Компоненты отображения информации: полупроводниковые приборы

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      РЕФЕРАТ

Тема: Компоненты отображения информации: 
полупроводниковые приборы

      Дисциплина: Средства измерения электрических величин 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Выполнил: 

      Проверил: 
 
 
 
 
 

      2011

      Содержание 

 

1 Светодиоды

      Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) – полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом или контактом металл-полупроводник, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят в том числе от химического состава использованных в нём полупроводников.

      При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда – электроны и дырки – рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

      Не  всякие полупроводниковые материалы  эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).

      Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

 

2 Преимущества

      По  сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:

• Высокий КПД. Современные светодиоды немного уступают по этому параметру только натриевым газоразрядным лампам. Однако натриевые лампы малопригодны для освещения жилых помещений из-за специфического цвета.
• Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих).
• Длительный срок службы. Но и он не бесконечен – при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости.
• Спектр современных люминофорных диодов аналогичен спектру люминесцентных ламп, которые давно используются в быту. Схожесть спектра обусловлена тем, что в этих светодиодах также используется люминофор, преобразующий ультрафиолетовое или синее излучение в видимое с хорошим спектром.
• Малая инерционность.
• Малый угол излучения. Это может быть как достоинством, так и недостатком.
• Низкая стоимость индикаторных светодиодов, но высокая стоимость при использовании в освещении.
• Безопасность – не требуются высокие напряжения.
• Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
• Отсутствие ядовитых составляющих (ртуть и др.), в отличие от люминесцентных ламп.
• В уличном, промышленном, бытовом освещении.
• В качестве индикаторов - как в виде одиночных светодиодов (например, индикатор включения на панели прибора), так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например, цифры на часах).
• Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках. Такие массивы часто называют светодиодными кластерами или просто кластерами.
• В оптопарах.
• Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и светофорах.
• Светодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ, светотелефоны, интернет).
• В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т. д.).
• В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и прочие.
• В светодиодных дорожных знаках.
• В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.

 

3 Органические светодиоды – OLED

      Органический  светодиод (англ. Organic Light-Emitting Diode (OLED) –  органический светоизлучающий диод) – полупроводниковый прибор, изготовленный из органических соединений, который эффективно излучает свет, если пропустить через него электрический ток.

      Основное  применение технология OLED находит при  создании устройств отображения  информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, нежели производство жидкокристаллических дисплеев. 

      Принцип действия

      Для создания органических светодиодов (OLED) используются тонкопленочные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких полимеров. При подаче на анод положительного относительно катода напряжения, поток электронов протекает через прибор от катода к аноду. Таким образом катод отдает электроны в эмиссионный слой, а анод забирает электроны из проводящего слоя, или другими словами анод отдает дырки в проводящий слой. Эмиссионный слой получает отрицательный заряд, а проводящий слой положительный. Под действием электростатических сил электроны и дырки движутся навстречу друг к другу и при встрече рекомбинируют. Это происходит ближе к эмиссионному слою, потому что в органических полупроводниках дырки обладают большей подвижностью, чем электроны. При рекомбинации происходит понижение энергии электрона, которое сопровождается испусканием (эмиссией) электромагнитного излучения в области видимого света. Поэтому слой и называется эмиссионным.

      Прибор  не работает при подаче на анод отрицательного относительно катода напряжения. В этом случае дырки движутся к аноду, а электроны в противоположном направлении к катоду, и рекомбинации не происходит. 

      В качестве материала анода обычно используется оксид индия, легированный оловом. Он прозрачный для видимого света и имеет высокую работу выхода, которая способствует инжекции дырок в полимерный слой. Для изготовления катода часто используют металлы, такие как алюминий и кальций, так как они обладают низкой работой выхода, способствующей инжекции электронов в полимерный слой. 

      Преимущества  и недостатки

      Преимущества, в сравнении c плазменными  дисплеями:

• меньшие габариты и вес
• более низкое энергопотребление при той же яркости
• возможность создания гибких экранов

 

      В сравнении c жидкокристаллическими  дисплеями:

• меньшие габариты и вес
• отсутствие необходимости в подсветке
• отсутствие такого параметра как угол обзора – изображение видно без потери качества с любого угла
• мгновенный отклик (на порядок выше, чем у LCD) – по сути полное отсутствие инерционности
• более качественная цветопередача (высокий контраст)
• возможность создания гибких экранов
• большой диапазон рабочих температур (от −40 до +70 °C)

 

       Яркость.

      OLED-дисплеи  обеспечивают яркость излучения  от нескольких кд/м² (для ночной работы) до очень высоких яркостей – свыше 100 000 кд/м², причем их яркость может регулироваться в очень широком динамическом диапазоне. Так как срок службы дисплея обратно пропорционален его яркости, для приборов рекомендуется работа при более умеренных уровнях яркости до 1000 кд/м². При освещении LCD-дисплея ярким лучом света появляются блики, а картинка на OLED-экране останется яркой и насыщенной при любом уровне освещенности (даже при прямом попадании солнечных лучей на дисплей).

      Контрастность.

      Здесь OLED также лидер. OLED-дисплеи обладают контрастностью 1000000:1 (Контрастность LCD 1300:1, CRT 2000:1)

      Углы  обзора.

      Технология OLED позволяет смотреть на дисплей  с любой стороны и под любым углом, причем без потери качества изображения. Впрочем, современные ЖКИ дисплеи (за исключением основанных на TN+Film матрицах) также сохраняют приемлемое качество картинки при больших углах обзора. 

      Недостатки

• маленький срок службы люминофоров некоторых цветов

(порядка  2-3 лет)

• как следствие первого, невозможность создания долговечных полноценных TrueColor дисплеев
• дороговизна и неотработанность технологии по созданию больших матриц

 

      Главная проблема для OLED – время непрерывной  работы должно быть более 15 тыс. часов. Одна проблема, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что «красный» OLED и «зелёный» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше, чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причем время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Хотя сегодня «синий» OLED всё-таки добрался до отметки в 17,5 тыс. часов непрерывной работы.

      При этом для дисплеев телефонов, фотокамер  и иных малых устройств достаточно 5 тысяч часов непрерывной работы. Поэтому в них OLED успешно применяется уже сегодня.

      Можно считать это временными трудностями  становления новой технологии, поскольку  разрабатываются новые долговечные  люминофоры. Также растут мощности по производству матриц. Потребность в преимуществах, демонстрируемых органическими дисплеями с каждым годом растёт. Этот факт позволяет заключить, что в скором времени человечество увидит расцвет данной технологии. 

      Применение

      На  сегодняшний день OLED-технология применяется  многими разработчиками узкой направленности, например, для создания приборов ночного видения. Дисплеи OLED встраиваются в телефоны, цифровые камеры и другую технику, где не требуется большого полноцветного экрана. Такие дисплеи широко применяются в мобильных телефонах, GPS-навигаторах, для создания приборов ночного видения. Органические дисплеи встраиваются в телефоны, цифровые фотоаппараты, автомобильные бортовые компьютеры, коммерческие OLED-телевизоры, выпускаются небольшие OLED-дисплеи для цифровых индикаторов, лицевых панелей автомагнитол, MP3-плееров и т. д.

      Также есть и мониторы на основе органики (Epson, Samsung – достигнут 40" предел). 

      Основные  направления исследований и разработок

      Основные  направления исследований разработчиков OLED-панелей, где на сегодняшний день есть реальные результаты: 

      PHOLED

      PHOLED (Phosphorescent OLED) (англ.) – технология, являющаяся  достижением Universal Display Corporation (UDC) совместно с Принстонским университетом и университетом Южной Калифорнии. Как и все OLED, PHOLED функционируют следующим образом: электрический ток подводится к органическим молекулам, которые испускают яркий свет. Однако, PHOLED используют принцип электрофосфоресценции, чтобы преобразовать до 100 % электрической энергии в свет. К примеру, традиционные флуоресцентные OLED преобразовывают в свет приблизительно 25-30 % электрической энергии. Из-за их чрезвычайно высокого уровня эффективности энергии, даже по сравнению с другим OLED, PHOLED изучаются для потенциального использования в больших дисплеях типа телевизионных мониторов или экранов для потребностей освещения. Потенциальное использование PHOLED для освещения: можно покрыть стены гигантскими PHOLED-дисплеями. Это позволило бы всем комнатам освещаться равномерно, вместо использования лампочек, которые распределяют свет неравномерно по комнате. Или мониторы-стены или окна – удобно для организаций или любителей поэкспериментировать с интерьером. Также к преимуществам PHOLED-дисплеев можно отнести яркие, насыщенные цвета, а также достаточно долгий срок службы.