Ткаченко_Ф_А_Техническая_электроника_2000

121

за счет вращения магнитной отклоняющейся системы около горловины трубки синхронно с вращением антенны радиолокационной станции. Эти трубки работают в режиме яркостной отметки сигнала, поэтому напряжение сигнала управляет не отклонением, а появлением луча. В исходном состоянии на модулятор трубки подается отрицательное напряжение, превышающее по модулю напряжение запирания. При поступлении отраженного от объекта радиоимпульса на модулятор, формируется электронный луч, который создает на экране светящееся пятно, удаление пятна от центра экрана определяет расстояние до объекта, а смещение по азимуту соответствует азимуту зондируемого объекта.

К таким трубкам предъявляются следующие требования: высокая разрешающая способность; высокая яркость свечения экрана; высокая контрастность и линейность отклонения. Эти требования реализуются в трубках с магнитной фокусировкой и магнитным отклонением луча и высоким ускоряющим напряжением. Поэтому вывод анода делают через боковую стенку колбы. Так как частота вращения антенны невелика, то трубки должны обладать длительным послесвечением, что позволяет одновременно воспроизводить ряд следующих друг за другом сигналов.

Для повышения объема информации, отображаемой на экране, и удобства ее считывания используются трубки с цветным изображением.

В радиолокации используются также трубки с круговой разверткой и стержневым электродом, расположенным в центре экрана. Развертка луча круговая и при отсутствии отраженного сигнала луч описывает окружность по периферии экрана. В момент появления отраженного радиосигнала на центральном электроде, луч отклоняется к центру.

Часто в качестве индикаторных трубок используют скиатроны. У скиатронов экран выполнен на основе хлористого калия, темнеющего при бомбардировке его быстрыми электронами. Поэтому электронный луч оставляет на экране темную фиолетовую линию, которая может сохраняться длительное время. Стирание записи осуществляется нагреванием электрическим током прозрачной пленки, которая является подложкой люминофора.

6.8. Кинескопы

Кинескопами называют ЭЛТ, предназначенные для преобразования телевизионного сигнала в видимое изображение. В кинескопах используется растровая развертка, при которой луч перемещается по экрану подобно лучу зрения при чтении. Пятно прочерчивает строки на экране, которые составляют кадр развертки. В странах СНГ принят стандарт, при котором кадр содержит 625 строк. Кинескопы являются трубками с яркостной отметкой, т.е. телевизионный сигнал подается или на модулятор в отрицательной полярности, или на катод в положительной полярности. За счет этого меняется плотность тока луча, и следовательно, яркость свечения луча.

122

Современные кинескопы являются комбинированными трубками. В них применяется электростатическая фокусировка (пентодные прожекторы с нулевым потенциалом первого анода) и магнитная система отклонения луча. Применение электростатической фокусировки в кинескопах накладывает менее жесткие требования к стабильности источников питания, ибо нестабильности питающих напряжений не нарушают фокусировку. В кинескопах черно-белого изображения экран покрывается смесью желтого и голубого люминофора, который сверху покрывается тонкой алюминиевой пленкой, соединенной со вторым анодом (рис. 6.10). Алюминиевая пленка является прозрачной для электронов луча и непрозрачной для световых лучей, благодаря чему устраняется засветка экрана светом, рассеянным от стенок баллона, и светом, идущим от одних участков полусферического экрана к другим. Кроме того, отражая свет пятна в сторону зрителя, алюминиевая пленка увеличивает яркость. Стекло экрана толщиной 10 мм делают дымчатым для поглощения лучей, появляющихся при полном внутреннем отражении от внешней границы стекла, что ослабляет засветку темных участков изображения, расположенных рядом со светлыми.

Алюминиевая пленка предохраняет также люминофор от бомбардировки отрицательными ионами, образующимися внутри трубки. Такой люминофор позволяет получить светоотдачу не менее нескольких кандел на ватт, яркость свечения не менее

30…40 кд/м2 при Ua 2 =10…20 кВ, дли-

тельность свечения менее 0,02 с, разрешающую способность не менее 700…800 строк.

Для подачи высокого напряжения на второй анод прожектора внутреннюю поверхность колбы покрывают аквадагом. Наружная поверхность трубок в широкой

части также покрывается аквадагом. Внутреннее и внешнее покрытия электрически изолированы друг от друга и образуют конденсатор фильтра высоковольтного выпрямителя.

Магнитная система отклонения должна обеспечивать высокую степень линейности отклонения по всему экрану с предельным углом отклонения 110°. Это достигается конструкцией отклоняющей системы, состоящей из четырех катушек без ферромагнитных сердечников с последовательно складывающимися магнитными потоками. Вертикально- (кадровые) и горизонтальноотклоняющие (строчные) катушки совмещены в пространстве, что позволяет получить компактную конструкцию отклоняющей системы.

123

6.9. Цветные кинескопы

Действие цветных кинескопов основано на теории трехкомпонентного цветового зрения, впервые сформулированной еще в 1756 г. М.В. Ломоносовым. Согласно этой теории в сетчатой оболочке человеческого глаза содержатся три вида колбочек, обладающих различной спектральной чувствительностью. При раздельном возбуждении того или иного вида колбочек создается ощущение красного, зеленого или синего цвета. При одновременном возбуждении двух видов колбочек, например чувствительных к красному и зеленому цветам, возникает ощущение желтого цвета. Световые лучи, падающие от наблюдаемого предмета на сетчатку глаза, воздействуют сразу на колбочки всех трех видов. При одинаковой степени возбуждения различных видов колбочек появляется ощущение цветового изображения. При одновременном (в одинаковой степени) возбуждении всех трех видов колбочек возникает впечатление белого цвета. Глаз наиболее чувствителен к зеленому цвету, менее – к красному и еще менее – к синему (рис. 6.11).

Экран кинескопа с внутренней стороны покрыт мозаичным слоем точечной структуры из люминофоров, светящихся красным, зеленым и синим цветом. Точки люминофоров расположены треугольниками (триадами), состоящими из люминофоров трех основных цветов. Чередование люминофоров в каждом из горизонтальных рядов происходит в определенной последовательности: красный,

зеленый, синий; красный, зеленый, синий и т.д. (первая строка). В следующей строке между точками люминофоров красного и зеленого цветов находится люминофор синего цвета. В кинескопах число триад составляет 550000, а общее количество люминофорных точек – 1650000.

Для воспроизведения цветного изображения необходимо совместить три изображения (красное, синее, зеленое) на одной триаде. Для этого в кинескопе используется три автономных электронных прожектора. По способу расположения электронных прожекторов в горловине трубки кинескопы бывают:

– с дельтавидным расположением, при котором прожекторы расположены по углам равностороннего треугольника (рис. 6.12), причем угол наклона прожекторов относительно оси кинескопа равен 1°±2';

– с планарным расположением, прожекторы расположены на одной линии в плоскости (рис. 6.13).

124

Электронный луч каждого прожектора попадает на люминофор одного цвета, не возбуждая другие точки. Это достигается установкой на расстоянии 15 мм от экрана теневой маски, имеющей отверстия, число которых равно числу триад.

Электронный прожектор, теневая маска и точки люминофора расположены так, что электронный луч одного из прожекторов, пройдя через любое отверстие в маске, попадает только на люминофор своего цвета. На рис. 6.12,а показано дельтавидное расположение электронных прожекторов, а на рис. 6.12,б,в устройство теневой маски и экрана кинескопа соответственно. На рис. 6.13,а,б,в показано планарное расположение электронного прожектора, щелевой маски и экрана кинескопа соответственно.

Для сведения лучей в одну точку при больших углах отклонения в пределах маски используют электрическую коррекцию пространственного положения лучей с помощью динамической системы сведения, состоящей либо из

125

электростатической линзы, либо из трех магнитов, расположенных снаружи и смещающих лучи в радиальном направлении. На сводящих магнитах имеются специальные катушки, через которые пропускают ток, пульсирующий с частотой строчной и кадровой разверток.

Используя для сведения электростатическую линзу, к ее электродам подводится переменное напряжение синхронизированное с частотой кадровой и строчной разверток.

Теневая маска пропускает к экрану только 15…20 % лучей и для получения достаточной яркости свечения анодное напряжение повышают до

15…20 кВ.

При одновременной бомбардировке люминофоров одной триады электронными лучами трех прожекторов происходит пространственное смешение цветов. Получается светящееся пятно, цвет которого зависит от токов электронных прожекторов.

Кинескопы с дельтаобразным расположением электронных прожекторов имеют следующие недостатки:

сильное влияние внешних магнитных полей и магнитного поля Земли на цветовоспроизведение;

трудность использования этих кинескопов в переносных телевизорах без дополнительного экранирования;

большое потребление энергии устройствами разверток, динамического и статического сведения;

трудоемкость сведения лучей при больших углах отклонения при изготовлении и эксплуатации телевизора.

Этих недостатков лишены кинескопы с планарным расположением электронных прожекторов. Эти кинескопы не нуждаются в дополнительном совмещении лучей внешними органами сведения, поэтому часто их называют кинескопами с самосведением.

С увеличением размера экрана и угла отклонения также требуется небольшая коррекция.

Три электронных прожектора кинескопа с самосведением расположены по горизонтальной прямой линии строго параллельно друг другу (см. рис. 6.13). Непосредственно на оси кинескопа находится "зеленый" прожектор, а симметрично по обе стороны от него "красный" и "синий". При таком расположении прожекторов расслоение лучей оказывается менее заметным. Так как глаз человека более чувствителен к зеленомуцвету, то расслоение междузеленым, краснымисинимлучами будетвсегдаменьше, чеммеждукрайними лучами.

В этих кинескопах применяются щелевые маски, а люминофоры красного, зеленого, синего цветов наносятся на экран в виде чередующихся полос. Каждому щелевидному отверстию в маске соответствует триада вертикальных люминофорных полосок. Использование вертикальных полос люминофоров в значительной степени ослабляет влияние магнитного поля Земли на цветовоспроизведение при перемещении телевизора, что позволяет использовать кине-

126

скопы данного типа в переносных телевизорах. Вертикальное расположение люминофорных полосок исключает попадание электронных лучей на люминофоры другого цвета по вертикали, что облегчает регулировку чистоты цвета.

Кинескопы с планарным расположением электронных прожекторов имеют большую яркость свечения экрана за счет увеличения флюоресцирующей поверхности (вертикальные полосы люминофоров располагаются ближе друг к другу, чем в триадах) и большим на 20…30 % пропусканием электронного луча (прозрачностью) щелевидной маской по сравнению с маской, имеющей круглые отверстия.

Кинескопы с планарным расположением прожекторов нельзя использовать как матрицу для сложения цветоразностных сигналов и сигнала яркости, так как их модуляторы обычно соединены между собой. Для модуляции токов лучей на катоды подают сигналы основных цветов, а модуляторы используются для установкирежимакинескопа попостоянномутокуигашенияобратного ходалуча.

В связи с тем, что сдвиг луча по вертикали не вызывает нарушения цвета, катушки размагничивания, соединенные последовательно, располагаются снизу и сверху баллона кинескопа. Необходимое для размагничивания число ам- пер-витков катушек меньше, чем в кинескопе с дельтаобразно расположенными электронными прожекторами.

127

ГЛАВА 7 ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ

7.1. Источники оптического излучения

Оптоэлектроника – это раздел электроники, где в качестве носителя информации используются электромагнитные волны оптического диапазона. Длины волн оптического излучения лежат в диапазоне от 10 нм до 1 мм. Оптический диапазон волн по физическим свойствам неоднороден, в связи с этим он делится на поддиапазоны, у которых физические свойства одинаковы, ультрафиолетовое излучение λ=0,01…0,4 мкм, видимое излучение λ=0,38…0,78 мкм, инфракрасное излучение λ=0,78…1000 мкм.

Длина волны определяет степень передачи и поглощения излучения в различных светопроводящих средах.

Световой луч в оптоэлектронике выполняет те же функции управления, преобразования и связи, что и электрический сигнал в электрических цепях.

Воптических цепях носителями сигналов являются электрически нейтральные фотоны, которые в световом потоке не взаимодействуют между собой, не смешиваются и не рассеиваются. Оптические цепи не подвержены влиянию электрических и магнитных полей. Использование в качестве носителя информации электрически нейтральных фотонов обеспечивает: идеальную электрическую развязку входных и выходных цепей оптоэлектронных элементов связи; однонаправленность передачи и отсутствие влияния приемника на передатчик; высокую помехозащищенность оптических каналов связи вследствие невосприимчивости фотонов к воздействию электрических и магнитных полей; отсутствие влияния паразитных емкостей на длительность переходных процессов в канале связи и отсутствие паразитных связей между каналами; хорошее согласование цепей с разными входными и выходными сопротивлениями.

Вэлектрических же цепях носителями заряда являются электроны, которые взаимодействуют с внешними электрическими и магнитными полями, что требует экранирования и защиты от внешних полей. В электрических цепях трудно осуществить гальваническую развязку по постоянному току и на низких частотах.

Невосприимчивость оптического излучения к различным внешним воздействиям и электронейтральность фотона являются не только достоинствами, но и недостатками, ибо затрудняют управление интенсивностью и распространением светового потока.

128

Компоненты оптоэлектроники и электроники существуют, не отрицая друг друга, а каждый из них используется в той области, где применение его целесообразно.

В устройствах оптоэлектроники передача информации от управляемого источника света (фотоизлучателя) к фотоприемнику осуществляется через светопроводящую среду (воздух, вакуум), световоды, выполняющие роль проводника оптического излучения. Световодные линии являются эквивалентами электрических проводников и характеризуются большой пропускной способностью, возможностью совмещать в одном световоде большое число каналов связи при очень высокой скорости передачи информации, достигающей гигабит в секунду. Оптическое излучение легко разделяется по длинам волн, поэтому в одном световоде можно объединять несколько каналов информации.

Отсутствие электрического тока в световодах обеспечивает их высокую пожаро- и взрывобезопасность. Эти свойства важны при прокладке линий связи и установке устройств автоматики в помещениях с повышенной опасностью.

Оптоэлектронные устройства могут быть изготовлены по интегральной технологии. Оптические интегральные схемы обладают широкой полосой пропускания, невосприимчивостью к вибрации, повышенной надежностью, экономичностью при серийном производстве, малыми размерами и массой.

Излучающие приборы преобразуют электрическую энергию в энергию оптического излучения с определенной длиной волны или в узком диапазоне длин волн. В основе работы управляемых источников оптического излучения лежит одно из следующих физических явлений: температурное свечение, газоразрядное излучение, электролюминесценция; индуцированное излучение. Источники излучения бывают когерентными и некогерентными. Лампы накаливания, газоразрядные лампы, электролюминесцентные элементы, инжекционные светодиоды являются некогерентными источниками излучения. Когерентными источниками излучения являются лазеры.

Принцип действия полупроводниковых излучающих приборов основан на явлении электролюминесценции. Электролюминесценцией называют явление излучения света телами под действием электрического поля.

Электролюминесценция является частным случаем люминесценции. Под люминесценцией понимают электромагнитное нетепловое излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Люминесцировать могут твердые, жидкие и газообразные тела. В оптоэлектронных полупроводниковых приборах используется люминесценция кристаллических примесных полупроводников с широкой запрещенной зоной. Для работы в диапазоне видимого излучения (0,38…0,78 мкм) используются полупроводники с шириной запрещенной зоны 1,5…3,0 эВ. Это исключает приме-

129

нение германия и кремния, технология которых хорошо отработана, а используются материалы типа АIIIВV (арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP, нитрид галлия GaN, карбид кремния SiC), трехкомпонентный твердый раствор фосфида и арсенида галлия GaAs1-xPx, где 0 ≤ x < 1 и другие многокомпонентные полупроводниковые соединения. В полупроводниках генерация оптического излучения обеспечивается инжекционной электролюминесценцией. Генерация оптического излучения в p–n переходе объединяет два процесса: инжекцию носителей и электролюминесценцию.

Одним из наиболее распространенных источников света является светодиод – полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию обычного некогерентного светового излучения. Это происходит при смещении p– n перехода в прямом направлении.

На рис. 7.1 показана конструкция плоского, а на рис. 7.2 полусферического светодиодов. При приложении прямого напряжения Uвн к p–n переходу происходит диффузионный перенос носителей через переход. Увеличивается инжекция дырок в n–область, а электронов в p–область. Прохождение тока через p–n переход в прямом направлении сопровождается рекомбинацией инжектированных неосновных носителей заряда. Рекомбинация происходит как в самом p–n переходе, так и в примыкающих к переходу слоях, ширина которых определяется диффузионными длинами Ln и Lp. В большинстве полупроводников рекомбинация осуществляется через примесные центры (ловушки), энергетические уровни которых располагаются вблизи середины запрещенной зоны, и сопровождается выделением тепловой энергии – фонона. Такая рекомбинация называется безизлучательной. А в ряде случаев процесс рекомбинации сопровождается выделением кванта света – фотона. Это происходит в полупро-

130

водниках с большой шириной запрещенной зоны – прямозонных полупроводниках. Электроны с более высоких энергетических уровней зоны проводимости переходят на более низкие энергетические уровни валентной зоны (переход зона-зона), при рекомбинации происходит выделение фотонов и возникает некогерентное оптическое излучение. Фотон, испущенный при переходе электрона, может вызвать индуцированное излучение идентичного фотона, при котором еще один электрон перейдет в валентную зону. Яркость свечения светодиода примерно пропорциональна числу зарядов, инжектированных p–n переходом. Желательно, чтобы количество инжектированных носителей было максимально в излучающей (активной) p–области (рис. 7.1, 7.2). Для этого в n– область вводят больше донорной примеси, чем в р–область акцепторной. Преобладает инжекция электронов из n–области в p–область и излучает p–область. Из-за относительно большой ширины запрещенной зоны исходного полупроводника рекомбинационный ток p–n перехода оказывается большим по сравнению с током инжекции, особенно при малых прямых напряжениях, процесс рекомбинация в этом случае реализуется в основном в p–n переходе.

Излучательная способность светодиода характеризуется:

1.Внутренней квантовой эффективностью или внутренним квантовым выходом, определяемой отношением числа генерируемых фотонов к числу инжектированных в активную область носителей заряда за один и тот же промежуток времени. Так как часть фотонов покидает полупроводник, а другая часть отражается от поверхности полупроводника, а затем поглощается объемом полупроводника, то вводят понятие квантовой эффективности излучения.

2.Внешней квантовой эффективностью излучения (квантовым выходом), определяемой отношением числа фотонов, испускаемых диодом, во внешнее пространство к числу инжектируемых носителей через p–n переход.

Внешний квантовый выход является интегральным показателем излучательной способности светодиода, который учитывает эффективность инжекции, электролюминесценции и вывода излучения во внешнее пространство. С целью повышения эффективности вывода излучения светодиода используют различные конструкции (рис. 7.2): полусфера, отражающие металлизированные поверхности и др., у которых практически отсутствует полное внутреннее отражение.

Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получать свечение различного цвета. Наряду со светодиодами, работающими в диапазоне видимого излучения, выпускаются светодиоды инфракрасного излучения (ИК– диоды), которые изготавливаются преимущественно из арсенида галлия. ИК– диоды применяются в фотореле, различных датчиках и при создании некоторых оптронов.