Эти ситуации отличаются характером распределения электрического поля и соотношением между значениями токов, протекающих в слоях тонкопленочных структур. Когда внешнее напряжение меньше порогового значения, оно распределяется в слоях структуры в соответствии с их геометрическими емкостями – dVL / dV = C / CL. При малых напряжениях не происходит изменения поляризационного заряда, ток проводимости в люминофоре отсутствует JLA = 0. В люминесцентной и диэлектрических пленках многослойной структуры протекает ток смещения, т. е. ток заряда-разряда электролюминесцентного конденсатора: J = JLC = JDC = C dV / dt.

(2.6)

Когда внешнее напряжение превышает пороговое значение происходит резкое увеличение скорости протекания поляризационного процесса, ток проводимости возрастает, что обуславливает ограничение роста напряженности электрического поля в люминофоре и падение напряжения в люминесцентной пленке, т. е. VL = VLT и dVL / dt = 0. Подобная фиксация значения напряженности электрического по50

ля в люминофоре (field – clamping) объясняется сильной полевой зависимостью скорости изменения поляризационного заряда, обусловленной туннелированием электронов из ловушек границы раздела <<люминофор–диэлектрик>> [20]. В этом случае увеличение падения напряжения в люминофоре с ростом внешнего напряжения не происходит, и изменение приложенного напряжения полностью перераспределяется на слой диэлектрика dV / dt = dVD / dt. Полный ток в структуре равен току проводимости в слое люминофора и является током смещения в слое диэлектрика, т. е. зарядным током емкости диэлектрика J = JLA = JDC = CD dV / dt.

(2.7)

Когда величина внешнего приложенного напряжения соответствует пороговому значению, наблюдается резкое увеличение тока. Величина скачка пропорциональна разности емкостей диэлектрика и всей структуры. Проводящее состояние люминофора, при котором через него протекает ток проводимости, обусловленный изменением поляризационного заряда, создается, когда приложенное напряжение превышает пороговое значениt, и исчезает, когда прекращается рост внешнего напряжения. Однако в рамках данной теоретической модели достаточно сложно проводить описание процессов перехода люминофора из высокоомного в проводящее состояние. Это описание может быть сделано либо при упрощенном моделировании с использованием аналитических уравнений с рядом подгоночных параметров, либо на основании экспериментальных исследований. 51

Наибольший научный и практический интерес представляет изучение зависимости распределения потенциала и тока в тонкопленочном электролюминесцентном излучателе для симметричного пилообразного и синусоидального напряжения. Для пилообразного напряжения скорость развертки является постоянной величиной dV / dt = а = const. Соответственно, значения тока, протекающего через структуру при напряжениях меньше и больше порогового, также будут постоянными: J = C а – для V < VT, J = CD а – для V > VT.

(2.8)

Из данного соотношения видно, что активный ток в слое люминофора, определяющий возбуждение электролюминесценции, пропорционален величине емкости диэлектрика, что еще раз подтверждает необходимость использования диэлектрических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью для создания высокоэффективных тонкопленочных излучателей. Когда приложение напряжения изменяется по гармоническому закону V = VA sin (ω t) (VA – амплитуда, ω – частота изменения внешнего напряжения), скорость развертки также изменяется по гармоническому закону, но фаза отличается на четверть периода – dV / dt = VA ω cos (ω t). Таким образом, ток через структуру также изменяется пропорционально cos (ω t). Значения тока при напряжениях больше и меньше порогового могут быть выражены из соотношений (2.6) и (2.7) следующим образом [22]: 52

J = C ωVAcos (ω t) – для V < VT,

(2.9)

J = CD ωVAcos (ω t) – для V > VT. На рис. 2.1. представлены расчетные графики зависимости напряжения и тока в тонкопленочных излучателях от времени для симметричного пилообразного и синусоидального напряжения, рассчитанные по формулам (2.8) и (2.9).

Рис. 2.1. Зависимости тока от времени для линейно-изменяющегося и синусоидального напряжения

Заштрихованные области показывают величину тока проводимости в пленке люминофора, протекающего в рабочих режимах, соответствующих возбуждению электролюминесценции в светоизлучающей структуре. 53

Проведенные исследования позволили установить основные закономерности протекания тока и распределения электрического поля в слоях тонкопленочных электролюминесцентных структур при возбуждении электролюминесценции переменным напряжением. Полученные соотношения определяют величину токов и заряда, перенесенного через люминофор, устанавливают их зависимость от параметров слоев электролюминесцентных конденсаторов и условий возбуждения электролюминесценции. Результаты теоретического анализа используются при экспериментальных исследованиях и электрическом моделировании тонкопленочных электролюминесцентных структур. 2.2. Переходные электрические процессы в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах с последовательным сопротивлением в схемах управления Тонкопленочные электролюминесцентные конденсаторы используются в качестве элементов перспективных плоских активных твердотельных индикаторных устройств [39]. Данные элементы входят в состав средств отображения информации, включающих элементы цепи управления, поэтому для разработки эффективных индикаторных устройств необходимы исследования электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов в составе электрических цепей устройств управления. Для исследования электрических свойств и измерения характеристик тонкопленочных электролюминесцентных 54

структур и для разработки режимов возбуждения электролюминесценции было проведено изучение переходных электрических процессов в цепи, включающей тонкопленочный электролюминесцентный конденсатор и последовательное сопротивление цепи. Структура тонкопленочного электролюминесцентного конденсатора представляет собой последовательно нанесенные на стеклянную подложку пленки прозрачного электрода, диэлектрика, люминофора, диэлектрика и непрозрачного электрода. Соответственно, эквивалентная схема должна содержать элементы, отражающие свойства всех слоев [27, 28]. Тонкопленочный электролюминесцентный конденсатор входит в состав схемы управления, поэтому представляет интерес изучение электрических характеристик элемента в общей схеме, включающей паразитные элементы. В данном разделе в состав схемы был включен в качестве такого элемента резистор R, отражающий сопротивление проводников и внутреннее сопротивление источника напряжения (рис. 2.2.).

Рис. 2.2. Эквивалентная схема управления тонкопленочным электролюминесцентным конденсатором 55

Целью исследования было изучение влияния сопротивления на значения напряжения на электролюминесцентном конденсаторе и тока в цепи при возбуждении знакопеременным симметричным напряжением. Данный частный случай позволяет получить более простые решения и нагляднее представить особенности протекания переходных процессов в исследуемой цепи. Обозначим напряжение на зажимах цепи V, а напряжение и заряд на обкладках электролюминесцентного конденсатора – VC и Q, соответственно. Тогда V = VC + JR

(2.10)

где J – ток, протекающий в цепи. Так как значение тока определяется скоростью изменения заряда на обкладках конденсатора, то J = dQ / dt = d(CV) / dt = CdV / dt.

(2.11)

Уравнение (2.10) может быть преобразовано с учетом соотношения (2.11) к следующему виду: V = VC + RCd VC / dt.

(2.12)

Соответствующее однородное уравнение, определяющее свободное напряжение VC0, имеет вид VC0 + RCdVC0 / dt = 0. Его характеристическое уравнение RCα + 1 = 0 – имеет единственный корень α = – 1 / (RC). Поэтому VC0 = Aeαt = Ae–t/RC = Ae–t/τ, где τ = RC – постоянная времени рассматриваемой цепи. Для переходного процесса получается следующее общее решение для напряжения на обкладках электролюми56

несцентного конденсатора VC = VC0 + VC1 = VC0 + Ae-t/τ,

(2.13)

где установившееся напряжение VC0 может быть найдено, если известен вид функции V(t), а постоянная интегрирования А определяется исходя из начальных условий. Данный метод анализа переходных процессов является классическим и с его помощью получены математические описания электрических переходных процессов при включении и выключении пилообразного и синусоидального напряжения на зажимах цепи с конденсатором и сопротивлением [41]. Однако расчет переходных процессов в электрических цепях с тонкопленочным электролюминесцентным конденсатором классическим методом имеет более сложные решения, обусловленные нелинейной зависимостью электрических параметров тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов от приложенного напряжения. Как уже было показано, этот элемент может быть представлен схемой замещения, состоящей из емкости диэлектрических слоев и емкости слоя люминофора, которая шунтируется при больших напряжениях V > VP. Поэтому представляет интерес анализ электрических переходных процессов при выключении и включении именно емкости CL, происходящих при напряжении переключения V = VP и амплитудном напряжении V = VA знакопеременного напряжения. Напряжение на обкладках электролюминесцентного конденсатора VC складывается из напряжения на диэлектрических слоях VD и напряжения на люминесцентном слое 57

VL : VC = VD + VL. Вследствие шунтирования емкости люминофора стабилитронами для больших значений напряжения (V > VP) распределение напряжения VC между слоями диэлектрика и люминофора зависит от величины приложенного напряжения. Возбуждение тонкопленочных электролюминесцентных индикаторных элементов производится обычно знакопеременным гармоническим или пилообразным напряжением, поэтому при анализе переходных процессов в данной работе ограничимся рассмотрением наиболее простых, частных случаев для симметричного, линейно изменяющегося и синусоидального напряжения. 2.2.1. Электрические характеристики электролюминесцентных конденсаторов с последовательным сопротивлением при возбуждении симметричным пилообразным напряжением При возбуждении электролюминесценции в тонкопленочном конденсаторе знакопеременным симметричным, пилообразным напряжением скорость изменения напряжения постоянна по величине a = dV / dt = const. Значение скорости развертки определяется амплитудой VA и периодом T (частотой f) изменения напряжения a = VA / (T/4) = 4VA/T . Для начального состояния (t = 0) были заданы условия: V = at, V(0) = 0, VC = 0, J = 0. Тогда решение уравнения (2.12) для напряжения и то58

ка имеет следующий вид: VC = V – aRC (1 – e–t/RC), J = CdVC/dt = CdV/dt(1 - e–t/RC).

(2.14)

Для t >> RC – J = CdV / dt = aC. Распределение напряжения VC между слоями диэлектрика и люминофора на этом участке роста напряжения определяется значениями емкостей CD и CL: VD(t) = VC(t) C/CD , VL(t) = VC(t) C/CL, где C = (CD-1 + CL-1)-1 – емкость тонкопленочного электролюминесцентного конденсатора. Данное решение используется для описания электрических характеристик, когда напряжение на электролюминесцентном конденсаторе не превышает порогового значения VCT = VLTCL / C = ELT dLCL / C,

(2.15)

где VLT и ELT – пороговое напряжение и пороговое поле, определяемые свойствами люминофора, dL – толщина люминесцентной пленки. Соответствующее значение внешнего порогового напряжения равно VT = VCT + JR = VCT + aRC,

(2.16)

если t >> RC. Когда напряжение превышает пороговое значение, решение уравнения (2.13) принимает вид: 59

VC = V – aRCD + aR(CD – C)exp(– (t – tT) / RCD), J = aCD [1 – (CD – C) / CD × exp(– (t – tT)/RCD)].

(2.17)

Этот ток является зарядным током для конденсатора CD и активным током в слое люминофора, обуславливающим возбуждение свечения в люминесцентном слое. Когда VC > VCT, напряжение на слое люминофора остается постоянным VL = VLT, что обеспечивается открытым состоянием шунтирующего стабилитрона. В этом случае рост напряжения VC полностью определяется приращением напряжения на диэлектрических слоях. VD(t) = VC(t) – VLT или VD = V – VLT – aRCD + aR(CD – C) exp (– (t – tT) / RCD). Если t – tT >> RCD, то J = aCD для t – tT < T/4, где Т – период изменения напряжения. Для амплитудного значения приложенного напряжения V = VA, когда t = T/4, VC=VA – aRCD. Когда T/4 < t < 3T/4, V = VA – a(t – T/4), т. е. dV / dt = – a, VC = V + aRC – aR(CD + C) e–t/RC, J = – aC (1 – (CD + C) / C) e–t/RC

(2.18)

Таким образом, в этой части периода изменения внешнего напряжения │VC│ > │V│ – для V > 0 и │VC│ < │V│ – для VC < 0. Величина напряжения на обкладках конденсатора при уменьшении внешнего напряжения некоторое время увеличивается выше значения VCA = V – aRCD. Максимальное значение напряжения на обкладках конденсатора опреде60

ляется из условия dVC / dt = 0, т. е. J = 0, и составляет VCM = VA – aRC ln(1 + CD / C) для VM = VCM = VA – aRC ln х х (1 + CD / C), т. е. для tM – T/4 = RCln(1 + CD / C). Величина напряжения VСМ ограничивается значением пробивного напряжения диэлектрических слоев VDПР, т.е. максимальное напряжение на слоях диэлектрика VDМ = VCМ – VLT должно быть меньше VDПР = EDПР dD, где EDПР и dD – электрическая прочность и толщина диэлектрика, соответственно это требование ограничивает амплитудное значение возбуждающего напряжения. Значение тока изменяется от J = CD dV / dt для t = T/4 до J = – CdV / dt для t – T/4 >> RC. Режим квазистационарного экранирования люминофора продолжается до достижения максимального значения напряжения на обкладках электролюминесцентного конденсатора VСМ – VL = VLT, после достижения времени tm начинается уменьшение напряжения на слоях люминофора и диэлектрика в соответствии с соотношением (2.18) вследствие того, что стабилитрон переходит в закрытое состояние. Напряжение переключения для этой части периода изменения напряжения VP = VT, вследствие заряда конденсатора CD в предыдущей части изменения напряжения [42] VP = 2VT – VA, а VCP = 2VCT – VCM,

(2.19)

где VCT и VT определяются выражениями (2.15) и (2.16). Таким образом, переключение люминофора в проводящее состояние происходит раньше, при меньших значениях напряжения. В остальном это переключение происходит аналогично переключению при возрастании напряже61

ния на начальном участке роста напряжения (0 < t < T/4), но с противоположным знаком полярности напряжения и тока. Для описания переходных процессов изменения напряжения и тока используется соотношение (2.13). Для следующей части периода изменения напряжения (3T/4 < t < 5T/4) внешнее напряжение на зажимах цепи возрастает от – VA до VA следующим образом: V = – VA + a (t – 3T/4). Переходные процессы повторяются с изменением полярности напряжения и тока. Для их описания используются соотношения (2.17) и (2.18) с учетом выражения (2.19). На рисунках 2.3. и 2.4. представлены графики временной зависимости напряжения и тока в тонкопленочном электролюминесцентном конденсаторе в цепи с последовательным сопротивлением при возбуждении симметричным пилообразным напряжением.

Рис. 2.3. Графики временной зависимости напряжения VC и тока через электролюминесцентный конденсатор в цепи

Когда длительность переходных процессов намного меньше времени возрастания напряжения (τD = RCD << T/4), 62

зависимость электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов от величины последовательного сопротивления цепи незначительна.

Рис. 2.4. Графики временной зависимости напряжения на конденсаторе VC, слое люминофора VL и диэлектрике VD в цепи

Для симметричного знакопеременного пилообразного напряжения скорость его изменения a = dV / dt = VA / (T/4) = = 4VA / T. Падение напряжения на сопротивлении в установившемся проводящем состоянии VRm = RCD dV / dt = 4RCDVA / T = 4VA τD / T, это условие выполняется при τD = RCD << T/4, т. е. при малых значениях R. Величина активного тока в этом случае практически не отличается от значения J = aCD в отсутствии сопротивления. Гораздо большее влияние последовательное сопротивление оказывает на значение активного тока, а также на перераспределение напряжения, когда длительность переходных процессов сравнима с временем нахождения элек-

63

тролюминесцентного конденсатора в проводящем состоянии tA, когда V > VT или V > VP. Возбуждение свечения в пленке люминофора тонкопленочного электролюминесцентного конденсатора производится активным током, являющимся зарядным током для конденсатора СD при проводящем состоянии люминесцентного слоя. Поэтому для повышения яркости свечения необходимо, чтобы постоянная времени заряда τD = RCD была меньше длительности участка проводящего состояния. Значение тока, соответствующее 0,98 от установившегося значения, достигается при длительности проводящего состояния tA = 4τD = 4RCD. Длительность проводящего состояния обычно составляет от 0,1 T/4 до T/4. Соответственно, значение последовательного сопротивления должно быть не более R < (0,1 – 1)T / (16CD) или R < (0,1 – 1) / (16f CD). Для значения CD = 1 нФ на частоте f = 1кГц – R < 6,25 – 62,5 кОм, и на частоте f = 50 Гц – R < 0,125 – 1,25 МОм. Это требование накладывает ограничение на значение сопротивления цепи, связанное с сопротивлением проводников и внутренним сопротивлением источника напряжения. Эти ограничения обуславливаются величинами амплитуды и частоты знакопеременного напряжения, определяющими длительность проводящего состояния, т. е. для высоких частот переменного напряжения необходимо уменьшать величину сопротивления цепи [43, 44]. Полученные результаты имеют значение для разработки схем управления индикаторными устройствами на

64

основе тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов. 2.2.2. Электрические характеристики электролюминесцентных конденсаторов с последовательным сопротивлением при возбуждении гармоническим напряжением При возбуждении электролюминесценции в тонкопленочном конденсаторе гармоническим напряжением значение напряжения изменяется со временем по синусоидальному закону – V = VA sinω t, где ω = 2πf = 2πT – круговая (циклическая) частота изменения напряжения. Для начального состояния (t = 0) заданы условия: V(0) = 0, VC = 0, J = 0. Решение уравнения (2.12) для напряжения на тонкопленочном электролюминесцентном конденсаторе имеет следующий вид: VC = V – RCωVAcos ωt(1 – e–t/RC) = = V – ωτVAcos ωt(1 – e–t/τ) = = VA(sin ωt – ωτ cos ωt(1 – e–t/τ))

(2.20)

Ток в цепи описывается в этом случае следующим выражением: J = C ωVAcos ωt(1 – e–t/RC).

(2.21)

Для t >> RC – J = C ωVAcos ωt. Выражения (2.15) и (2.16) остаются справедливыми и для гармонического напряжения, но значение порогового напряжения определяется следующим соотношением: 65

VT = VCT + JR = VCT + RC ωVAcos ωtT(1 – e–tT/RC),

(2.22)

где tT = 1/ω arcsin VCT / VA. Для t >> RC – VT = VCT + RC ωVAcos (arcsin VCT / VA). Когда напряжение превышает пороговое значение, решение уравнения (2.12) принимает вид: VC = V – ωVAR(CD – (CD – C) e –(t – tT)/RCD)cos ωt.

(2.23)

J = ωVACD cos ω t(1 – (CD – C) / CD e –(t – tT)/RCD). Если t – tT >> RCD, то J = ωVACDcos ωt для t ≤ T/4. Для амплитудного значения приложенного напряжения V = VA, когда t = T/4, – VCA = VA и J = 0. В отличии от переходных процессов при возбуждении пилообразным напряжением максимальное значение напряжения на электролюминесцентном конденсаторе соответствует амплитудному значению внешнего напряжения. Когда t ≥ T/4 VC = V – ωVARcosω t(C – (CD + C) e – (t – T/4)/RC) J = ωVAC cosω t(1 – (CD + C) / C e – (t – T/4)/RC)

(2.24)

Поскольку для данного участка периода изменение напряжение

cos ωt

имеет

отрицательное

значение,

то

│VC│ > │V│ для V > 0 и │VC│ < │V│ для VC < 0. Если t – T/4 >> RC, то VC = V – ωVARС cos ωt и J = ωVAC cosω t. Для V = 0 (sinωt = 0), значение тока по модулю проходит через максимум для закрытого состояния стабилитрона J = – ωCVA, а значение падения напряжения на электролюминесцентном конденсаторе больше нуля VC = ωVARС. 66

Переключение люминофора в проводящем состоянии на этом участке периода изменения напряжения происходит при меньших значениях напряжения, чем на начальном участке, в соответствии с выражением (2.19); для описания переходных процессов изменения напряжения и тока используются соотношения (2.23). Для следующей части периода изменения напряжения (3T/4 ≤ t ≤ 5T/4) внешнее напряжение на зажимах цепи возрастает от – VA до VA и переходные процессы повторяются с изменением полярности напряжения и тока. Для их описания используются соотношения (2.23) и (2.24) с учетом выражения (2.19) (рис. 2.5.).

Рис. 2.5 Графики временной зависимости напряжения VC и тока J в тонкопленочном электролюминесцентном конденсаторе в цепи с последовательным сопротивлением при возбуждении гармоническим напряжением V

Для возбуждения гармоническим напряжением, в отличии от пилообразного, характерно отсутствие перераспределения напряжения между сопротивлением и конденсатором для его амплитудного значения (VCA = VA) и возможное большее значение максимального тока для закрытого и открытого состояния стабилитрона (Jm закр = 2πVAC/T 67

и Jm откр = 2πVACD / T), а также нелинейная зависимость активного тока от амплитуды и частоты возбуждающего напряжения. 2.3. Переходные электрические процессы в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах с последовательным сопротивлением и параллельно включенным конденсатором в схемах управления Тонкопленочный электролюминесцентный конденсатор входит в состав схемы управления, в которую кроме последовательно включенного резистора могут входить другие пассивные элементы. Чаще всего таким дополнительным (паразитным) элементом в составе общей схемы является конденсатор, включенный параллельно электролюминесцентному конденсатору. Включение данного параллельного конденсатора отражает, в первую очередь, наличие паразитной емкости, образованной проводниковыми элементами индикатора. Поэтому в данном разделе в составе схемы был включен кроме резистора R, отражающего сопротивление проводников и внутреннее сопротивление источника напряжения, еще и конденсатор СР (рис. 2.6.). Целью исследования было изучение влияния сопротивления и параллельно включенного конденсатора на значения напряжения на электролюминесцентном конденсаторе, а также тока через электролюминесцентный конденсатор и полного тока в цепи при возбуждении знакопеременным, симметричным напряжением. Данный частный случай 68

позволяет получить более простые решения и нагляднее представить особенности протекания переходных процессов в исследуемой цепи.

Рис. 2.6. Эквивалентная схема управления тонкопленочным электролюминесцентным конденсатором с последовательным сопротивлением и параллельно включенным конденсатором

Обозначим напряжение на зажимах цепи V, а напряжение и заряд на обкладках электролюминесцентного конденсатора – VC и Q, соответственно. Тогда V = VC + JR, где J – ток, протекающий в цепи. Так как значение тока определяется скоростью изменения заряда на обкладках конденсатора, то J = dQ / dt = d[(C + СР )V] / dt = (C + CP )dV / dt

(2.25)

Ток через электролюминесцентный конденсатор JС = C dV / dt. Уравнение (2.10) может быть преобразовано с учетом 69

соотношения (2.25) к следующему виду: V = VC + R(C + CP )dV / dt. (2.26) Соответствующее однородное уравнение, определяющее напряжение VC0, имеет вид: VC0+R(C+CP)dVC0/dt=0. Его характеристическое уравнение – R(C+CP) α+1 = 0 – имеет единственный корень α = – 1 / (R(C + CP )). Поэтому VC0 = Aeα = Ae–t/R(C + CP)=Ae–t/τ, где τ = R(C + CP) – постоянная времени рассматриваемой цепи. Для переходного процесса получается следующее общее решение для напряжения на обкладках электролюминесцентного конденсатора VC = VC0 + VC1 = VC0 + Ae–t/τ,

(2.27)

где установившееся напряжение VC0 может быть найдено, если известен вид функции V(t), а постоянная интегрирования А определяется исходя из начальных условий. Таким образом, общее отличие в описании переходных электрических процессов в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах с последовательным сопротивлением и параллельно включенным конденсатором в схемах управления от описания аналогичных процессов в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах с последовательно включенным сопротивлением в схемах управления заключается в увеличении постоянной времени рассматриваемой цепи и увеличении тока через резистор, приводящего к уменьшению падения напряжения на тонкопленочном электролюминесцентном конденсаторе. В наиболее простом частном случае, когда последовательное сопротивление равно нулю, все внешнее напряже70

ние падает на параллельно включенные электролюминесцентный и паразитный конденсаторы. Ток через тонкопленочный электролюминесцентный конденсатор описывается соотношениями (2.6–2.9) как зарядный ток для емкости конденсатора С в допороговом режиме и для емкости диэлектрика СD в послепороговом режиме. Ток через конденсатор СР так же является зарядным и определяется скоростью изменения напряжения JCP = CPdV / dt. Полный ток в цепи равен сумме токов через конденсаторы и составляет J = (C + CP) dV / dt для допорогового режима и J = (CD + CP) dV / dt для напряжения от порогового до амплитудного значения. Однако данный случай является гипотетическим, так как в реальных схемах управления сопротивление имеет конечное значение, отличное от нуля. Возбуждение тонкопленочных электролюминесцентных индикаторных элементов производится обычно знакопеременным гармоническим или пилообразным напряжением, поэтому при анализе переходных процессов в данной работе мы ограничились рассмотрением наиболее простых частных случаев для симметричного линейноизменяющегося и синусоидального напряжения. 2.3.1. Электрические характеристики электролюминесцентных конденсаторов с последовательным сопротивлением и параллельно включенным конденсатором при возбуждении симметричным пилообразным напряжением При возбуждении электролюминесценции в тонкопленочном конденсаторе знакопеременным симметричным, 71

пилообразным напряжением скорость изменения напряжения постоянна по величине a = dV / dt = const. Значение скорости развертки определяется амплитудой VA и периодом T (частотой f) изменения напряжения a = VA / (T/4) = 4VA / T. Для начального состояния (t = 0) были заданы условия: V = at, V(0) = 0, VC = 0, J = 0. Тогда решение уравнения (2.26) для напряжения и тока имеет следующий вид: VC = V – aR(C + CP)(1 – e–t/R(C + CP)), J = (C + CP)dVC / dt = (C + CP)dV / dt(1 – e–t/R(C + CP)).(2.28) Для t >> RC – J = (C + CP)dV / dt = a(C + CP). Данное решение используется для описания электрических характеристик, когда напряжение на электролюминесцентном конденсаторе не превышает порогового значения, величина которого определяется соотношением (2.15). Соответствующее значение внешнего порогового напряжения равно VT = VCT + JR = VCT + aR(C + СР),

(2.29)

если t >> R(C + СР). Когда напряжение превышает пороговое значение, решение уравнения (2.26) принимает вид: VC = V–aR(CD + СР) + aR(CD – C)exp(–(t – tT)/R(CD + СР)), J =a(CD + СР)(1–(CD–C)/(CD + СР) exp(–(t–tT)/R(CD + СР))) JС = aCD(1 – (CD – C) / CD exp(– (t–tT)/ R(CD + СР))). (2.30) 72

Ток JС является зарядным током для конденсатора CD и активным током в слое люминофора, обуславливающим возбуждение свечения в люминесцентном слое. Если t – tT >> R(CD + СР), то J = a(CD + СР) и JС = aCD для t – tT < T/4, где Т – период изменения напряжения. Для амплитудного значения приложенного напряжения V = VA, когда t = T/4, VC = VA – aR(CD + СР). Когда T/4 < t < 3T/4, V = VA – a(t – T/4), т.е. dV / dt = – a, VC = V + aR(C+СР)–aR((CD + СР)+(C + СР)) e–(t–Т/4)/R(C + СР), J =-a(C+СР) ((1-((CD+СР)+(C+СР))/(C + СР)) e-(t-Т/4)/R(C+ СР)), JС = – aC ((1 – (CD + CР)/(C + СР)) e–(t–Т/4)/R(C + СР)).

(2.31)

Таким образом, в этой части периода изменения внешнего напряжения │VC│ > │V│ для V > 0 и │VC│ < │V│ для VC < 0. Величина напряжения на обкладках конденсатора при уменьшении внешнего напряжения некоторое время увеличивается выше значения VCA = V - aR(CD + СР). Максимальное значение напряжения на обкладках конденсатора определяется из условия dVC / dt = 0, т. е. J = 0, и составляет VCM = VA – aR(C + СР) ln(1 + (CD + СР) / C) для VM = VCM = VA – aR(C + СР) ln (1 + (CD + СР) / (C + СР)), т.е. для tM – T/4 = R(C + СР) ln (1 + (CD + СР) / (C + СР)). Величина напряжения VСМ ограничивается значением пробивного напряжения диэлектрических слоев VDПР, т. е. максимальное

напряжение

на

слоях

диэлектрика

VDМ = VCМ – VLT должно быть меньше VDПР = EDПРdD , где EDПР и dD – электрическая прочность и толщина диэлектрика, соответственно это требование ограничивает амплитуд73

ное значение возбуждающего напряжения. Значение тока изменяется

от

J = (CD + СР) dV / dt

для

t = T/4

до

J = – (C + СР) CdV / dt для t – T/4 >> RC. Режим квазистационарного экранирования люминофора продолжается до достижения максимального значения на

обкладках

электролюминесцентного

конденсатора

VСМ – VL = VLT, после достижения времени tm начинается уменьшение напряжения на слоях люминофора и диэлектрика в соответствии с соотношением (2.31) вследствие того, что стабилитрон переходит в закрытое состояние. Напряжение переключения VP для этой части периода изменения напряжения VP = VT вследствие заряда конденсатора CD в предыдущей части изменения напряжения VP = 2VT – VA, а VCP = 2VCT – VCM,

(2.32)

где VCT и VT определяются выражениями (2.15) и (2.29). Таким образом, переключение люминофора в проводящее состояние происходит раньше при меньших значениях напряжения. В остальном это переключение происходит аналогично переключению при возрастании напряжения на начальном участке роста напряжения (0 ≤ t ≤ T/4), но с противоположным знаком полярности напряжения и тока. Для описания переходных процессов изменения напряжения и тока используются соотношения (2.30). Для следующей части периода изменения напряжения (3T/4 ≤ t ≤ 5T/4) внешнее напряжение на зажимах цепи возрастает от – VA до VA следующим образом:

74

V = – VA + a(t – 3T/4). Переходные процессы повторяются с изменением полярности напряжения и тока. Для их описания используются соотношения (2.30) и (2.31) с учетом выражения (2.32). Когда длительность переходных процессов намного меньше времени возрастания напряжения τD = R(CD + СР) << T/4, зависимость электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов от величины последовательного сопротивления цепи незначительна. Для симметричного знакопеременного пилообразного напряжения скорость его изменения а = dV / dt = VA / (T/4) = 4VA / T. Падение напряжения на сопротивлении в установившемся проводящем состоянии VRm = R(CD+СР) dV/dt = 4R(CD+СР)VA/T = 4VA τD/T, данное условие выполняется при τD = R (CD + СР) << T/4, т. е. при малых значениях R. Величина активного тока через тонкопленочный электролюминесцентный конденсатор в этом случае практически не отличается от значения JС = aCD в отсутствии паразитных элементов (резистора R и конденсатора CP), но параллельно включенный конденсатор приводит к увеличению полного тока в цепи. Гораздо большее влияние последовательное сопротивление оказывает на значение активного тока, а также на перераспределение напряжения, когда длительность переходных процессов сравнима со временем нахождения электролюминесцентного конденсатора в проводящем состоянии tA, когда V > VT или V > VP. Возбуждение свечения в 75

пленке люминофора тонкопленочного электролюминесцентного конденсатора производится активным током, являющимся зарядным током для конденсатора СD при проводящем состоянии люминесцентного слоя. Поэтому для повышения яркости свечения необходимо, чтобы постоянная времени заряда τD = R (CD + СР) была меньше длительности участка проводящего состояния [43]. Значение тока, соответствующее 0,98 от установившегося значения, достигается при длительности проводящего состояния tA = 4τD = 4R(CD + СР). Длительность проводящего состояния обычно составляет от 0,1 T/4 до T/4. Соответственно, значение последовательного сопротивления должно быть не более R < (0,1 – 1)T/(16(CD + СР)) или R < (0,1 – 1) / (16f(CD + СР)). Для значения CD + СР = 1 нФ на частоте f = 1кГц – R < 6,25 – 62,5 кОм и на частоте f = 50 Гц – R < 0,125 – 1,25 МОм. Вклад емкости СР становится заметным, когда ее значение превышает 1 % от емкости тонкопленочного электролюминесцентного конденсатора. Данное требование накладывает ограничения на значения паразитной емкости проводников и сопротивления цепи, связанных с сопротивлением проводников и внутреннего сопротивления источника напряжения. Эти ограничения обуславливаются величинами амплитуды и частоты знакопеременного напряжения, определяющими длительность проводящего состояния, т. е. для высоких частот переменного напряжения необходимо уменьшать величину сопротивления цепи.

76

2.3.2. Электрические характеристики электролюминесцентных конденсаторов с последовательным сопротивлением и параллельно включенным конденсатором при возбуждении гармоническим напряжением При возбуждении электролюминесценции в тонкопленочном конденсаторе гармоническим напряжением для начального состояния (t = 0) заданы условия: V(0) = 0, VC = 0, J=0. Решение уравнения (2.26) для напряжения на тонкопленочном электролюминесцентном конденсаторе имеет следующий вид: VC = V – R(C + СР)ωVAcos ωt(1 – e–t/R(C + СР)) = = V – ωτVAcos ωt(1 – e-t/τ) = = VA( sin ωt – ωτ cos ωt(1 – e–t/τ))

(2.33)

Ток в цепи описывается в этом случае следующими выражениями: J = (C + СР)ωVAcos ωt(1 – e–t/R(C + СР)) JС = CωVAcos ωt(1 – e–t/R(C + СР)).

(2.34)

Для t >> RC – J = (C + СР)ωVAcos ωt, JС = CωVAcos ωt. Выражения (2.15) и (2.29) остаются справедливыми и для гармонического напряжения, но значение порогового напряжения определяется следующим соотношением: VT=VCT+JR=VCT+R(C+СР)ωVAcos ωtT(1–e–tT/R(C + СР)),(2.35) где tT = 1 / ω arcsin VCT / VA. Для t >> R(C+СР)–VT = VCT+R(C + СР)ωVAcos (arcsin VCT/ VA). 77

Когда напряжение превышает пороговое значение, решение уравнения (2.26) принимает вид: VC = V – ωVAR((CD + CР) – (CD – C) e –(t – tT)/R(CD + СР))cos ωt, J=ωVA(CD + CР) cos ωt(1 – (CD – C)/ (CD + CР) e –(t – tT)/R(CD + CР)), JC = ωVACD cos ωt(1–(CD–C)/(CD+CР) e –(t – tT)/R(CD + CР)).

(2.36)

Если t – tT >> R(CD + CР), то: J = ωVA(CD + CР) cos ωt, JС = ωVACDcos ωt для t ≤ T/4. Для амплитудного значения приложенного напряжения V = VA, когда t = T/4, – VCA = VA и J = JC = 0. В отличии от переходных процессов при возбуждении пилообразным напряжением максимальное значение напряжения на электролюминесцентном конденсаторе соответствует амплитудному значению внешнего напряжения. Когда t ≥ T/4 VC = V- ωVAR cos ωt ((C + СР) – (CD + (C + СР)) e– (t –T/4)/R(C + СР)), J = ωVA(CD+СР)cos ωt(1–((CD+СР)+(C+СР))/(C+СР)e–t–T/4)/R(C + СР))), JC = ωVAC cos ωt(1–((CD+СР)+(C+СР))/(C+СР)e–(t–T/4)/R(C + СР))).(2.37)

Поскольку для данного участка периода изменение напряжения cos ωt имеет отрицательное значение, то │VC│ > │V│для V > 0 и │VC│ < │V│ для VC < 0. Если t – T/4 >> R(C + СР), то: VC = V – ωVAR(C + СР) cos ωt, J = ωVA(C + СР) cos ωt JC = ωVAC cos ωt. Для V = 0 (sin ωt = 0), значение тока по модулю проходит через максимум для закрытого состояния стабилитрона 78

J = – ω(C + СР)VA, JC = – ωVAC, а значение падения напряжения на электролюминесцентном конденсаторе больше нуля VC = ωVAR(C + СР). Переключение люминофора в проводящем состоянии на этом участке периода изменения напряжения происходит при меньших значениях напряжения, чем на начальном участке в соответствии с выражением (2.32), для описания переходных процессов изменения напряжения и тока используются соотношения (2.36). Для следующей части периода изменение напряжения (3T/4 ≤ t ≤ 5T/4) внешнее напряжение на зажимах цепи возрастает от – VA до VA и переходные процессы повторяются с изменением полярности напряжения и тока. Для их описания используются соотношения (2.36) и (2.37) с учетом выражения (2.32). Для возбуждения гармоническим напряжением, в отличии от пилообразного, характерно отсутствие перераспределения напряжения между сопротивлением и конденсаторами для его амплитудного значения (VCA = VA) и возможное большее значение максимального тока в цепи для закрытого и открытого состояния стабилитрона Jm закр = 2πVA(CD + CР) / T и Jm откр = 2πVA(CD + CР) / T, тогда как значения максимального тока через электролюминесцентный конденсатор остаются такими же, как и в отсутствие параллельно включенного конденсатора [45].

79

2.4. Основные результаты и выводы 1. В рамках модели квазистационарного самоэкранирования люминофора в тонкопленочной структуре показано, что переходные электрические процессы в электролюминесцентных конденсаторах определяются скоростью изменения внешнего напряжения и составом электрической схемы управления индикаторами. 2. Проведен анализ переходных электрических процессов в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах с последовательным сопротивлением цепи в схеме управления и получены аналитические соотношения для падения напряжения на электролюминесцентном конденсаторе и тока через него при возбуждении знакопеременным симметричным, линейно изменяющимся и гармоническим напряжением. 3. Проведен анализ переходных электрических процессов в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах с параллельно включенным конденсатором и последовательным сопротивлением цепи в схеме управления и получены аналитические соотношения для падения напряжения на электролюминесцентном конденсаторе и тока через него при возбуждении знакопеременным симметричным, линейно изменяющимся и гармоническим напряжением.

80

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ СХЕМ УПРАВЛЕНИЯ Исследования электрических процессов в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах в схемах управления индикаторными устройствами на основе тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов проводились по трем основным направлениям. Во-первых, проведение анализа возможностей пакетов прикладных программ схемотехнического машинного моделирования для решения задач определения оптимального согласования параметров схемы управления и светоизлучающих элементов на основе тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов. Во-вторых, проведение схемотехнических натурных измерений характеристик электрических схем замещения тонкопленочного электролюминесцентного конденсатора с сосредоточенными параметрами в составе 81

схемы управления. В-третьих, проведение экспериментальных исследований электрических и светотехнических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторных структур, полученных методами вакуумного напыления в лабораторных условиях. 3.1. Схемотехническое моделирование электрических процессов в тонкопленочных электролюминесцентных индикаторных устройствах Анализ устройств управления светоизлучающими элементами (пикселами) для индикаторных устройств на основе тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторных структур значительно упрощается с использованием стандартных программ схемотехнического моделирования систем с сосредоточенными параметрами, изменяющимися в широких пределах для различных режимов управления средствами отображения информации, в связи с чем был проведен анализ пакетов прикладных программ и проведено исследование схемотехнических моделей индикаторных устройств. 3.1.1. Системы автоматизированного проектирования и моделирования аналоговых и цифровых устройств В последние годы заметно изменилась роль систем автоматизированного проектирования. Если раньше САПР являлись инструментом, повышающим скорость и качество проектирования, то теперь во многих случаях они – единственно возможный инструмент проектирования и неотъемлемое звено в производстве электронных изделий [46]. 82

К наиболее распространенным в настоящее время в отечественной практике системам и программам схемотехнического проектирования аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств относятся системы PSPICE, Micro – Cap, EWB, LabView, MathLab. Рассмотрим некоторые из этих систем подробнее. Система PSPICE Система PSPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) разработана в начале 70-х годов и предназначалась для анализа аналоговых электронных схем. К началу 80-х годов она не имела модулей для выполнения оптимизации, статистического анализа и анализа на наихудший случай [47]. Первая версия программы PSPICE, предназначенная для работы на персональной ЭВМ, была выпущена в 1984 г. При помощи этой программы дополнительно можно было рассчитывать спектральные плотности внутренних шумов. Начиная с четвертой версии, выпущенной в 1989 г., программа позволяет моделировать аналоговые, цифровые и аналого-цифровые схемы. Пятая версия и ее модификации PSPICE 5.1, 5.2, 5.3, выпущены в начале 90-х годов. Эта версия включает графический постпроцессор PROBE, позволяющий представлять результаты анализа в графической форме, редактор входных сигналов StmEd, программу расчета математических моделей и компонентов Parts, управляющую оболочку Shell. После версии 5.3 программа допускает как текстовый, так и графический ввод принципиальных схем. 83

В версии 6.3 и предшествующих ей версиях отсутствует статистический анализ, анализ наихудшего случая, учет задержек распространения, отсутствует интерфейс с редактором входных сигналов STMED и программой идентификации параметров математических моделей PARTS, нет целевых функций в программе PROBE. Существует упрощенный вариант программы PSPICE A / D Basics + для анализа аналого-цифровых устройств при ограниченных возможностях программы [48]. Система Micro–Cap Система схемотехнического моделирования Micro–Cap фирмы Spectrum Software развивалась так: Micro–Cap I (1982 г.), Micro–Cap II (1984 г.), III (1988 г.), IV (1992 г.), V (1995 г.). Вторая версия программы Micro–Cap V выпущена в августе 1997 г. [49]. Последняя версия программы работает под управлением Windows 95/NT/98. В отличие от системы PSPICE, Micro–Cap имеет более удобный интерфейс с обширной справочной системой. Надписи на всех этапах проектирования поддерживают кириллицу. Система позволяет анализировать аналоговые, цифровые и аналого-цифровые схемы, выполняет графический и текстовый ввод схемы, используя при этом формат SPICE. При помощи программы выполняется анализ статического (DC), переходного (transient) и частотного (AC) режимов работы схем, Фурье–анализ, расчет шумов, спектров, статистический анализ по методу Монте-Карло и расчет наихудшего случая, учет задержек распространения сигналов в цифровых устройствах. Анализ может выполняться при заданном 84

значении температуры окружающей среды. Включает модуль MODEL для расчета параметров моделей аналоговых компонентов и модуль PROBE для графического отображения результатов анализа, имеет редактор схем, компонентов, моделей, форм. Библиотека системы включает до 10 000 моделей электрорадиоэлементов. Ввод сложных принципиальных схем осуществляется многостраничным графическим редактором, поддерживающим иерархические структуры. Позволяет моделировать динамические системы, заданные не только принципиальными, но и функциональными схемами, передаточные функции которых заданы в операторной форме. В формате PSPICE программа читает и сохраняет текстовые файлы описания схем и задания на моделирование, библиотеки математических моделей и отсчеты цифровых сигналов. Micro–Cap занимает 67,6 Мбайт памяти на жестком диске. Аппаратно–инструментальный комплекс LabView Система LabView фирмы National Instruments Corp. является аппаратно–инструментальным комплексом [50]. Позволяет проводить проектирование и исследование объектов (систем), заданных в виде блок–схем. В этом язык программирования задания похож на языки объектноориентированного программирования как Delphi и Visual Basic. Имеет обширные библиотеки модульных элементов (DLL). Блок–схема является графическим отображением исследуемого устройства, а также исходным кодом реализации виртуального прибора. Система позволяет осуществлять функции многих электроизмерительных приборов 85

различного назначения, а также прием и обработку результатов измерений от реальных физических объектов. Версия программы LabView v.5.1 включает ряд новых возможностей. Благодаря новой архитектуре можно создавать модули меньших размеров и лучше использовать память. Появилась возможность опубликования передней панели виртуальных приборов на страницах WEB. Новая технология DataSocet позволяет быстро распределять данные среди различных Internet–приложений. Вследствие применения технологии ActiveX (Com) появилась возможность полнее использовать математические и диалоговые средства пакетов MathLAB фирмы MathWorks и HiQ фирмы National Instruments. Может работать под управлением Windows 95/NT/98, UNIX, Power Macintosh. Программа ELECTRONICS WORKBENCH (EWB) Программа проектирования электронных схем Electronics Workbench фирмы Interactive Image Technologies Ltd. позволяет моделировать аналоговые, простые цифровые и аналого–цифровые схемы электронных устройств, устройств автоматики, электромеханических устройств (двигатели постоянного тока), а также схем, состоящих из функциональных блоков с заданными передаточными функциями [51]. Программа позволяет выполнять разработку печатных плат при помощи программы EWB Layout, входящей в комплект; имеется обширная библиотека моделей аналоговых и цифровых устройств, включая модели интегральных схем и полевых транзисторов и удобный интерфейс в виде системы расширяющихся меню. При этом основные пункты 86

меню имеют всплывающие пояснения их назначения. Позволяет создавать и редактировать принципиальную схему, подключать измерительные приборы и выполнять указанные виды анализа. Возможность подключения в схему измерительных приборов по внешнему виду и характеристикам приближающихся к промышленным образцам, является одной из отличительных особенностей программы. В качестве контрольно–измерительных приборов можно использовать мультиметр, осциллограф, измеритель АЧХ и ФЧХ, логический анализатор, логический преобразователь, генератор слова, функциональный генератор. Реализованы следующие виды анализа: • DC–анализ (по постоянному току); • AC–анализ (АЧХ и ФЧХ); • исследуются переходные процессы; • исследуются цифровые и аналого-цифровые схемы; • многовариантный анализ по постоянному току; • Фурье–анализ и анализ спектра внутренних шумов; • анализ нелинейных и интермодуляционных искажений; • анализ при вариации параметров схемы и температуры; • расчет нулей и полюсов передаточных функций; • расчет относительной чувствительности характеристик схемы к изменению параметров выбранного элемента в режимах DC и AC; • расчет на наихудший случай; • статистический анализ методом Монте-Карло. 87

Пользователю программы дается возможность настройки параметров анализа – выбор метода численного интегрирования среди методов Гира 2–6 порядков и метода трапеций; задание величин относительной и абсолютной погрешности вычислений; задание минимальной проводимости ветвей; изменение величины шага и числа интераций при статическом анализе; возможность изменения объема памяти на жестком диске для хранения временных файлов. В предшествующей версии программы EWB 4.1 объем буфера был фиксирован, и расчет переходных процессов был возможен до заполнения буфера. EWB 5.1 позволяет выполнять экспорт/импорт данных в формате SPICE для анализа схем и экспорт/импорт данных для разработки печатных плат в форматах OrCad PCB, Tango, Eagle, Layout 1, EWB Layout. Работает под управлением Windows 95/NT/98. Для размещения программы требуется 16 Мбайт памяти на жестком диске и 10…20 Мбайт свободного пространства для размещения временных файлов. Удобный интерфейс и простота работы с программой делают ее легкой в освоении [52]. В связи с этим нами было выбрано именно это программное обеспечение для проведения схемотехнического моделирования влияния параметров элементов схемы управления на электрические характеристики тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов.

88

3.1.2. Схемотехнический анализ индикаторных устройств на основе тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов с использованием программы Electronics Workbench Прежде чем создавать чертеж принципиальной схемы средствами программы Electronics Workbench, необходимо на листе бумаги подготовить ее эскиз с примерным расположением компонентов и с учетом возможности оформления отдельных фрагментов в виде подсхем [52]. В общем случае процесс создания схемы начинается с размещения на рабочем поле Electronics Workbench компонентов из библиотек программы в соответствии с подготовленным эскизом. Если же файл еще не создан необходимо создать его посредством выполнения команды File/New и команды File/Save as. При выполнении первой команды будет создан новый файл-схема и в случае если какая-либо схема уже загружена в Electronics Workbench, пользователю будет предложено сохранить предыдущую схему. Вторая команда предназначена для записи файла на накопитель и установки каталога и имени, под которым будет храниться данная схема. Далее нужно нанести на рабочую область Electronics Workbench модели деталей, необходимые для моделирования данной схемы. Это делается посредством нажатия левой кнопкой мыши на нужном наборе деталей, после чего будет выведено дополнительное окно, включающее в себя детали набора; выбором соответствующей детали, при этом, на кнопке с рисунком элемента и элемент переносится на рабочую область (кнопку мыши необходимо держать нажатой до выбора места расположения элемента. 89

Рис. 3.1. Эквивалентная схема в Electronics Workbench

В данном случае необходимы: генератор (Function Generator), резисторы (Resistor), конденсаторы (Capacitor), осциллограф (Oscilloscope), стабилитроны (Zener Diode) и заземление (Ground). Резисторы и конденсаторы находятся в наборе Basic, стабилитроны – в наборе Diodes, заземление – в наборе Sources, осциллограф и генератор – в наборе Instruments. Каждый элемент имеет точки соединения, которые необходимо соединить для получения нужной схемы. Это делается выбором контакта левой кнопкой мыши и переносом ее к другому контакту, при этом создается провод, соединяющий их. При необходимости на провод можно нанести узел (Connector в наборе Basics). Затем для наглядности можно перенести элементы в необходимые места рабочей области. Данное действие также осуществляется переносом при нажатии и удержании на элементе левой кнопкой мыши. При этом соединительные провода будут переме90

щены автоматически. При необходимости провода можно также перемещать. Когда схема создана и готова к работе для начала имитации процесса работы необходимо выполнить команду меню: – щелкнуть кнопку включения питания на панели инструментов. Данное действие приведет в рабочее состояние схему, и в одном из окон строки состояния будет показываться время работы схемы, которое не соответствует реальному и зависит от скорости процессора и системы персонального компьютера, именно поэтому для разработки сложных схем рекомендуется использовать компьютеры c тактовой частотой процессора не ниже 266 MГц. Прервать имитацию можно двумя способами. Если вы закончили работу и просмотр результатов имитации, необходимо повторно щелкнуть переключатель питания. Если же нужно временно прервать работу схемы, например, для детального рассмотрения осциллограммы, а затем продолжить работу, то можно воспользоваться кнопкой Pause, которая расположена на панели инструментов. Возможность приостановки процесса является преимуществом по сравнению с традиционным тестированием радиоэлектронных устройств. Теперь для произведения анализа имитации можно изменять номиналы элементов, выводить и настраивать терминалы приборов. В данном случае можно просмотреть осциллограмму на выходе эквивалентной схемы. Для этого нужно вывести окно терминала осциллографа двойным нажатием на компоненте Oscilloscope. Вид панели осциллографа представлен на рис. 3.2. 91

Рис. 3.2. Вид расширенной панели осциллографа и панели генератора Electronics Workbench

При

использовании

осциллографа

в

Electronics

Workbench есть возможность просмотра сигнала на протяжении всего времени имитации. Для этого можно воспользоваться кнопкой Expand и полосами прокрутки изображения, чтобы перевести панель в нормальный режим используется кнопка Reduce. Для изучения электрических характеристик можно изменить сигнал на входе эквивалентной схемы. Для этого нужно вывести при помощи двойного нажатия кнопкой мыши на компоненте на экран панель генератора. При помощи генератора можно формировать три вида сигналов: синусоидальный, пилообразный и прямоугольный. В данном случае для анализа нужен пилообразный сигнал. Для перевода генератора в нужный режим требуется нажать соответствующую кнопку на панели. Также можно изменить другие параметры – частоту и амплитуду сигнала. 92

Перед изменением каких–либо параметров следует отключать источники питания схемы, иначе возможно получение неверных результатов. Для того, чтобы изменить какие-либо параметры элементов схемы нужно дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на нужном элементе, при этом будет выведено окно свойств элемента. Пример такого окна приведен на рис.3.3.

Рис. 3.3. Окно параметров резистора

В наиболее общем случае процесс моделирования в программе Electronics Workbench сводится к следующему [51]. После запуска моделирования данные моделируемой схемы считываются программой (с экрана монитора), затем компоненты заменяются их математическими моделями (чаще всего моделями PSpice) и составляется система линейных, нелинейных или дифференциальных уравнений по методу, аналогичному методу узловых потенциалов (отличие заключается в том, что потенциал рассчитывается для каждой точки схемы или так называемой ноды – точки со93

единения выводов двух и более компонентов, включая и узел – точку соединения трех и более компонентов). Далее система уравнений (матрица) преобразуется в две треугольные – нижнего (Low) и верхнего (Upper) уровней (LU – факторизация, напоминающая двухходовый метод последовательного исключения переменных Гаусса), после чего для нахождения корней (потенциалов Vi в каждой ноде) применяется метод Ньютона-Рафсона, реализующий формулу Vn+1 = Vn – F(Vn) / F`(Vn), где Vn+1, Vn – значения потенциала в i-ой точке схемы на текущем и предыдущим шаге итерации; F(Vn), F`(Vn) – соответствующая функция от Vn и ее производная. 3.1.3.

Моделирование

электрических

характеристик

тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов в электрических цепях Для моделирования электрических процессов в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах в составе схемы управления, включающей последовательное сопротивление и параллельную емкость, были использованы эквивалентные электрические схемы, рассмотренные в разделе 2 и представленные на рисунках 3.1. и 3.2. Наиболее важным в эквивалентной схеме является нелинейный элемент, моделирующий пороговый характер параметров электролюминесцентных устройств, что, в свою очередь, обусловлено особенностями полевых механизмов генерации носителей заряда в пленке люминофора. Слой люминофора в невозбужденном состоянии обладает высо94

ким удельным сопротивлением ( ρ≈ 1010 Ом cм). В простейшем случае, при слабых полях, эквивалентная схема может быть представлена в виде последовательной цепочки трех конденсаторов CD1, CD2, CL, емкости которых равны геометрическим емкостям слоев диэлектриков и люминофора. В сильном электрическом поле ( Ε = 106 В/см), необходимом для создания излучения, сопротивление пленки люминофора существенно снижается и, следовательно, емкостью этого слоя CL можно пренебречь. Обычно вольт– амперная характеристика слоя люминофора приближенно аппроксимируется обратными ветвями вольт–амперных характеристик стабилитронов. Тем самым, переключение люминофора из высокоомного в низкоомное состояние, моделируется встречным включением двух стабилитронов, значение напряжения стабилизации которых выбирается в соответствии с пороговым напряжением VL , определяющим начало свечения тонкопленочного электролюминесцентного конденсатора. Для проведения исследований использовались структуры с диэлектрическими слоями емкостью 1 нФ и пленкой люминофора с емкостью 330 пФ, значения выбирались исходя из данных для образцов, полученных экспериментально. В качестве нелинейного ключевого элемента использованы

два

встречно

включенных

стабилитрона

1N 5273 В, что соответствует пороговому напряжению тонкопленочных электролюминесцентных излучателей. Также в схему включено сопротивление нагрузки RH номиналом 100 Ом, которое используется для определения 95

величины тока, протекающего через тонкопленочный электролюминесцентный конденсатор и сопротивление цепи [54, 55]. Целью исследования было изучение влияния сопротивления цепи на значения напряжения на электролюминесцентном конденсаторе и тока в цепи при возбуждении знакопеременным симметричным, пилообразным напряжением. Данный частный случай позволяет получить более простые решения и нагляднее представить особенности протекания переходных процессов в исследуемой цепи. Типичная зависимость напряжения на сопротивлении нагрузки RН, пропорционального току через электролюминесцентный конденсатор (волна тока), показана на рис. 3.2. Там же показано, как определялась длительность времени нарастания тока до значения 0,63 JMAX. Типичные зависимости длительности времени нарастания тока, протекающего через электролюминесцентный конденсатор от значений последовательно включенного сопротивления цепи (т. е. постоянные времени цепи), полученные при подаче симметричного пилообразного напряжения амплитудой 200 В и частотами 1 кГц и 50 Гц, соответственно, представлены в таблицах 3.1, 3.2 и на рисунках 3.4 и 3.5. Полученные результаты моделирования, а именно линейная зависимость постоянной времени от последовательного сопротивления цепи, соответствуют данным теоретического анализа переходных электрических процессов в соответствующей эквивалентной схеме [55]. 96

Таблица 3.1. Зависимость времени нарастания от сопротивления цепи на частоте 1 кГц R, кОм

τ , мс

0,001

25,0000

0,01

25,0000

0,1

25,0000

1

25,0000

10

25,0000

25

25,0000

40

25,0000

50

26,0000

60

27,4927

70

32,7785

100

40,0000

150

58,6243

200

80,5356

250

102,4448

300

119,0191

Рис. 3.4. График зависимости времени нарастания активного тока от сопротивления цепи на частоте 1 кГц

97

Таблица 3.2. Зависимость времени нарастания от сопротивления цепи на частоте 50 Гц

τ , мс.

R, МОм 0,000001 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 2 2,4 3 3.4 4 4,4 5 5,4 6

0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4582 0,5134 0,5841 0,7537 0,8853 1,1765 1,2642 1,4528 1,6938 1,8357 2,1371 2,2312

Рис. 3.5. График зависимости времени нарастания активного тока от сопротивления цепи на частоте 50 Гц 98

Однако эта линейная зависимость проявляется на частоте 1 кГц при значениях RЦ > 60 кОм, а на частоте 50 Гц при значениях RЦ > 1 МОм. Поскольку величина нагрузочного сопротивления (RН = 100 Ом) намного меньше этих значений, как и сопротивление стабилитронов в открытом состоянии (0,52 Ом), то этим величинам может соответствовать лишь выходное сопротивление генератора переменного

напряжения,

используемого

в

программах

Electronics Workbench [56]. При значениях сопротивления цепи более 300 кОм на частоте 1 кГц или более 6 МОм на частоте 50 Гц постоянная времени увеличивается, и в течение времени открытого состояния стабилитронов значение активного тока через тонкопленочный электролюминесцентный конденсатор не достигает 0,63 JMAX. Именно эти приведенные значения сопротивлений цепи ограничивают допустимые режимы возбуждения излучения в подобных тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах, тем самым ограничивая предельные значения сопротивления цепи в схемах управления. На рис. 3.6. представлена типичная волна тока для такого случая. Кроме изучения влияния последовательного сопротивления цепи на электрические характеристики тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов, были проведены исследования электрических процессов в схемах с параллельным включением емкости СР, отображающей паразитную емкость проводников и выходную емкость генератора. 99

Рис. 3.6. Схема замещения: панель генератора и панель осциллографа для больших значений сопротивления цепи

Эти исследования показали, что изменение волн тока происходит при значениях параллельной емкости, сравнимых с величиной емкости диэлектрических слоев. Для выбранных номиналов в изучаемой эквивалентной схеме значение СР составляло ~ 0,3–0,5 нФ. Ширина проводников на печатных платах обычно находится в пределах 1,5–2,5 мм, а допустимая плотность тока составляет 20–30 А/мм2. Расстояние между смежными проводниками должно обеспечить достаточную электрическую прочность и минимальные паразитные емкости. При расстоянии 0,8 мм паразитная емкость между смежными проводниками составляет 0,3–0,4 пФ/см. Поэтому в общем случае паразитная емкость не превышает 25 пФ и т. к. эта величина во много раз меньше CL, то какого-либо изменения в электрических характеристиках тонкопленочного электролюминесцентного конденсатора не происходит [53, 57]. 100

3.2. Исследование характеристик электрических схем замещения тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов Изучение электрических процессов в эквивалентных схемах индикаторных устройств с учетом физических свойств светоизлучающих элементов необходимо для определения оптимальных режимов управления и установления требований к их конструктивно-технологическим параметрам. Использование электрических схем замещения позволяет производить экспериментальные исследования устройств управления индикаторами с применением натурных макетов тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов в составе реальной схемы управления, что позволяет определить области оптимальной и безопасной работы с учетом параметров эквивалентной схемы и условий возбуждения свечения элементов. Для проведения экспериментальных исследований физических (натурных) моделей тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов в составе схем управления были использованы макеты эквивалентных схем на основе элементов с сосредоточенными параметрами, рассмотренные в разделе 2 (рис. 2.2. и 2.6.). Для

физического

моделирования

тонкопленочной

структуры электролюминесцентного конденсатора, предложенного и исследованного в работах [7, 27, 28], были определены номинальные параметры составляющих элементов электрической схемы замещения. 101

В соответствии со значениями конструктивных факторов и учетом свойств материалов люминесцентных пленок образцов и характеристик объектов схемотехнического моделирования в качестве ключевых элементов для экспериментальных исследований были выбраны два встречно включенных стабилитрона КС 620 А с напряжением стабилизации 120 В и током стабилизации 50 мА. Для представления геометрической емкости люминесцентного слоя использовался конденсатор КСО–1 номиналом 330

±

5 % пФ, 250 В. Емкости диэлектрических пленок

представлены двумя конденсаторами КСО–2 номиналом 1000

±

5 % пФ, 500 В.

В качестве нагрузочного резистора, с которого на вход осциллографа С1–93 снималось напряжение, пропорциональное току через схему замещения, использовался резистор МЛТ–0,25 номиналом 100

±

10 % Ом.

Для экспериментальных исследований зависимости переходных электрических характеристик от последовательного сопротивления цепи был использован в качестве RЦ набор сопротивлений МЛТ–0,25 номиналами от 1 Ом до 6 МОм. В качестве источника знакопеременного напряжения симметричной пилообразной формы использовался генератор сигналов специальной формы Г6–28, с выхода которого напряжение подавалось на усилитель “Амфитон А1– 01–2У” и на повышающий трансформатор ТАН 51–115–400, а затем на схему управления, включающую тонкопленочный электролюминесцентный конденсатор. 102

При проведении экспериментальных исследований были произведены измерения волн тока, и установлены зависимости постоянной времени нарастания тока от величины последовательного сопротивления для тех же условий, что и при проведении схемотехнического машинного моделирования. На рис. 3.7. и 3.8. показаны экспериментально полученные зависимости времени нарастания тока от величины последовательного сопротивления при возбуждении симметричным пилообразным напряжением с амплитудой 200 В и частотами 1 кГц и 50 Гц, соответственно. Погрешность определения значений времени нарастания определяется возможностями осциллографических наблюдений и составляет ~ 15 %.

Рис. 3.7. График зависимости времени нарастания от сопротивления цепи на частоте 1 кГц

Как следует из рисунков, полученные экспериментальные зависимости времени нарастания тока от сопротивле103

ния цепи являются линейными в достаточно широком интервале значений сопротивления, что соответствует результатам теоретического анализа, представленного в разделе 2, и данным машинного моделирования (раздел 3.1.).

Рис. 3.8. График зависимости времени нарастания от сопротивления цепи на частоте 50 Гц

При уменьшении величины последовательного сопротивления (менее 30–40 кОм) значение времени нарастания оставалось постоянным, что может быть объяснено влиянием внутреннего сопротивления источника переменного напряжения. При увеличении значения последовательного сопротивления выше 200–300 кОм происходило уменьшение тока, т. е. за время открытого состояния стабилитронов ток не достигал установившегося максимального значения. Подключение параллельной паразитной емкости не 104

оказывало заметного влияния на электрические характеристики схемы замещения вплоть до значений, соответствующих по порядку значениям емкостей диэлектриков и люминофора. Однако, как было отмечено в предыдущем разделе, такие значения не соответствуют реальным возможным величинам паразитных емкостей в индикаторных устройствах на основе тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов. Полученные результаты имеют практическое значение не только для разработки режимов возбуждения и схем управления индикаторными устройствами, но и для анализа методов и средств измерения электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов с целью изучения физических процессов и определения свойств тонких пленок в светоизлучающих структурах. 3.3. Экспериментальные исследования электрических и светотехнических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов Проведение экспериментальных исследований электрических и светотехнических характеристик тонкопленочных

электролюминесцентных

конденсаторных

структур

осуществлялось для анализа адекватности математических и физических моделей индикаторных элементов и установления зависимостей функциональных параметров источников излучения от режимов возбуждения и состава схемы управления индикаторными устройствами.

105

3.3.1. Получение и свойства тонкопленочных электролюминесцентных структур Тонкопленочные электролюминесцентные конденсаторные структуры для экспериментальных исследований были получены методами тонкопленочной технологии в лаборатории кафедры <<Проектирование и технология электронных средств>> Ульяновского государственного технического университета [6]. В данном разделе приведено краткое описание свойств применяемых материалов и использованных технологических методов получения экспериментальных образцов. Для измерения электрических процессов использованы типичные пятислойные тонкопленочные структуры, конструкция которых представлена на рис. 1.1. В качестве подложек, на которых формировались конденсаторные структуры, использовались пластины бесщелочного стекла толщиной 1,5–3 мм с нанесенным на них слоем прозрачного электрода, представляющего собой пленку оксидов индия и олова толщиной 0,2 мкм с удельным поверхностным сопротивлением 50–100 Ом/□ и прозрачностью более 95–98 % в видимом диапазоне. После механической и химической очистки подложек на них осаждали пленку диэлектрика методом электроннолучевого испарения в вакууме. В качестве диэлектрических материалов был использован твердый раствор оксидов циркония (87 %) и иттрия (13 %). Этот состав отличался высокой технологичностью, стабильностью, высокими изолирующими свойствами [6]. Технология его нанесения достаточно хорошо отработана [58]. Толщина диэлектрических слоев составляла 0,2–0,3 мкм, диэлектрическая проницае106

мость – 18–19, удельное сопротивление – более 1013 Ом·см. В качестве люминесцентного материала использовали сульфид цинка, легированный марганцем (0,5 %). Данный материал также хорошо изучен, и для него отработана технология получения тонких пленок [6, 58]. Слои электролюминофора наносились поверх пленки диэлектрика вакуумным методом резистивного испарения. Толщина пленок люминофора составляла 0,5–1,5 мкм, диэлектрическая проницаемость – 8–9, удельное сопротивление – (2–3) 109 Ом·см. На поверхность люминесцентного слоя напылялась пленка диэлектрика аналогично первому диэлектрическому слою. Затем на поверхности диэлектрика формировались алюминиевые электроды с помощью термического испарения в вакууме через трафарет. Толщина алюминиевых пленок составляла 0,2–2 мкм, площадь электродов обычно была около 2 мм2. Полученные таким образом тонкопленочные электролюминесцентные конденсаторы обладали достаточно высокой стабильностью. Пороговое напряжение для различных образцов составляло от 100 до 150 В, максимальная яркость свечения желтого цвета достигала 2·104 кд/м2. 3.3.2. Экспериментальные измерения электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов Для экспериментальных исследований электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторных структур использовалось то же измерительное оборудование, что было использовано и для изме107

рения электрических характеристик макетов схем замещения (раздел 3.2). Знакопеременное симметричное, пилообразное напряжение подавалось на экспериментальный образец, с последовательно включенного нагрузочного резистора на вход осциллографа снималось напряжение, пропорциональное току через тонкопленочный электролюминесцентный конденсатор. По осциллограммам волн тока для различных значений последовательного сопротивления цепи проводилось определение времени нарастания активного тока (при нарастании напряжения выше порогового значения) до уровня 0,63 JMAX. Измерения проводились так же, как и при проведении машинного и макетного моделирования при возбуждении знакопеременным симметричным, линейно изменяющимся напряжением, меняющимся с частотами 1 кГц и 50 Гц. На рисунках 3.9. и 3.10. представлены типичные экспериментально измеренные зависимости времени нарастания активного тока через тонкопленочный электролюминесцентный конденсатор от величины последовательного сопротивления цепи. Волны тока измерялись при значении амплитуды знакопеременного симметричного пилообразного напряжения, равного 150 В, для образца тонкопленочного электролюминесцентного конденсатора с пороговым напряжением, равным 110 В. Вид волн тока на экране осциллографа для экспериментальных образцов соответствовал аналогичным характеристикам, полученным при численном и макетном моделировании электрических процессов в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах (рис. 3.2.). 108

Рис. 3.9. График зависимости времени нарастания активного тока от сопротивления цепи на частоте 1 кГц

Рис. 3.10. График зависимости времени нарастания активного тока от сопротивления цепи на частоте 50 Гц

109

Соответственно, графики зависимости времени нарастания активного тока от сопротивления цепи имели качественное совпадение с аналогичными графиками, полученными при численном и макетном моделировании. Поэтому отклонения графиков зависимости от линейного вида при малых значениях последовательного сопротивления имеет такое же объяснение, как и для макетного моделирования. Полученное совпадение подтверждает возможность проведения исследований моделей тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов при изучении их электрических характеристик и анализе их свойств как элементов электрических цепей в схемах управления. Совпадение электрических характеристик объясняется тем, что полевая зависимость активного тока в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах и полевая зависимость тока именно в кремниевых стабилитронах носит аналогичный характер, а именно J ~ exp (– b / E) [3, 7, 59, 60]. Следует отметить, что в стабилитронах на основе полупроводниковых соединений полевая зависимость тока имеет иной вид [59, 60] и их использование для моделирования электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов может привести к отличию соответствующих зависимостей. 3.3.3. Экспериментальные измерения светотехнических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов Для измерения величины яркости и кинетики ее изменения использовался фотоэлектрический фотометр типа ФПЧ. В фотометре в качестве приемника оптического излу110

чения использован фотоэлектронный умножитель ФЭУ–84– –6. Фотометр позволяет измерять яркости излучения от 0,02 до 50 000 кд/м2 с погрешностью не более 10 %. Тонкопленочная электролюминесцентная структура в держателе помещалась в светонепроницаемый корпус для исключения воздействия внешнего освещения. В ходе экспериментальных исследований были проведены измерения зависимости яркости свечения тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов от приложенного напряжения (вольт-яркостные характеристики) при возбуждении знакопеременным симметричным, линейно изменяющимся напряжением.

Рис. 3.11. Вольт – яркостные характеристики тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов (а – в линейном; б – в полулогарифмическом масштабе): 1– f = 1 кГц, RП = 30 кОм;

2– f = 1 кГц, RП = 68 кОм;

3– f = 50 Гц, RП = 30 кОм;

4– f = 50 Гц, RП = 68 кОм

111

Данные зависимости измерялись для частот изменения переменного напряжения 1 кГц и 50 Гц. На рис. 3.11. представлены типичные вольт-яркостные характеристики, измеренные для значений последовательного сопротивления цепи 10 и 68 кОм. На рис. 3.12. представлены типичные экспериментальные зависимости яркости тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов от величины последовательного сопротивления схемы управления при возбуждении знакопеременным симметричным, линейно изменяющимся напряжением амплитудой 150 В и частотами 1 кГц и 50 Гц.

Рис. 3.12. Зависимость яркости тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов от последовательного сопротивления цепи: 1– f = 1 кГц; 2– f = 50 Гц 112

Полученные экспериментальные результаты согласуются с данными теоретического анализа, представленными в разделе 2. Скорость возбуждения центров свечения в люминофоре тонкопленочного электролюминесцентного конденсатора определяется величиной активного тока, протекающего через люминесцентный слой [6, 7]. Величина активного тока, в свою очередь, зависит от значений параметров паразитных элементов цепи управления: последовательного сопротивления и параллельной емкости. Как показано в п. 2.2., п.п. 3.1.3. и п. 3.2., с увеличением последовательного сопротивления цепи возрастает длительность переходных электрических процессов и уменьшается активный ток в слое люминофора тонкопленочного электролюминесцентного конденсатора. В связи с этим происходит уменьшение яркости свечения источников излучения. Полученные экспериментальные результаты позволяют сделать вывод, что для увеличения яркости свечения элементов индикаторных устройств на основе тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов необходимо уменьшать величину последовательного сопротивления схемы управления. 3.4. Основные результаты и выводы 1. Проведен анализ возможностей пакетов прикладных программ схемотехнического машинного моделирования для проведения исследований электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов в составе схемы управления индикаторными устройствами, и показана возможность применения для решения 113

этих задач пакета прикладных программ проектирования электронных схем Electronics Workbench. 2. С использованием программы схемотехнического моделирования Electronics Workbench впервые проведены исследования влияния последовательного сопротивления и параллельной емкости на переходные электрические процессы в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах в схемах управления. Полученные результаты согласованы с данными теоретического анализа. 3. Проведено натурное моделирование электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов в составе схемы управления с использованием макетов. Изучено влияние паразитных элементов схемы на электрические характеристики моделей тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов. 4. Экспериментально исследовано влияние последовательного сопротивления цепи на электрические процессы в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах в составе схемы управления, и обнаружено соответствие результатов с данными теоретического анализа, машинного и макетного моделирования. 5. Экспериментально исследовано влияние последовательного сопротивления цепи на светотехнические характеристики тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов. 6. На основе результатов моделирования и экспериментальных исследований предложены рекомендации для согласования параметров схемы управления и светоизлучающих элементов на основе тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов. 114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данной монографии впервые детально теоретически и экспериментально исследованы характеристики тонкопленочных электролюминесцентных индикаторных устройств как элементов электрических цепей и эффективность их возбуждения при использовании знакопеременного напряжения. На основе результатов исследований схем замещения тонкопленочных источников излучения обнаружены общие закономерности переходных электрических процессов в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах в схемах управления индикаторными устройствами. Анализ переходных электрических процессов в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах с последовательным сопротивлением цепи и параллельно включенным конденсатором в схеме управления и полученные аналитические соотношения для падения напряжения на электролюминесцентном конденсаторе и тока через него при возбуждении знакопеременным симметричным, линейно изменяющимся и гармоническим напряжением позволяют определить требования к значениям параметров 115

элементов цепи управления индикаторными устройствами. Результаты проведенных экспериментальных исследований, численного и натурного моделирования показали возможность описания электрических характеристик электролюминесцентных конденсаторов с использованием схем замещения. Экспериментальные исследования влияния последовательного сопротивления цепи на светотехнические характеристики электролюминесцентных конденсаторов и результаты моделирования позволяют предложить рекомендации для согласования параметров схемы управления и светоизлучающих элементов на основе тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов. Математические модели тонкопленочных конденсаторов и элементов электролюминесцентных панелей и соответствующие алгоритмы и программы могут быть непосредственно использованы в лабораториях и конструкторских бюро, занимающихся проектированием и исследованием электролюминесцентных источников излучения. Полученные аналитические соотношения для электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов применимы для разработки методик производственного контроля и расчета значений функциональных параметров, характеризующих свойства тонкопленочных электролюминесцентных элементов и индикаторных приборов. Определенные по данным теоретических и экспериментальных исследований рекомендации по выбору способов, режимов и средств управления электролюминесцентными излучателями обеспечивают требуемые значения параметров индикаторных устройств. 116

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Хениш Г. Электролюминесценция / Г. Хениш; под ред. В. С. Вавилова; пер. с англ. – М.: Мир, 1964. – 455 с. 2. Верещагин И. К. Электролюминесценция кристаллов / И. К. Верещагин. – М.: Наука, 1974. – 280 с. 3. Георгобиани А. Н. Туннельные явления в люминесценции полупроводников / А. Н. Георгобиани, П. А. Пипинис. – М.: Мир, 1994. – 224 с. 4. Казанкин О. И. Прикладная электролюминесценция / О. И. Казанкин, И. Я. Лямичев, Ф. В. Соркин; под ред. М. В. Фока. – М.: Советское Радио ,1974. – 414 с. 5. Деркач В. П. Электролюминесцентные устройства / В. П. Деркач, В. М. Корсунский. – Киев: Наукова думка, 1968. – 302 с. 6. Самохвалов М. К. Конструкции и технология тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов / М. К. Самохвалов. – Ульяновск: УлГТУ, 1997. – 56 с. 7. Самохвалов М. К. Тонкопленочные электролюминесцентные источники излучения / М. К. Самохвалов. – Ульяновск: УлГТУ, 1999. – 117 с. 117

8. Верещагин И. К. Электролюминесцентные источники света / И. К. Верещагин, Б. А. Ковалев, Л. А. Косяченко, С. М. Кокин. – М.: Энергоатомиздат. 1990. – 168 с. 9. Власенко Н. А. Тонкопленочные электролюминесцентные излучатели / Н. А. Власенко // Физические основы полупроводниковой электроники. – Киев: Наукова думка, – 1985. – С. 254–268. 10. Мозжухин Д. Д. Тонкопленочные электролюминесцентные индикаторные устройства / Д. Д. Мозжухин, И. В. Бараненков. // Зарубежная радиоэлектроника. – 1985. – № 7, – С. 81–94. 11. Herman M. A. High-field thin-film electroluminescent displays / M. A. Herman // Electron. Technol. – 1986. – v. 19. – № 1–2. – P. 23–58. 12. Рахлин М. Я. Тонкопленочные электролюминесцентные зеленые излучатели с керамическим диэлектриком / М. Я. Рахлин, В. Е. Родионов, В. П. Бойко, // Письма в ЖТФ. – 1989. – т. 15. – № 17. – С. 67–71. 13. Бараненков И. В. Перспективы создания плоских панелей дисплеев с полной цветовой гаммой на основе тонкопленочных электролюминесцентных устройств / И. В Бараненков // Зарубежная радиоэлектроника. – 1988. – С. 60–67. 14. Парфенов Н. М. Влияние диэлектрика на параметры тонкопленочных электролюминесцентных структур / Н. М. Парфенов, С. М. Кокин, Б. Г. Беккер и др. // Известия ВУЗов. Физика. – 1986. – т. 29. – № 4. – С. 119–120. 15. Howard W.E. The importance of insulator properties in a thin-film electro luminescent device / W.E. Howard // JEEE Trans. – 1977. – v. ED-24. – № 7. – P. 903–908. 118

16. Бригаднов И. Ю. Получение и свойства диэлектрических и люминесцентных пленок электролюминесцентных композиций на основе сульфида цинка / И. Ю. Бригаднов, М. К. Самохвалов // Известия ВУЗов. Материалы электронной техники. – 1998. – № 3. – С. 64–68. 17. Kobayashi H. Multicolor electroluminescent ZnS thin films doped with rare earth fluorides / H. Kobayashi, S. Tanaka, V. Shanker. // Phys. stat. Sol. (a). – 1985. – v. 88. – № 2. – P. 713–720. 18.

Suyama T.

Multi-coloring

of

thin-film

electrolu-

minescent device / T. Suyama, N. Sawada, K. Okamoto, Y. Hamakawa // Jap. J. Appl. Phys. – 1982. – v. 21. – Suppl. 21–1. – P. 383–387. 19. Muller G. O., Basics of electron impact-excited luminescence devices / G. O. Muller // Phys. stat. Sol. (a). –1984. – v. 81. – P. 597–608. 20. Chen Y. S. Limitation imposed by field clamping on the efficiency of high-field ac electroluminescence in thin films / Y. S. Chen, D. C. Krupka // J. Appl. Phys. – 1972. – v. 43. – № 10. – P. 4089–4096. 21. Smith D. H. Modeling a.c. thin-film electroluminescent devices / D. H. Smith // J. Luminescence. – 1981. – v. 23. – № 1. – P. 209–235. 22. Самохвалов М. К. Кинетика токопереноса в тонкопленочных электролюминесцентных излучателях при возбуждении переменным напряжением / М. К. Самохвалов // Письма в ЖТФ. – 1994. – т. 20. – № 6. С. 67–71.

119

23. Самохвалов М. К. Электрические характеристики тонкопленочных излучателей при возбуждении электролюминесценции переменным напряжением / М. К. Самохвалов // Письма в ЖТФ. – 1997. – т. 23. – № 6. С. 1–4. 24. Сухарев Ю. Г. Кинетика электрического поля, волны тока и яркости в тонкопленочных электролюминесцентных структурах / Ю. Г. Сухарев, А. В. Андриянов, В. С. Миронов // Журнал технической физики. – 1994. – т. 64. – № 8. – С. 48–54. 25. Васильченко В. П. Об эквивалентной схеме электролюминесцентного конденсатора / В. П. Васильченко Л. Я. Уйбо // Оптика и спектроскопия. – 1985. – т. 18. – № 2. – С.341–343. 26. Runyan W.G. ACTFEL modeling for the electronic drive system designer / W. G. Runyan, G. L. Wick // SPJE Advances in Display Technology. – VI. – 1986. – v. 624. – P. 66–72. 27. Самохвалов М. К. Эквивалентная электрическая схема тонкопленочных электролюминесцентных излучателей / М. К. Самохвалов // Письма в ЖТФ. – 1993. – т. 19. – № 9. – С.14–18. 28. Самохвалов М. К. Электрическое моделирование тонкопленочных электролюминесцентных излучателей / М. К. Самохвалов // Микроэлектроника. – 1994. – т. 23. – № 1. – С.70–75. 29. Самохвалов М. К. Вольт-яркостная характеристика тонкопленочных электролюминесцентных структур / М. К. Самохвалов // Письма в ЖТФ. – 1996. – т. 66. – № 10. – С.139–144.

120

30. Забудский Е. Е. Моделирование электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных индикаторных устройств / Е. Е. Забудский, М. К. Самохвалов // Микроэлектроника. – 1999. – т. 28. – № 2. – С.117–125. 31. Яблонский Ф. М. Средства отображения информации / Ф. М. Яблонский, Ю. В. Троицкий. – М.: Высшая школа, 1985. – 200 с. 32. Вуколов Н. И. Знакосинтезирующие индикаторы: справочник / Н. И. Вуколов, А. Н. Михайлов; под ред. В. П. Балашова. – М.: Радио и связь, 1987. – 576 с. 33. Быстров Ю. А. Оптоэлектронные приборы и устройства / Ю. А. Быстров. – М.: РадиоСофт, 2001. – 256 с. 34. Лямичев И. Я. Устройства отображения информации с плоскими экранами / И. Я. Лямичев. – М.: Радио и связь, 1983. – 208 с. 35. Алиев Т. М. Системы отображения информации / Т. М. Алиев, Д. И. Вигдоров, В. П. Кривошеев. – М.: Высшая школа, 1988. – 223 с. 36. Иванов В. И. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: справочник / В. И. Иванов, А. И. Аксенов, А. М. Юшин. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 448 с. 37. Юшин А. М. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги: справочник / А. М. Юшин. – М.: РадиоСофт, 2001. – т. 2. – 544 с. 38. Забудский Е. Е. Устройство управления тонкопленочной электролюминесцентной индикаторной панелью / Е. Е. Забудский, М. К. Самохвалов // Известия ВУЗов. Электроника, – 2000. – № 3. – С.85–92.

121

39. Самохвалов М. К. Тонкопленочные электролюминесцентные индикаторные устройства / М. К. Самохвалов, А. И. Гусев // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. Военные электронные технологии. – 2002. – т. 45. – № 3–4. – С. 58–63. 40. Ковтонюк Н. Ф. Электронные элементы на основе структур полупроводник-диэлектрик / Н. Ф. Ковтонюк. – М.: Энергия, 1976. – 184 с. 41. Нейман Л. Р. Теоретические основы электротехники / Л. Р. Нейман, К. С. Демирчян. – Л.: Энергоиздат, 1981. – 536 с. – Т. 1. 42. Самохвалов М. К. Перенос заряда в тонкопленочных электролюминесцентных структурах / М. К. Самохвалов // Письма в ЖТФ. – 1995. – т. 21. – № 15. – С. 78–82. 43. Самохвалов М. К. Переходные электрические процессы в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах с последовательным сопротивлением цепи в схемах управления / М. К. Самохвалов, А. И. Гусев // Электронная техника. – Ульяновск: УлГТУ, 2003. – С. 79–83. 44. Самохвалов М. К. Переходные электрические процессы в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах с последовательным сопротивлением в схемах управления: труды Международной конференции <<Оптика, оптоэлектроника и технологии>> / М. К. Самохвалов, А. И. Гусев. – Ульяновск: УлГУ, 2003. – С. 152. 45. Гусев А. И. Исследование электрических процессов в тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторах с последовательным сопротивлением и параллельной емкостью цепи в схемах управления: тезисы докладов школысеминара <<Актуальные проблемы физической и функциональной электроники>> / А. И. Гусев. – Ульяновск: УлГТУ, 2003. – С. 18. 122

46. Гаврилов К. Л. Системы автоматизированного проектирования (САПР) аналоговых и аналогово-цифровых устройств / К. Л. Гаврилов // Электронные компоненты. – 2000. – № 3. – С. 61–66. 47. Разевиг В. Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSPICE) / В. Д. Разевиг. – М.: СК–Пресс, 1996. – 272 с. 48. Разевиг В. Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0 / В. Д. Разевиг. – М.: 1999. – 698 с. 49. Гаврилов К. Л. Нелинейные цепи в программах схемотехнического моделирования / К. Л. Гаврилов – М.; Солон, 2002. – 368 с. 50. Жарков Ф. П. Использование виртуальных инструментов LabView / Ф. П. Жарков, В. В. Каратаев, В. Ф. Никифоров, В. С. Попов. – М.: Солон/Радио и связь, Горячая линия-Телеком, 1999. – 268 с. 51. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение / В. И. Карлащук. – М.: Солон–Р, 2003. – 726 с. 52. Панфилова Д. И. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: практикум на Electronics Workbench / Д. И. Панфилова, В. С. Иванов, И. Н. Чепурин. – М.: Додэка. – Т. 1, 1999. – 304 с; Т. 2, 2000. – 288 с. 53. Гусев А.И., Моделирование зависимости электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов от сопротивления и емкости схемы управления: Тезисы докладов школы-семинара <<Актуальные проблемы физической и функциональной электроники>> / Ульяновск; УлГТУ, 2003. – С.18–19. 123

54. Самохвалов М.К. Зависимость электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов от сопротивления схемы управления: труды Международной конференции <<Оптика, оптоэлектроника и технологии>> / М. К. Самохвалов, А. И. Гусев. – Ульяновск, УлГУ, 2003. – С. 140. 55. Самохвалов М. К. Исследование зависимости электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов от сопротивления цепи в схемах управления индикаторами. // <<Электронная техника>> / М. К. Самохвалов, А. И. Гусев. – Ульяновск: УлГТУ, 2003, – C. 84–87. 56. Гусев А.И. Исследование зависимости электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов от сопротивления цепи в схемах управления индикаторами: – сб. науч. трудов филиала УФ ВУС / А. И. Гусев, М. К. Самохвалов. – Ульяновск: филиал УФ ВУС, 2003. – С. 18–21. 57. Гусев А. И. Исследование зависимости электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов от параметров схемы управления индикаторами: тезисы докладов 37-й научно-технической конференции УлГТУ <<Вузовская наука в современных условиях>> / А. И. Гусев. – Ульяновск: УлГТУ, 2003. – Ч.1. – С. 66–67. 58. Бригаднов И. Ю. Получение и свойства диэлектрических и люминесцентных пленок электролюминесцентных композиций на основе сульфида цинка / И. Ю. Бригаднов, М. К. Самохвалов // Известия ВУЗов. Материалы электронной техники, 1998. – № 3. – С. 64–68. 124

59. Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов / С. М. Зи; под ред. А. Ф. Трутко; пер. с англ. – М.: Энергия, 1973. – 656 с. 60 Грехов И. В. Лавинный пробой p-n перехода в полупроводниках / И. В. Грехов, И. В. Сережкин. – Л.: Энергия, 1980. – 152 с.

125

Научное издание ГУСЕВ Андрей Иванович САМОХВАЛОВ Михаил Константинович ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ИНДИКАТОРОВ

Редактор О. С. Якушкина Компьютерная верстка А. И. Гусев Подписано в печать 2.03.2006. Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Усл. п. л. 7,32. Уч.-изд. л. 7,07 Тираж 500 экз. (1-й завод, 1−150 экз.) Заказ Ульяновский государственный технический университет, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32. Типография УВВИУС, 432013, г. Ульяновск, ул. Тухачевского, д. 19.