Введение к работе
з
Актуальность проблемы. Математические методы и численное моделирование являются наиболее удобным аппаратом для разработки оптимальных вариантов создания новых технических объектов и процессов их изготовления, поскольку машинное проектирование значительно сокращает расходы на проведение экспериментальных работ, особенно для новых технических средств. К таким новым техническим объектам относятся, в частности средства отображения информации на основе плоских твердотельных активных индикаторов. Тонкопленочные электролюминесцентные (ТПЭЛ) индикаторные устройства в настоящее время являются одними из наиболее перспективных для создания микроэлектронных средств отображения информации, особенно для специальной техники. К их достоинствам относятся: полностью твердотельная конструкция, высокая яркость, надежность, температурная стабильность, быстродействие, большой угол обзора, радиационная стойкость и др. К настоящему времени определены физические основы работы этих приборов, конструкции, материалы и технология изготовления структур, методы контроля параметров материалов и устройств. Однако до сих пор отсутствуют достаточно полные математические модели, описывающие основные функциональные характеристики ТПЭЛ конденсаторов, необходимые для разработки индикаторных устройств. Существующие модели являются либо упрощенными, либо характеризуют только отдельные эффекты в многослойных системах.
В Ульяновском государственном техническом университете в течение ряда лет проводились работы по исследованию параметров ТПЭЛ конденсаторов и режимов возбуждения электролюминесценции в них, а также разрабатывались методы и устройства управления индикаторными приборами и их применение в средствах отображения информации. Дальнейшее развитие работ обусловило как необходимость теоретического анализа и экспериментальных исследований указанных проблем, так и математического моделирования электрических и светотехнических свойств и характеристик ТПЭЛ индикаторных устройств, работающих на переменном напряжении.
Цель и задачи исследований. Целью данной диссертационной работы является математическое моделирование электрических и светотехнических характеристик ТПЭЛ конденсаторов для расчетов конструкций, выбора материалов и режимов работы индикаторных устройств в средствах отображения информации.
Для достижения этой цели в ходе выполнения диссертационной работы были поставлены и решены следующие задачи.
1. Теоретический анализ и моделирование электрических процессов в
ТПЭЛ конденсаторах при возбуждении знакопеременным импульсным, сим
метричным пилообразным и гармоническим напряжением.
Теоретический анализ и моделирование светотехнических характеристик ТПЭЛ конденсаторов.
Разработка программ расчета электрических и светотехнических характеристик.
Экспериментальные исследования процессов в ТПЭЛ конденсаторах.
Основные положения, выносимые на защиту. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования характеристик ТПЭЛ конденсаторов позволили вынести на защиту следующие основные положения.
Разработанная математическая модель ТПЭЛ конденсаторов и соответствующая программная реализация на основании описания электрических эквивалентных схем уравнениями, составленными согласно теории электрических цепей, позволяет рассчитывать основные электрические характеристики электролюминесцентных конденсаторов и индикаторных панелей на их основе.
Проведенное математическое моделирование электрических характеристик ТПЭЛ конденсаторов позволяет определить зависимость заряда, напряжения включения и рассеиваемой мощности от конструктивно-технологических факторов, состава схемы управления и условий возбуждения.
Разработанная программа для численного решения нелинейного уравнения кинетики яркости свечения на основе модели прямого ударного возбуждения центров свечения позволяет установить зависимость яркости свечения от условий возбуждения электролюминесценции.
Полученные аналитические соотношения для средней яркости излучения и светоотдачи ТПЭЛ конденсаторов на основе модели прямого ударного возбуждения центров свечения в люминофоре определяют их зависимость от условий возбуждения и свойств тонкоплёночной структуры и позволяют установить оптимальные режимы управления индикаторными устройствами.
Проведенные экспериментальные исследования электрических и светотехнических характеристик ТПЭЛ конденсаторов при возбуждении переменным синусоидальным и симметричным треугольным напряжением по-
казали соответствие данным математического моделирования и численных расчетов.
Научная новизна. Впервые детально исследованы электрические и светотехнические характеристики ТПЭЛ конденсаторов при различных условиях возбуждения. При этом получены следующие новые научные результаты.
Впервые на основе представлений о туннельной перезарядке квазиизолированной поверхности люминофора и прямого ударного возбуждения активаторов разработан математический аппарат исследования электрических и оптических процессов в ТПЭЛ конденсаторах при различных условиях возбуждения электролюминесценции.
На основе результатов математического моделирования установлены зависимости характеристик электрических и оптических процессов в ТПЭЛ конденсаторах от состава и свойств многослойных структур.
На основе разработанной математической модели дискретного тонкопленочного электролюминесцентного конденсатора предложена методика расчета параметров матричной индикаторной панели, позволяющая формировать систему нелинейных интегральных уравнений, описывающую устройство, в автоматическом режиме, за счет чего упрощен процесс моделирования индикаторных устройств с большим количеством элементов отображения.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:
Разработанные математические модели характеристик ТПЭЛ конденсаторов могут быть использованы для разработки конструкций и режимов работы приборов в лабораториях и конструкторских бюро, занимающихся проектированием и исследованием электролюминесцентных источников излучения.
Полученные аналитические соотношения применимы для разработки методик производственного контроля и расчета значений функциональных параметров, характеризующих свойства ТПЭЛ элементов и индикаторных приборов;
Выработанные по данным теоретических и экспериментальных исследований и по результатам математического моделирования рекомендации по выбору способов и режимов управления электролюминесцентными излучателями способствуют обеспечению требуемых значений параметров индикаторных устройств.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается адекватностью используемых математических моделей, корректностью упрощающих допущений, близостью расчетных данных с результатами экспериментальных исследований.
Личный вклад. В диссертации изложены результаты работ, которые были выполнены соискателем лично под научным руководством профессора Самохвалова М.К. Автор разрабатывал методики исследований, проводил теоретические расчеты и эксперименты, осуществлял обработку, анализ и обобщение получаемых результатов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 4-й Всероссийской научно-практической конференции (с участием стран СНГ) (Ульяновск, 2004 г.), 10-й Военной научно-технической конференции "Актуальные вопросы совершенствования техники и систем военной связи на основе современных телекоммуникационных информационных технологий" (Ульяновск, 2004 г.), школе-семинар «Актуальные проблемы физической и функциональной электроники» (Ульяновск, 2004 г.), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2004 г.), Международных конференциях «Опто -, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2004, 2006 гг.), Научно-технической конференции "Информационные технологии в промышленности и учебном процессе" (Арзамас, 2004 г.), Всероссийском научно-практическом семинаре "Сети и системы связи", (Рязань, 2005 г.), Всероссийской научно-технической конференции "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования", (Тамбов, 2006 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях УлГТУ в 2005-2007 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 2 статьи в журнале, входящем в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка используемых источников. Она изложена на 117 листах, содержит 31 рисунок и 2 таблицы. Библиографический список содержит 99 наименований.
Похожие диссертации на Математическое моделирование электрических и светотехнических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов
