Лекции "Технология оптоэлектронных устройств

Вводная лекция (каждый год новая)

Раздел 1. Излучатели

Развитие современной техники невозможно представить без широкого использования различных устройств визуального отображения информации. Конструирование радиоэлектронной аппаратуры подразумевает решение одной из проблем взаимодействия системы «человек-машина» - проблемы отображения вырабатываемой информации в форме, приемлемой для оптимального зрительного восприятия: буквенной, цифровой, цифробуквенной, графической, символьной и пр.

Существует много типов систем отображения информации. Они могут представлять информацию в виде движущихся объектов, в виде трехмерного статического изображения, в виде предупредительных знаков, в виде элементов бортовой автомобильной и авиационной и др. аппаратуры и пр. Так как 80% информации человек получает с помощью зрения, то все системы отображения работают в видимом диапазоне длин волн (420-700нм). Основой систем отображения являются излучатели или индикаторы, которые бывают активные, то есть те, которые сами излучают свет и пассивные, которые требуют внешней засветки. Выбор типа индикатора определяется теми задачами, которые необходимо решать при создании той или иной системы отображения информации.

В настоящем учебном пособии рассматриваются принцип действия, конструктивные и технологические особенности основных типов индикаторов: полупроводниковых, газоразрядных, жидкокристаллических и электролюминесцентных.

1. Полупроводниковые излучатели

Светодиоды

Полупроводниковый светоизлучающий диод (СИД), как показано на рис.1, представ­ляет собой конструкцию, размещенную внутри линзообразной эпоксидной смолы (компаунда). Эффективный вывод излучения осуществляется с помощью отражательной пластины. Такие СИД в большинстве случаев применяются как миниатюрные элементы индикации в виде точек и цифр.

Кристалл

Рис.1. Конструкция полупроводникового СИД

Для индикации используется видимый свет. Как видно из таблицы 1, в настоящее время разработаны или имеются на рынке СИД с видимым излучением от голубого до красного цвета. Цвет излучения определяется применяемым материалом: GaP (красный, желтый, а также зеленый), GaAs_1-xP_x (крас­ный, оранжевый), Al_xGa_1-xAs (красный) и GaN (голубой)

Таблица 1

.

Механизм излучения различен в двух случаях, приведенных на рис. 2: когда инжектированный электрон рекомбинирует непосредственно с дыркой когда инжектированный электрон рекомбинирует с дыркой после захвата на центр люминесцен­ции (центр рекомбинации). Так как в полупроводниках с не­прямыми переходами типа GaP вероятность рекомбинационного излучения, вызванного межзонным переходом, мала, то для повышения КПД источника излучения часто применяется вве­дение примеси азота, цинка, кислорода, становящихся центрами люминесценции (излучения).

.

Рис. 2. Меха­низм излучения в СИД (область из­лучения р-типа):

/—зона проводи­мости; 2 — центр люминесценции (излучения); 3— валентная зона.

Активным элементом полупроводникового излучателя являет­ся кристалл, параметры которого определяют в первую очередь основные технические характеристики прибора. Цвет свечения прибора определяется используемым полупровод­никовым материалом и зависит от ширины запрещенной зоны в соответствии с уравнением (мкм) =1,24/Е_g. Для индикаторов красного цвета свечения широко используются эпитаксиальные структуры GaAs_0.6 P_0.4 (на подложках СаАs) п+-п-типа и Ga_0,7Al_0,3As (на подложках GaAs) p⁺-pⁱ-p₂ -n-типa. Для приборов желтого цвета свечения ши­рокое применение нашли двухполосные структуры GaP n⁺-n-p -типа, легированные изоэлектронными примесями N и Zn, О, или од­нополосные эпитаксиальные структуры GaAs_0,15Р_0,85, легированные изоэлектронной примесью азота. При разработке излучателей зеленого цвета свечения в насто­ящее время используются структуры GaP n⁺-n-p- типа, так же легированные азотом.

При проектировании топологии кристалла важны тип полупро­водниковой структуры, особенности процесса генерации и выво­да излучения из нее. С учетом этих факторов была разработана •серия базовых конструкций кристалла размером 0,4х0,4х0,25 мм {рис. 3).

Рис.3.Конструкции кристаллов-излучателей на основе GaAs_0,6P_0,4(а), Ga_0,65Al_0,35As(б), GaP (в), GaAs_0,15P_0,85(г)

Для кристаллов из структур n⁺-п-типа применяется планарная конструкция, при этом р-п переход формируется методом диффу­зии в материал п-типа (рис.3,а,д). В качестве защитной маски используется диэлектрическое покрытие Si₃N₄. Различие условий распространения и вывода генерируемого излучения из кристалла с прозрачной (GaP) и непрозрачной (GaAs) подложками учиты­вается в рассматриваемой планарной конструкции использовани­ем сплошного (рис.3,а) или отражающего (рис.3,б) контакта на основе композиций Au : Ge : Ni. При этом контакт к материалу p -типа изготовляется из А1.

Для структур с выращенным р-п переходом возможны два альтернативных варианта конструкции излучающего кристалла: резанная или скрайбированная (рис.3, в) и мезаконструкция (рис.3,б,г). Для улучше­ния условий вывода излучения в структурах с прозрачной GaP-подложкой нижний контакт делается не сплошным, а наносится в окна в диэлектрическом покрытии SiO₂.

В GaP СИД красного свечения длина волны, соответствую­щая максимуму и равная 700 нм, определяется рекомбинационным излучением экситонов, захваченных нейтральной примес­ной парой цинк — кислород, замещающих соседние узлы ре­шетки GaP. Если при выращивании кристалла в водородную газовую среду осуществлять инжекцию NН₃, т. е. вводить при­месь азота, то получается GaP СИД зеленого свечения. Азот в кристалле замещает фосфор и представляет собой нейтраль­ную примесь. Однако из-за большого электронного сродства происходит захват электрона, под действием кулоновских сил захваченного электрона происходит захват дырки и возникает экситон. Зеленый цвет свечения обусловлен рекомбинацией этих экситонов, а длина волны, соответствующая максимуму зеленого цвета свечения, равна 565 нм. Химические элементы такой же природы как элементы кристалла, будучи центрами излучения, называются изоэлектронными ловушками. GaP- СИД чисто зеленого цвета излучения с длиной волны 555 полу­чается путем улучшения метода выращивания кристалла. В этом случае примесь азота не вводится, используется рекомбинационное излучение межзонного перехода.

В GaAs_1-x P_x СИД в области прямого перехода при х=0,4 КПД источника излучения оказывается максимальным, а длина волны, соответствующая максимуму, равной 650 нм. При x >0,45 увеличивается ширина запрещенной зоны, образуется непрямозонный полупроводник, поэтому КПД источника излу­чения повышают путем введения примеси азота. В GaAs_1-x Р_x: N СИД, изменяя значения х, можно непрерывно менять цвет све­чения от красного до зеленого.

В Al_xGa_1-xAs СИД при x=0,35 образуется полупроводник с прямыми переходами красного цвета свечения с длиной вол­ны 665 нм.

Для светодиодов синего цвета свечения требуются материа­лы с очень большой шириной запрещенной зоны. К ним отно­сятся кристаллы GaN и SiC . Обыч­но при увеличении ширины запрещенной зоны из-за эффекта автокомпенсации в большинстве случаев не удается получить кристалла р-типа. Поэтому изготавливают СИД с МДП-структурой, как показано на рис.4. Длина волны излучения для МДП-GaN и SiC с р-п переходом равна 490 нм. Во всех случаях КПД источника излучения оказывается низким, порядка 10^-3. В последнее время внимание исследователей привлекает высокоэффективный СИД с р-п гетеропереходоми на основе GaN .

Рис.4. GaN- СИД с МДП-структурой.

Рис.5. Конструкция светодиода большой мощности.

В светодиоде большой мощности излучения, как показано на рис.5, на слой AlGaAs-диафрагмы, сошлифованной в ви­де полусферы, наносят неотражающее покрытие с целью повы­шения КПД и вывода излучения из расположенного в средней части р-п перехода. В этой конструкции внешний квантовый выход составляет 15—25%, мощность излучения при непрерыв­ном режиме работы равна 30—70 мВт, быстродействие — по­рядка 10 нc.

Многоэлементные излучатели

Полупроводниковые излучатели по характеру отображаемой информации можно разделить на четыре основные разновидности: дискретные СИД, знаковые полупроводниковые индикаторы, моду­ли шкал и модули экранов. Помимо классификации по функцио­нальному принципу все многообразие излучателей может быть разделе­но на две большие группы по конструкторско-технологическому принципу: монолитные и гибридные индикаторы.

Заданные размеры поля изображения, число, размеры и кон­струкция светящихся элементов, их взаимное расположение обес­печиваются либо определенной топологией сегментов монолитного кристалла (бескорпусные многоэлементные индикаторы), либо определенным размещением одноэлементных или многоэлементных кристаллов на основании корпуса, а также конструкцией корпуса (герметизированные индикаторы).

Разработанные бескорпусные монолитные приборы достаточно разнообразны: от простейших цифровых 7-и 9-сегментных индикаторов до 100-элементных шкал. Преимущество монолитных индикаторов состоит в том, что они дают возможность создавать большое число элементов любой конфигу­рации с любыми, в том числе исключительно малыми, размерами и точным взаимным расположением элементов.

Простая гибридная конструкция представляет собой набор од­ноэлементных кристаллов, размещенных на основании корпуса. Размеры элемента изображения однозначно определяются размерами светящейся области кристалла, а взаимное расположение этих элементов — взаимным расположением кристаллов на ос­новании. Основание с кристаллами может быть либо помещено в герметичный корпус с плоским окном, либо залито опти­чески прозрачной пластмассой.

Гибридная конструкция индикатора на принципе рассеяния света (рис.6,а.) представляет собой набор одноэлементных крис­таллов с малыми размерами, размещенных на основании корпуса. Взаимное расположение элементов изображения определяется взаимным расположением кристаллов на основании, а размеры элементов формируются специальным монолитным пластмассовым светопроводом. Оптическое преобразование точечного изображе­ния света в изображение светящегося элемента индикатора осу­ществляется путем многократного рассеяния света внутри каждой из полостей светопровода, оптически изолированных друг от друга. Рассеяние света внутри полости обеспечивается или ее заполнени­ем светорассеивающей пластмассой во время герметизации или диффузно рассеивающей пленкой, помещенной на лицевой поверхности светопровода.

Вместо набора одноэлементных кристаллов в знаковых инди­каторах может быть использован набор линейных многоэлемент­ных кристаллов. Наконец, световод может быть сос­тавной частью керамического основания. Рассмотренная конструк­ция, естественно, сложнее простой гибридной. Главное ее преиму­щество — резкое снижение расхода материала в цифровых инди­каторах. В настоящее время указанная конст­рукция является основной для цифровых и знаковых индикаторов с высотой знака более 7 мм и модулей экрана.

а б

Рис. 6. Конструкция индикатора на принципе рассеяния света (а) и монолитного индикатора (б)

/ — корпус; 2 — вывод

Рис. 7. Конструкция монолитного много­разрядного индикатора АЛС318:

/ — стеклотекстолитовое основание; 2 — вывод; 3 — моноблочная линза

Рис. 8. Конструкция моно­литного многоразрядного ин­дикатора на жестком основа­нии типа АЛС329:

/ — пластмассовый корпус; 2—вывод; 3 — линза

Монолитная конструкция (рис.6,б.) — многоэлементный крис­талл, аналогичный бескорпусному индикатору, помещается в герметичный корпус с плоским окном. Эта конструкция в наибольшей степени удовлетворяет жестким требованиям механического и климатического воздейст­вия.

Монолитная многоразрядная конструкция с оптическим увели­чением представляет собой несколько многоэлементных кристал­лов, помещенных на общее основание. Для увеличения видимого изображения знака используется многоэлементная (по числу крис­таллов) пластмассовая линза. Существуют две основные модифи­кации данной конструкции:

жесткое керамическое или стеклотекстолитовое основание и моноблочная линза, механически закрепленная на нем (рис.7);

жесткая рамка и линза, формируемая в процессе пластмассо­вой герметизации (рис.8).

Обе модификации позволяют эффективно решить главную за­дачу — резко уменьшить расход материала в многоразрядных ин­дикаторах с высотой знака 2,5...5 мм.

Светоизлучающие кристаллы монтируются на держателе, пред­ставляющем собой керамическую плату с нанесенной на нее мето­дом шелкографии топологией. Для осуществления электрической связи индикатора со схемами управления плата армируется внеш­ними выводами.

Необходимость увеличения размера знака и экономиии дорого­стоящих полупроводниковых структур привела к разработке гиб­ридных индикаторов на принципе рассеяния света. В конструкции формирование изображения осуществляется при использовании светоизлучающих кристаллов, размещенных в светорассеивающей полости светопровода. В этом случае размеры и форма светящей­ся области определяются габаритами и конфигурацией светопро­вода. В настоящее время можно выделить три основных типа конст­рукций светопровода:

-пластмассовый светопровод с верхним рассеивающим слоем (рис.9,а);

-полый светопровод с рассеивающей пленкой (рис.9,6);

-светопровод с отражающими зеркальными стенками, заполнен­ными пластмассой с диспергентом (рис. 9,в).

При разработке гибридных индикаторов на принципе рассея­ния света необходимо обеспечить равномерность яркости в пре­делах светоизлуающего поля. В конструкции первого из представленных выше типов излу­ченный кристаллом свет после многократного отражения от грани­цы раздела между пластмассовым светопроводом и воздухом вы­ходит через верхний рассеивающий слой, обеспечивающий равно­мерность свечения сегмента за счет контролируемого введения в него мелких диспергирующих частиц из стекла или кварца. Альтернативный вариант получения диффузного изображения большой площади реализуется в конструкции второго типа. В этом случае излученный кристаллом свет многократно отражается от боковых поверхностей пустотелого светопровода, попадает в пленку-рассеиватель и выводится из индикатора. С целью увели­чения коэффициента вывода в этом случае необходимо обеспечить высокий коэффициент отражения от боковых граней светопровода, что обеспечивается нанесением на его внутреннюю поверхность слоя золота с высокой отражательной способностью в видимой области спектра. Весьма перспективен с экономической точки зре­ния белый пластмассовый отражатель, разработанный в последнее время и характеризуемый высоким коэффициентом отражения в видимой области спектра.

Синтез двух рассмотренных выше решений реализуется в кон­струкции третьего типа. В ней полость светопровода с нанесенным на его внутреннюю поверхность отражающим слоем серебра запол­няется прозрачной светорассеивающей пластмассой, изготавлива­емой введением в нее мелкодисперсных рассеивателей (стекла, кварца и т. д.).

Рис. 9. Различные конструкции ПЗСИ на принципе рассеяния света:

/—кристалл-излучатель; 2—держатель; 3—светопроводящая полость; 4—отражающие-стенки; 5 — частицы рассеивателя; 6 — корпус; 7 — прозрачная крышка-корпус

Рис.10. Наиболее распространенные форматы многоэлементных излучателей

На рис.10. показаны наиболее распространенные форматы многоэлементных излучателей,а на рис.11. приведена функциональная схема части дис­плея на семиполосковых (л = 7) цифровых индикаторах. Эта схема реализует следующие функции:

1. Память. Информация поступает в схему в виде парал­лельного 4-битового двоично-десятичного кода (ДДК) по четы­рем шинам (k = 4). Информация, полученная во время разре­шающего такта (например, с помощью набора из четырех R-S-триггеров), записывается в памяти. Эта информация остается в памяти, пока не поступит импульс стирания.

Другой элемент памяти (на рис. не показан) записы­вает информацию в виде последовательного ДДК в 4-разряд­ный (k=4) сдвиговый регистр. Каждый разряд регистра имеет параллельный выход, соединенный со следующим элемен­том дисплея - генератором символов.

2.Генератор символов. Роль генератора символов заклю­чается в преобразовании k входных сигналов из блока памяти в п выходных сигналов, с помощью которых включаются нужные элементы индикации.

Как показано на рис. 11 это обычно осуществляется в две стадии.

а) Блок дешифратора имеет k входов и, следовательно, может воспринимать 2^k сигналов ДДК, каждый из которых coответствует определенному символу. Соответственно он имеет 2^k выходных контактов, каждый из которых представляет определенный символ. Типичный дешифратор, собранный на соответствующих полупроводниковых логических схемах, состоит из некоторого числа двухвходовых вентилей или схем И и инвер­торов .

Рис.11. Функциональная схема семиполоскового цифрового полупроводникового индикатора с входом для параллельного двоично-десятичного кода.

б) Шифратор имеет 2^k входных контактов, и информация передается в него в каждый момент времени только по одной линии. Его функция состоит в преобразовании этой информации в выходные сигналы, соответствующие элементам требуемого символа. Число выходных контактов равно п (п = 7 для семи­элементного цифрового индикатора и п = 35 для матрицы из 5 х 7 элементов). Самый простой способ осуществить эту функ­цию - использовать диодную матрицу , хотя тран­зисторная матрица обладает большей универсальностью. Диод­ная матрица работает как постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Использование дешифратора п выходов из k входов тре­бует от ПЗУ 2^kn бит на один символ (если используются все 2^k, комбинаций). Каждый из п выходов шифратора управляет одним элементом индикации соответствующего ему символа (так называемое пространственно-разделенное подключение). Для символа, образуемого матрицей из 5 х 7 элементов, число вы­водов оказывается слишком большим и подключение может быть осуществлено с использованием принципа разделения во времени (так называемое подключение с временным разделением). При этом число выходных линий уменьшается до пяти— соответственно числу столбцов индикатора. Еще одна входная линия выбирает одну из семи строк символа.

В сумме дешифратор и шифратор образуют генератор символов. Выходной сигнал шифратора используется для питания электролюминесцентного индикатора.

3. Полупроводниковый индикатор. Обычно выходная мощность генератора символов недостаточна для непосред­ственного питания светодиодов, так что электролюминесцентный индикатор состоит из двух частей (драйвера и светодиодов):

а). Драйвера, который служит в качестве генератора постоянного тока и обычно должен усиливать сигналы шифратора. Функция драйвера заключается в обеспечении питания светодиодов. В про­стейшем случае используются транзисторный эмиттерный каскад для усиления выходного сигнала шифратора и последователь­ное сопротивление для поддержания постоянной величины тока питания

б) самого индикатора.