Введение к работе
Актуальность проблены. Одними из осноеных звеньев, обеспечи-ающих эффективное информационное взаимодействие человека с маши-' ой в различных вычислительных, информационных измерительных сис-емах и устройствах, а также в системах управления, являнтея лектрошше средства отображения информации (СОИ). Важнейшей сос-авной частью таких СОИ, определяющей практически все его основне схемотехнические, конструкторско-техналогические, зргономн-Езские и эксплуатационные параметры, является блок индикации или ндикаторное устройства (ИУІ, включакшєе в себя собственно инди-атор и устройство управления, содержащее элементы коммутации, зиления, запоминания, модуляции, а также в более общем случав зтрайство адресации (выборки) ячеек индикатора-
Потребности техники и успехи Физики и технологии оптоэлек-ронных прибороз привели к созданию и широкому использованию наяду с обычными элЕКтронно-лучевыми трубками большого числа раз-лх-типов плоских индикаторов (ПИ), базирующихся на разнообразных лзических эффектах. К ПИ индивидуального и группового пользова-;ія, наиболее полно отвечающим современным требованиям плоскост-эсти, монолитности, долговечности, высоких яркости, контрастност-эсти, многоцветное и позволяющий получить большую часть необ-эдимого спектра электронных СОИ, относятся ПИ на основе эффекта іектролнминесценции в полупроводниках - инжекционной, используе-зй в светоизлучающих диодах (СИД), являющихся основой полупро-здниковых индикаторов (ППИ), и предпробойной, на которой базируйся работа пленочных электролюминесцентных (ЭЛ) конденсаторов )ЛК) и ЭЛ индикаторов (ЭЛИ) переменного тока- Для ППИ, характе-' ізующихся сложностью технологии изготовления структур, невысокой
іетоотдачєй, небольшими размерами и применением в одноэлементных малоэлементных знаковых, шкальных индикаторах и малоформатных ітричньїх СОИ индивидуального пользования, устройства управления >статочно хорошо отработаны. Имеются серии специализированных ин-гральных микросхем управления, выпускаются ППИ с встроенным уп-івлением. В отличие dt этого потенциальные преимущества наиболее ?рспективных тонкопленочных ЭЛИ переменного тока ( высокие яркость контрастность при больших уровнях внешней засветки, возможность
получения больших по размерам ПИ с равномерной яркостью? более сокая по сравнению с ПІШ светоотдача) высокая механическая про-ность и др-), а также наиболее простых в конструктивно-технолої ческой отношении толстопленочных ЭЛИ переменного тока во нногої не реализованы до настоящего времени из-за значительного отстг вания в развитии устройств управления ЭЛИ- Указанное обстоятелі ство связано прежде всего с высокий знакопеременный напряжение! питания таких ЭЛИ (от ~40В до ~300В).
В части обеспечения устройствами управления малоэлЕкентныэ ЭЛИ (до 10 элементов) основное значение имеет разработка дискре ных коммутирующих элементов, совместимых по рабочим напряженим току с ЭЛИ» а по управлению с серийно выпускаемыми MHKpocxeMaMt Наиболее простым вариантом, обеспечивающий подачу сииметричногс знакопеременного напряжения на ЭЛИ, является использование двунаправленных коннутирумщих элементов (КЭ>, из которых известны кие серийно выпускаемые элементы с симметричной вольт-амперной рактеристикой (ВАЗ!) с участком отрицательного диФФеренциальногс сопротивления (ОДС), как сииистары- Однако имевшиеся на конец Е годов варианты эпитаксиальных симисторов были ориентированы на коммутацию больших и сверхбольших токов и напряжений силовой электроники и не приеилимы в относительно маломощных цепях упра ления ЭЛИ«
Как показывает анализ структуры, методов адресации ячеек П в там числе и ЭЛИ, и способов ввода информации в них, основная трудность, возникающая при внешней адресации и коммутации индик торных элементов (ячеек) многоэлементных ПИ (шкальных, знаковых индикаторов, индикаторных панелей), обусловлена большим числом внешних выводов, что существенно усложняет устройство управлени уменьшает надежность ИУ. Принципиальное устранение этого недост ка возможно при использовании внутренней адресации и коммутации когда адресация ячеек ПИ осуществляется за счет внутренних Функ нальных связей между ними, обеспечивающих последовательную выбо ячеек в режиме самосканирования. Из известных полупроводниковых коммутирующих устройств с самосканированием (КУСС), которые ног быть использованы для управления ЭЛИ, наиболее перспективными я ляются КУСС на основе полупроводниковых КЭ с ОДС, совместимых п параиетраи с ЭЛИ: такие как нейристоры, представляющие собой зл трический аналог аксона нервной клетки, и сдвиговые регистры- О
5 іко известные простые варианты КУСС на основе серийно выпускаемых (ненаправленных КЭ с ОДС - тиристоров - не учитывали необходи->сть подачи во время коммутации на ЭЛИ знакопеременного напряже-[я, описание электрофизических процессов Формирования и распро-ранения иипульса возбуждения в них носило упрошенный характер, сутствовал анализ работы индикаторных элементов в ЭЛИ с саноска-[раваниеи на основе полупроводниковых КЭ с ОДС-
Разработка и исследование основ Функционирования ЭЛИ, сопря-!нных с устройствами управления на основе КЭ с ОДС или на основе ICC» выполненных на базе таких элементов, позволит создать высокоактивные ЭЛИ с встроенным управлением и самосканированием раз-1чных назначения и информационной емкости, а также конструктив-і-технологического выполнения
В связи с изложенный комплексная разработка и исследование гаретических и практических основ функционирования иногозлемент-IX электролкминесцентных индикаторов с самосканированием на базе мупроводниковых элементов с ОДС является актуальной научной юблемой и имеет большое научное и практическое "значение-
Цель и задачи исследований- Целью работы является разработка исследование Физических и конструктивно-технологических основ нкдионирования многоэлементных ЭЛИ с самосканированием на базе 'лупроводниковых элементов с ОДС--
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
1 Анализ основных типов известных многоэлементных ПИ по ис-(льзуенын физическим эффектам, назначению, структуре, методам ад-сации, способам ввода информации, по энергетическим параметрам! енка эффективности управления наиболее перспективных из активных ердотельных ПИ - ЭЛИ - с помощью различных дискретных КЭ и КУСС
2- Теоретическое и экспериментальное исследование электрофи-ческих параметров и характеристик тонкопленочных (ТП) ЭЛИ пере-нного тока с одинаковыми и различными диэлектрическими слоями, обходимых для получения ЭЛ структур с пониженным рабочим напря-нием (менее 100В), разработка и исследование конструкций ТП ЭЛК нденсаторов (ЭЛК), обеспечивающих создание ЭЛИ с встроенным уп-влениеи, а также оценка энергетической эффективности ТП ЭЛИ-
3. Исследование принципов организации и Функционирования, а кже свойств основных типов КУСС - нейристоров и сдвиговых гистров на основе КЭ с ОДС, анализ и исследование процесса
Формирования импульса возбуждения и работы индикаторных элементов (ИЭ) - СИД и ЭЛК - в нейристорах и сдвиговых регистрах, моделирование и экспериментальное исследование процесса распространения возбуждения в различных типах нейристоров и сдвиговых регистров н основе однонаправленных КЭ с ОДС - тиристоров, разработка новых вариантов таких устройств, обеспечивающих управление многоэлемен-тныии ЭЛИ и расширение Функциональных возможностей КУСС-
4- Исследование свойств двунаправленных КЭ с ОДС на основе халькогенидных пороговых переключателей, симисторных структур и KUCC на их базе, а также исследование возможности их сопряжения с ЭЛК.
5-' Исследование особенностей организации и Функционирования, а также погрешностей преобразования и считывания информации ыкаль пых индикаторов (ЫИ) с отсчетными устройствами с саносканирование (ОУС) на основе светоизлучаищих нейристоров (СИН) и сдвиговых регистров (СИР'), разработка методов и средств уменьшения указанных погрешностей, а также разработка новых вариантов ШИ на основе ЭЛ ОУС с расширенными функциональными возможностями-
6- Разработка новых вариантов иногоэленентных и многоцветных ЭЛ индикаторных панелей с самосканированием на базе нейристоров -нейроскопов - и на базе сдвиговых регистров-
Новые научные результаты и положения, выносимые на замиту-
-
Аналитически показано, что наиболее общин методой адресации иногоэленентных ПИ с внешней коммутацией является многоуровнє пая адресация, которая при большом числе уровней управления ИЭ обеспечивает существенное сокращение числа внешних выводов ПИ-Дальнейшее уменьшение числа внешних выводов обеспечивают методы внутренней адресации и коммутации (самосканирования) ячеек ПИ-
-
Получены аналитические зависимости для расчета числа внеи них выводов, собственного яркостного контраста, максимально возможного времени коммутации ячеек, информационной пропускной способности и удельной потребляемой мощности иногоэленентных ПИ с различными методами адресации и способами ввода информации- Показано, что наилучшей совокупностью таких параметров иногоэленентных ПИ при равных светотехнических параметрах ИЭ обладают! при параллельно-последовательной вводе информации - двухмерная матричная адресация с саиосканированиеи, при последовательном вводе - поэлементная адресация с самосканированием-
-
Установлены аналитические зависимости пробивной напряжен--іости и добротности диэлектрических слоев ТП ЭЛК переменного тока з одинаковыми и разными диэлектрическими слоями, требуемых для зысоконадежнай работы ТП ЭЛК, а также порогового напряжения и энергетической эффективности ТП ЭЛК от электрофизических и конструктивных параметров слоев ТП ЭЛК и крутизны ВЯХ (отношения рабочего и порогового напряжений), определены значения указанных іараметров, необходимых для получения ТП ЭЛК с рабочими напряже--шями, не превышающими 100 В, и с иаксинальной энергетической эф-рективностью. Получены и экспериментально исследованы ТП ЭЛИ трех цветов свечения, в ток числе с указанными рабочими напряжениями-
-
Предложены, изготовлены и исследованы ТП ЭЛК с использова-іием композиционного жидкого диэлектрика на основе смеси порошкообразного сегнетоэлектрика и жидкого диэлектрика в качестве одного із диэлектрических слоев, что обеспечивает упрощение конструкции и размещение всех выводов ТП ЭЛИ на тыльной стороне индикатора в од-юй плоскости с одновременный уменьшением периферийной нерабочей зоны лицевой панели, а также уменьшение паразитных связей между соседними ИЭ в составе ТП ЭЛИ; показано, что такие ТП ЭЛК имеют іолєє высокие быстродействие, пробивные и рабочие напряжения, нень-иую крутизну ВЯХ по сравнению с обычными ТП ЭЛК-
-
Предложены, теоретически и экспериментально исследованы^ зариант СИН с оптоэлектронной связью на основе оптронові одно-гактный импульсный режим работы СИН, обеспечивающий стабилизацию жорости распространения импульса возбуждения, вариант СИН и три зарианта СИР с биполярным напряжением питания, обеспечивающие по-іучение знакопеременного напряжения на нагрузочных ЭЛК-
Ь- Получены качественно согласующиеся аналитические и экспериментальные зависимости амплитудно-временных параметров, характеризующих процесс Формирования импульса возбуждения, и сеєтотєхни-шских параметров, характеризукших Функционирование СИД, толсто- и гонкопленочных ЭЛК в качестве ИЭ, от электрофизических параметров элементов и электрического режима работы светоизлучающих нейристо-50В и сдвиговых регистров на основе тиристоров с униполярным и би-юлярным постоянным и импульсным напряжениями питания.
'? Разработаны Физические и математические модели процессов іаспространєния возбуждения в КУСС и получены качественно согласующиеся расчетные и экспериментальные зависимости анплитудно-вре-
ценных параиетров, характеризуючих процесс распространения ни са возбуждения» от электрофизических и конструктивных паранет элементов и структур нейристоров и сдвиговых регистров с опта тронной и объемной сзязьи между тиристорами-
-
Экспериментально определены условия существования, ха теристики и параметры электронного, злектротериического и теп вого механизмов переключения в халькогекидных стеклах, нехани проводимости Б еысокоокнои состоянии в отсутствии джаудева ра греса, иеханизк, приводящий к переключению, к механизм поддер включенного состояния пороговых переключателей; предлоаен и а литически обоснован полевой механизм связи между КЭ с ОДС, вы ненными на основе однородного полупроводника и переключающими счет эффектов сильного поля.
-
Предложены, изготовлены и экспериментально исследован: пленарные симисторы- фотссимисторы и маломощные симистарные с ны на их основе, совместимые по выходным статическим и динами ким параметрам с толсто- и тонкопленочными ЭШ, а по управлен о уровнями сигналов серийно выпускаемых микросхем-
10- Выполнен анализ г.огреыноетей Ш с ОУС на основе СИН разработаны и экспериментально исследованы методы и средства шения инструментальной, методической и субъективной погреынос таких индикаторов
Научная новизна работы содержится в защищаемых положения:
Практическая значимость работы. Заключается в в создании практической основы разработки многоэлементных ЭЛИ с саисскан: ваниен на базе проводниковых КЭ с OjQC:
1 Получены аналитические зависимости для расчета числа і них выводов, собственного яркостного контраста, наксииалькс ві мойного Бременикоммутации ячеек, информационной пропускной с; собности и удельной потребляеной мощности нногоэлементных ПЦ ( различными методами адресации, включая самосканирование, и сп( бами ввода информации-
2- Получены аналитические зависимости для определения тр< емых электрофизических и конструктивных параиетров слоев ТП Зі одинаковым и различными диэлектрическими слоями, необходимых , получения рабочих напряжений, не превышающими 100В, и максима-ной энергетической эффективности; разработаны и исследованы ТІ трех цветов свечения, конструкции и технология изготовления К(
9 їх внедрены на НІШ "Ульяновский рздиоланповый завод" и в Улья-ївскои КБ приборостроения. Предложены защищенные авторскими сви-тельствзки, изгатозлены и исследованы ТП ЭЛК с использованием «позиционного жидкого диэлектрика в качестзе одного из диэлек-ическнх слоев і обеспечивающие упрощение конструкции и размеще-е всех выводов ТП ЭЛИ на тыльной стороне индикатора в одной оскости с одновременным уменьшением периферийной нерабочей зо-
лицезой панели, а также уменьшение паразитных связей между седними НЭ в составе ТП ЭЛИ.
3. Предложены и исследованы: ряд зачищенных авторский»- саи-тедьстваки и патентом'вариантов СІІН с оптозлєктронноіі связью на нове оптронов и интегральных линеек светоизлучанщих КЭ с ОДС; нотактный импульсный режим работы СИН, вариант СИН и три вари-га СИР с биполярным напряжением питания, обеспечивающие получе-= знакопеременного напряжения на нагрузочных ЭЛК, а также ва-знт СИР с обеспеченней Функций запоминания и произвольной вы-жи возбуждаемых нагрузочных ЭЛК. Получены пригодные для инже-эного расчета зависимости, характеризующие процессы Форнирова-1 и распространения инпульсоз возбуждения и работу ИЭ (СИД и І) в СИН и СИР', определены светотехнические характеристики СИН и > с нагрузочными СИД, толсто- и тонкопленочныии ЭЛК.
4- Предложены а исследованы защищенный авторским свидетель-
іОп планарньїй тотиимяистир и палопочные синисторные оптроны на
і основе, совместимые по выходным статическим и динамическим
іанетран с толсто- и тонкоплекочныни ЭЛИ, а по управлении - с
іБнани сигналов серийно выпускаемых микросхем", дифференциальный
исторный оптрон с раздельным управлением процессами коммутации
ряжений различных полярностей, синисторные оптроны с повышенный
ряжением изоляции "вход-выход" до 3,5-4,5кЕ, .а также с повыиен-
значениен дзйствуюаего выходного тока в открытом состоянии до А- Указанные оптроны внедрены в опытное производства на НПП ьяновский радиоламповый завод"-
-
Предложены ряд защищенных авторскими свидетельствами и патами вариантов КУСС на основе халькогенидных пороговых пере-чателей и сииисторов
-
Предложены и исследованы ряд защищенных авторскими свиде-эствами вариантов показывающих ШИ с ОУС на основе СИН с умень-ЮІ1 инструментальной погреынсстью, обеспечивающей получение ШИ
классов точности 0,2-0,5, с уменьшенной методической и субъект
ной погрешностью измерения, а также ряд вариантов показывающих
сигнализирующих и регулирующих Ш на основе СИН и СИР с расиир
ными Функциональными возможностями-
7- Предложены ряд защищенных авторскими свидетельствами в
риантов нейроскопов со стабильной скоростью сканирования и пов
шеннай средней яркостью воспроизводимого изображения, плоских
многоцветных индикаторов с самосканированием на основе СИР и Э
нейроскоп, обеспечивающий непосредственное воспроизведение асц
лаграфического изображения и знаковой индикации, и электрическ
управляемый транспарант с саиосканированиеи на основе СИН-
Апробация работы- Основные положения диссертационной рабо докладывались и обсуждались на: Международном Совещании "Аморф полупроводники, 74", Рейнгардсбрунн, ГДР, 1974", II республикан скок совещании по физике и технологии тонких пленок сложных полупроводников, Ужгород, 1975 г.', семинаре "Анализ и синтез быстродействующих приборов с отрицательным сопротивлением (нег тронов) с использованием ЭВМ", г-Рязань, 1975 г.", IV Междунаро ной конференции по аморфным и жидким полупроводникам, Ленингра 1975 г-, выездном заседании секции мнемологии Центрального пра ления НТОРЗС им-А-С-Папова, г.Ульяновск, 1978 г.; Всесоюзной с вещании "Оптические сканирующие устройства и измерительные при ры на их основе", г.Барнаул, 1980 г-5 Московской научно-технич кой конференции Автоматизация проектирования и управление качеством , г.Москва, 1983 т ', Всесоюзной научно-технической кон ренции "Теория и практика конструирования и обеспечения надежн ти и качества электронной аппаратуры и приборов", г-Воронеж, 1984 г-! Всесоюзной научно-технической конференции "Специальны коммутационные элементы", г-Рязань, 1984 г-; V Всесоюзном сиип зичне "Проблемы создания преобразователей формы информации, г-Киев, 1984г."; Республиканской научно-технической конференци "Вопросы теории и проектирования электронных вольтметров и ере ств их поверки", г-Таллин, 1985 г.; научно-техническом семинар "Адаптивные измерительно-информационные системы", г-Ульяновск, 1986 г.; III Всесоюзной конференции по вычислительной оптоэлек тронике "Проблемы оптической памяти", г-Ереван, 1987 г-! научн техническом семинаре "Применение микроэлектроники в приборостр нии", г.Ульяновск, 1987 г.; 1 Всесоюзной конференции ''Полимерн отганические полупроводники и регистрирующие среды на их основ г-Киев, 1989 г-ї Всесоюзной научно-технической конференции "Ак альные проблемы электронного приборостроения", г-Новосибирск,
-
г.; Всесоюзном научно-техническом семинаре "Низкотемперат ные технологические процессы в электронике", г-Ижевск, 1990 г-V Всесоюзной конференции по Физике и химии редкоземельных полу проводников, г-Саратов, 1990 г.; Московской научно-технической конференции "Новые электронные приборы и устройства", г.Москва
-
г.; Всесоюзной научно-технической конференции "Пути разви электронных средств и задачи высшей школы в подготовке специал тов соответствующей квалификации", г-Ульяновск, 1991 г-j Всесо ной конференции по электролюминесценции, г-Ангарск, 1991 г-! научно-технической конференции СНГ "Микроэлектроника в машиностроении", г.Ульяновск, 1992 г-; Международной конференции "Оп тико-электранные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации", г-Кур 1993 г., Российской науно-технической конференции "Методы и ср ства оценки и повышения надежности приборов, -устройств и систе г.Саратов, 1994 г-5 3 Международном семинаре по моделированию приборов и технологий, г.Обнинск, 1994 г.; научно-технической конференции "Диагностика, информатика и мётрология-94", г-С--П тербург, 1994 г.; Международной конференции по люминесценции,
г-Москва, 1994 г-? 2 Международной научно-технической конФерен ции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-94" г-Новосибирск, 1994 г.; 1 Поволжской научно-технической конфер ции по проблемам.двойного применения, г-Самара, 1995 г.; Между родной научно-технической конференции "Непрерывно-логические и нейронные сети и модели", г-Ульяновск, 1995 г.
Публикации Результатам исследований опубликованы в 128 на-чных работах, включая 1 монографию и 44 авторские свидетельства
патента на изобретения; в 12 НИР по теме диссертации, по кото-ын опубликовано 18 отчетов- автор являлся научный руководителем-
Личный вклад автора. Все сснапные научные и практические ре-ультатн диссертации изложены в работах, которые были выполнены второй лично и в соавторстве. В ннографии П11 автору принадлежит раздел; подраздел 2-2 написан совместно с соавтором я Б»Б«10аншБ-ан. 13 других работах, выполненных авторои в соавторстве и резуль-аты которых включены в диссертации, аетор являетгя инициаторов зыдвигал идею, Формулировал задччу, намечал пути ее речения>, зарабатывал методики исследования, проводил теоретические расче-гЬ участвовал в изготовлении образцов и их исследовании, осчщест-1ял обработку- анализ и обобщение получаемых результатов. В ав~ эрских свидетельствах и патентах, выполненных в.соавторстве, слад всех соавторов равноценен- Все работы по внедрении и практи-гскому использовании результатов диссертации проведены под рукс-здством и при личном творческом участии соискателя.
Об-ізеи и структура диссертации; Работа изложена нэ 560 страни-IX машинописного тзкста, включає? 145 рисунков и 13 таблиц на 114 раницах, библиографии из 468 наименований на 42 страницах и сос-іит из введэния, семи глав, заключения, списка используемой лятч-[Туры и приложений-