Н. Н. Васерин, Н. К. Дадерко, Г. А. Прокофьев применение полупроводниковых индикаторов


Н.Н.Васерин, Н.К.Дадерко, Г.А.Прокофьев


ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНДИКАТОРОВ

Энергоатомиздат 1991

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА


Значительные успехи, достигнутые в области вычислительной техники и разрабатываемых на ее основе цифровых аппаратур­ных комплексов, стимулировали широкий фронт работ по созда­нию электронных индикаторных устройств и систем.

В настоящее время в аппаратурном обеспечении цифровых комплексов в качестве элементов индикации широко используются ЭЛТ, жидкокристаллические панели, газоразрядные, полупровод­никовые (светодиодные), электролюминесцентные и электрохром-ные индикаторы.

Каждый из указанных типов индикаторов, основанных на ис­пользовании различных физических принципов, предъявляет оп­ределенные требования к амплитудам управляющих напряжений, виду тока, плотности размещения на лицевых панелях приборов, внешней освещенности. Выбор типа индикаторов диктуется часто не только оптимальным сочетанием указанных технических ха­рактеристик, но и стоимостью, сроками разработки, состоянием серийного освоения.

Высокие технические характеристики полупроводниковых ин­дикаторов (ППИ) обеспечили их успешное внедрение в качест­ве элементов индикации в аппаратуре, используемой в различных областях народного хозяйства: в приборах управления стацио­нарным производственно-технологическим оборудованием, дви­жущимися объектами, объектами бытового назначения и др.

Одним из достоинств полупроводниковой технологии индика­торов является возможность их конструктивного исполнения в виде унифицированных модулей, обеспечивающих возможность бесшовной стыковки. Кроме того, модульность исполнения ин­дикаторов гарантирует высокую ремонтопригодность устройств отображения информации.

Другим не менее важным достоинством ППИ является сов­местимость уровней их управляющих напряжений и потребля­емых токов с напряжениями логических уровней и токами микросхемной техники. Это позволяет значительно сократить объемы схем управления элементами индикации и повысить надежность индикаторных устройств и систем за счет использования элемент­ной базы, выполненной только по полупроводниковой технологии. Предлагаемая книга является первой попыткой дать широ­кому кругу инженеров и научных работников общие сведения и фактический материал по техническим характеристикам ППИ и микросхем управления ими, вопросам повышения контраста изо­бражения, а также вопросам конструирования электронных полу­проводниковых индикаторных устройств и систем.


^ ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ


Современная радиотехническая и вычислительная аппаратура, в которой предусмотрены элементы управления или наблюдения за ее функционированием, обязательно содержит устройство или систему отображения информации, основной частью которых яв­ляются индикаторы.

Наибольшее распространение в настоящее время в аппара­туре индивидуального, группового, а в последнее время и коллек­тивного пользования получили знакосинтезирующие ППИ, что объясняется рядом их преимуществ перед другими индикаторами.

Номенклатура современных отечественных ППИ позволяет решать практически все задачи индикации.

Несмотря на успехи, достигнутые в области разработки и про­изводства ППИ, вопросы правильного применения индикаторов с целью получения максимального эффекта как с точки зрения обеспечения высокой надежности, так и с точки зрения обеспече­ния оптимальных значений эргономических и светотехнических параметров, мало известны широкому кругу инженеров и науч­ных работников, занимающихся вопросами применения ППИ.

Одной из важных причин является практически полное от­сутствие необходимой отечественной научно-технической литера­туры, посвященной вопросам применения ППИ. Имеющиеся справочники содержат параметры и характеристики конкретных типов ППИ и не освещают вопросы применения индикаторов. Из­данные в последние годы книги [1, 11], посвященные вопросам конструкции и технологии изготовления ППИ, основаны целиком на зарубежных материалах и вопросы применения не освещают. В книге «Электронные приборы для отображения информации» Ю. А. Быстрова, И. И. Литвака, Г. М. Персианова (издатель­ство «Радио и связь», 1985 г.) вопросы применения рассматри­ваются недостаточно. Единственная книга, посвященная вопро­сам применения [7], написана на материалах фирмы «Hewlett Packard», что затрудняет ее применение в отечественной практике.

Предлагаемая книга построена целиком на отечественном ма­териале и использует опыт работы авторов за последние годы.

В книге принята терминология, установленная стандартами в нашей стране.

Авторы выражают сердечную благодарность В. П. Сушкову, В. С. Абрамову, В. В. Леонову, О. Р. Абдуллаеву, В. П. Пав-личенко, Т. В. Джахутошвили, А. А. Церелову за помощь и со­веты, полученные при подготовке книги, а также рецензентам А. М. Юшину и К. М. Макарову и редактору В. И. Бусурину за полезные замечания, сделанные при работе над рукописью.


Глава 1


^ ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЗНАКОСИНТЕЗИРУЮЩИХ ИНДИКАТОРАХ


Полупроводниковые индикаторы являются одним из видов знакосинтезирующих индикаторов (ЗСИ), под которыми понима­ются приборы, где информация, предназначенная для зритель­ного восприятия, отображается с помощью одного или совокупности дискретных элементов (ГОСТ 25066-81).

ППИ являются активными знакосинтезирующими индикато­рами, в которых используется явление инжекционной электро­люминесценции. Явление электролюминесценции в полупровод­никовых материалах, т. е. излучение света р-n переходом, было впервые обнаружено и исследовано в 1923 г. О. В. Лосевым. Дальнейшие исследования отечественных и зарубежных ученых в 60 — 70-х годах позволили исследовать и определить перечень полупроводниковых материалов, обладающих высокой эффектив­ностью преобразования электрической энергии в световую. Полученные значения светотехнических параметров позволили создать ППИ, пригодные для практического применения.

Излучение генерируется либо внутри полупроводникового элемента в одноступенчатом процессе излучательной рекомбина­ции электронов и дырок, либо в результате более сложных двухступенчатых процессов генерации инфракрасного излучения внутри полупроводникового элемента с последующим возбуж­дением внешнего слоя антистоксового люминофора. Из-за малого КПД второй способ люминесценции не получил широкого распространения при проектировании полупроводниковых инди­каторов.

Внешний квантовый выход большинства ППИ [1] изменяется в зависимости от длительности эксплуатации даже при плот­ностях токов, оговоренных в технических условиях на индикаторы. Сегодня нет четкого понимания физики происходящих рекомби-национных явлений, ответственных за основную долю деградации. Известно, что значительные внутренние напряжения, вызванные примесными включениями легко диффундируемых элементов, вызывают быструю (в течение нескольких часов работы) начальную деградацию. Это особенно заметно у ППИ с высоким квантовым выходом.

Уменьшение быстрой деградации достигается разработкой «чистых» (беспримесных) технологий производства полупровод­никовых материалов.

Средние и длительные по времени процессы деградации вызваны, вероятно, электромиграционными процессами. Суммар­ный уровень деградации квантового выхода в течение срока службы (25000 ч) по техническим условиям на индикаторы составляет 30 — 50%.

Среди различных ЗСИ (жидкокристаллических, электролю-минесцентных, вакуумно-накаливаемых, катодолюминесцентных, газоразрядных и др.) полупроводниковые индикаторы занимают особое место. Это объясняется рядом их преимуществ перед другими видами ЗСИ. Основными из них являются: во-первых, полная конструктивная и технологическая совместимость с ин­тегральными микросхемами (т. е. совместимость управляющих напряжений ППИ с амплитудами логических уровней ИМС) и, во-вторых, возможность выпуска ППИ в виде ограниченного количества унифицированных модулей.

Конструктивная и технологическая совместимость ППИ с ИМС позволила повысить интегральную надежность устройств отображения информации за счет применения в них элементной базы, полностью выполненной по полупроводниковой технологии, обеспечить устойчивость к жестким механическим и климати­ческим воздействиям с практически неограниченной долговеч­ностью.

В настоящее время созданы приборы зеленого, желтого, красного цветов свечения, а также индикаторы с управляемым цветом свечения, с возможностью электрической регулировки яркостью свечения, с высоким быстродействием (20 — 100 не), с отсутствием паралакса. ППИ не требуют экранировки и не создают помех, у них отсутствует мерцание изображения.

Модульность конструкции полупроводниковых индикаторов обеспечивает возможность их бесшовной стыковки, т. е. без потери шага в одном (в строку) или двух (в экран) измерениях. Модульность исполнения индикаторов гарантирует также высо­кую степень ремонтопригодности устройств отображения инфор­мации.

Высокие технические характеристики полупроводниковых индикаторов обеспечили их успешное внедрение в качестве элементов индикации в различных областях народного хозяйства: в приборах индикации и управления технологическими процес­сами, в радиоэлектронной аппаратуре, в автоматике, в торговле и т. д. Применение ППИ обеспечило создание надежных, мало­габаритных устройств отображения информации с широким диапазоном функциональных возможностей.


^ 1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНДИКАТОРОВ


Полупроводниковые индикаторы, как, впрочем, и индикаторы, основанные на любых других принципах работы, могут быть классифицированы по виду отображаемой информации, по виду информационного поля и по способу управления.

Классификация современных полупроводниковых индикато­ров по указанным классификационным признакам приведена на рис. 1.1.

Единичные индикаторы (распространен также термин «свето-излучающие диоды» -- СИД) состоят из одного элемента отображения и предназначены в основном для представления информации в виде точки или другой геометрической фигуры.



Рис. 1.1. Классификация полупроводниковых знакооинтезирующих индикаторов


Шкальные индикаторы имеют элементы отображения в виде правильных прямоугольников и предназначены для отображения информации в виде уровней или значений величин. Отдельную группу шкальных индикаторов составляют так называемые ли­нейные формирователи изображения в высоконадежных опто-электронных регистраторах оперативной аэрокосмической ин­формации на фотопленку.

Цифровые индикаторы состоят, как правило, из элементов отображения в виде сегментов и предназначены для отображения цифровой информации и отдельных букв алфавита.

Буквенно-цифровые индикаторы предназначены для отобра­жения информации в виде букв, цифр, различных знаков. Еди­ничные элементы отображения таких индикаторов сгруппированы по строкам и столбцам.

Графические (матричные) индикаторы позволяют собирать модули из элементов экрана различного размера без потери шага. Графические индикаторы предназначены для отображения любой информации. Цифровые и буквенно-цифровые индикаторы бывают одно- и многоразрядные.

Под одноразрядным понимается индикатор, имеющий одно знакоместо, т. е. информационное поле индикатора или его часть, необходимая и достаточная для отображения одного знака. Многоразрядный индикатор имеет несколько фиксированных знакомест.

Цифровые, буквенно-цифровые, матричные и шкальные инди­каторы могут быть без управления и со встроенными схемами управления.

Для современных полупроводниковых индикаторов существу­ют две системы обозначения. Старая система в настоящее время не применяется для вновь разрабатываемых приборов, но, поскольку большое количество разработанных ранее прибо­ров имеют старую систему обозначения, необходимо ее пояснить.

Система состоит из букв и цифр.

Первый элемент обозначения указывает на вид материала излучателя: К — кремний у приборов широкого применения, 2 — кремний у приборов промышленного применения; А — соедине­ния галлия у приборов широкого применения, 3 — у приборов промышленного применения. Второй элемент обозначения (буква Л) — означает тип излучателя. Третий, четвертый и пятый элементы (цифры от 101 до 299) означают прибор видимого спектра излучения. Шестой элемент (буквы от А до Я) означает деление технологического типа на группы по параметрам.

Для всех приборов, кроме единичных, после буквы Л ставится буква С (сборка).

Пример обозначения: ЗЛ102А — фосфид-галлиевый единич­ный индикатор видимого спектра излучения, промышленного применения, технологическая группа А.

Старая система обозначения давала мало информации об индикаторе (характере отображаемой информации, цвете свечения, числе разрядов и т. д.), поэтому была разработана новая система обозначения для всех видов знакосинтезирующих инди­каторов.

Система состоит из восьми элементов (букв и цифр), обоз­начающих: первый элемент (буква И) — индикатор; второй (буква П) — полупроводниковый; третий — вид индикатора: единичный — Д, цифровой — Ц, буквенно-цифровой — В, шкаль­ный — Т, мнемонический — М, графический (матричный) — Г; четвертый элемент — номер разработки и наличие встроенной схемы управления или ее отсутствие (от 1 до 69 — без встроен­ного управления, от 70 до 99 — со встроенным управлением). Пятый элемент обозначения указывает классификационный параметр внутри данного типа (буквы от А до Я, кроме О, 3, Ы, Ь, Ч, Ш). Шестым элементом обозначения является дробь, в числителе которой указано количество разрядов, в знаменателе для цифровых (сегментных) — количество сегментов, для буквенно-цифровых и матричных — произведение числа элемен­тов в строке на число элементов в столбце. Для мнемонических и шкальных индикаторов в знаменателе указывается число элементов. Седьмой элемент обозначает цвет свечения индика­тора: К — красный, Л — зеленый, С — синий, Ж — желтый. Р — оранжевый, Г — голубой, КЛ — двухцветный красно-зеленый. Последний, восьмой, элемент обозначения указывает на моди­фикацию бескорпусных индикаторов. (Для бескорпусных ППИ наиболее распространена модификация 5 — с контактными пло­щадками без кристаллодержателя и выводов). Для индикаторов широкого применения перед первым элементом обозначения ставится буква К.

Примеры обозначения:

ИПД04А-К — индикатор полупроводниковый, единичный промышленного применения, номер разработки 4, классифика­ционный параметр А, цвет свечения — красный;

ИПЦ01А-1/7К — индикатор полупроводниковый цифровой промышленного применения, номер разработки 1, без встроен­ного управления, классификационный параметр А, одноразряд­ный, семисегментный, красного свечения;

КИПГОЗА-8Х8Л — индикатор широкого применения полу­проводниковый, графический, номер разработки 3, технологиче­ская группа А, число элементов 8 в строке и 8 в столбце (64 эле­мента), зеленого свечения;

ИПТ06Е-8Ж - — индикатор промышленного применения полу­проводниковый, шкальный, номер разработки 6, число элемен­тов 8, желтого свечения;

ИПВ70А-4/5Х7К — индикатор промышленного применения полупроводниковый, буквенно-цифровой со встроенным управ­лением, номер разработки 70, технологическая группа А, четы-

рехразрядный с числом элементов 5 в строке и 7 в столбце (35 элементов), красного свечения.

Вопросам конструкции и технологии производства ППИ посвящен ряд фундаментальных работ [1 — 4], поэтому в сле­дующих параграфах будут рассмотрены только те вопросы, которые необходимы для лучшего понимания последующего материала.


^ 1.1.1. Единичные полупроводниковые индикаторы


Современные единичные индикаторы по своему конструктив­ному исполнению можно разделить на три группы: в бескор­пусном исполнении, с полимерной герметизацией, в металлостек-лянных герметических корпусах.

Бескорпусные единичные индикаторы, самые малочисленные по номенклатуре, конструктивно выполнены в виде отдельного кристалла без какого-либо корпуса. Приборы находят примене­ние в герметизированной аппаратуре, а также как источник излучения в некоторых видах оптоэлектронных приборов. Широ­кого распространения бсскорпусные ППИ в системах индикации не получили. Единичные индикаторы с полимерной герметиза­цией — самые массовые типы ППИ. Широкое распространение этих индикаторов объясняется тем, что они имеют низкую стоимость, поскольку производство их легко поддается автома­тизации, высокие светотехнические параметры, достигнутые благодаря перераспределению прохождения света в корпусе, широкий диапазон диаграмм направленности.

Полимерная герметизация легко позволяет создавать приборы с самой разнообразной формой информационного поля (круглые, прямоугольные, треугольные, квадратные). Индикаторы с поли­мерной герметизацией обладают высокой устойчивостью к внеш­ним механическим воздействиям. Недостатками этих индикаторов является их критичность к воздействию влаги и циклическому изменению температуры окружающей среды.

Среди единичных индикаторов имеются приборы с перемен­ным цветом свечения (красный-зеленый) типов ЗЛС331А, АЛС331А. Первый прибор выполнен в герметичном корпусе, второй — в полимерном. Оба прибора разработаны на основе GaP на одном кристалле с двумя переходами [4]. Изменяя про­ходящий прямой ток, можно получить промежуточные цвета свечения.

Индикаторы в металлостеклянных герметичных корпусах при­меняются в промышленной аппаратуре там, где требуется высо­кая надежность и устойчивость к внешним климатическим и механическим воздействиям. Индикаторы изготовлены в спе­циальном металлостеклянном корпусе, сверху прибор герметизи­рован стеклянным окном, на которое нанесена полимерная по­лусферическая линза со светорассеивающим наполнителем.

Среди индикаторов этой группы интерес представляет при­бор ЗЛ360А, Б. Прибор изготовлен в стандартном металлостек­лянном корпусе.

Источником видимого излучения является антистоксовый люминофор, представляющий собой сложное соединение фтори­дов редкоземельных элементов, покрывающий источник ИК излучения на основе GaAs. Невидимое излучение ИК диода возбуждает люминофор, который излучает видимый зеленый свет.

Преимущества рассматриваемых приборов перед обычными в следующем: чистый зеленый цвет, не меняющийся в процессе длительной эксплуатации и при изменении температур, малое падение напряжения (1,2 — 1,7 В), примерно квадратичная зави­симость силы света от тока. Кроме того, прибор является также источником ИК-излучения с мощностью 0,2 мВт, что может найти применение в схемотехнике. Недостатками таких приборов яв­ляются сложность технологии изготовления и низкий КПД.


^ 1.1.2. Шкальные полупроводниковые индикаторы


Современные шкальные индикаторы (ШИ) по своему конст­руктивному исполнению можно разделить на индикаторы в бес­корпусном исполнении, с полимерной герметизацией без свето­провода, со светопроводом, в герметичных стеклокерамических корпусах.

Бескорпусные ШИ предназначены для работы в качестве линейных формирователей изображения в устройствах для запи­си информации на фоточувствительные материалы и в системах тепловидения.

Бескорпусные ШИ просты в производстве, можно монтиро­вать их в большие информационные массивы, осуществлять раз­личные принципы организации считывания информации. Конст­руктивно все они выполнены на одном кристалле, на котором сформированы излучающие элементы с размером поверхности от 30X30 мкм до 50X50 мкм. На кристалле имеются контактные площадки, необходимые для соединения ШИ со схемой.

Приборы с полимерной герметизацией без светопровода не получили широкого распространения и представлены в настоя­щее время одним прибором типа ЗЛС317А-Г/АЛС317А-Г красно­го и зеленого цветов свечения. Приборы позволяют осуществлять бесшовную стыковку.

Шкальные индикаторы со светопроводом — самый многочис­ленный и быстро развивающийся вид ШИ. Номенклатура совре­менных отечественных ШИ превышает 60 типов.

Индикаторы выполнены по гибридной технологии. В качестве основания использованы различные виды модификации металло-керамического держателя типа ДКИ. Выбор этого вида держате­ля важен и потому, что он позволяет внешней коммутацией выбирать любую схему под­ключения плавня (последо­вательную, параллельную или смешанную). Кристалл излучателя крепится к осно­ванию с помощью токопро-водящего клея. Крышка, яв­ляющаяся световодом, изго­тавливается из пластмассы ДАИФ.

Для увеличения контрастности у ряда шкал лицевая сторона световода окрашивается в черный цвет. Для уменьшения взаим­ной засветки сегментов боковые поверхности световода покры­ваются никелем. Металлизация уменьшает взаимную засветку, но одновременно несколько уменьшает силу света.

Все элементы прибора (держатель, кристалл, соединения и крышка со светопроводом) герметизируются в неразъемную мо­нолитную конструкцию оптически прозрачным рассеивающим компаундом. Для увеличения рассеивания света ряд конструкций лицевой стороны прибора покрыт продольными цилиндрическими микролинзами. Индикаторы выпускаются красного, зеленого и желтого цветов свечения. Все ШИ этого вида позволяют осуществлять бесшовную стыковку. Виды информационных полей шкальных индикаторов приведены на рис. 1.2.



Рис. 1.2. Вид информационных нолей шкальных индикаторов


Последней группой шкальных индикаторов являются приборы в герметичных стеклокерамических корпусах. Эти ШИ предназ­начены для применения там же, где используются бескорпусные ШИ, по требуется высокая надежность и механическая проч­ность. В качестве основания для таких ШИ взят стандартный керамический держатель. Кристалл крепится к держателю с по­мощью токопроводящего клея. Герметизация прибора осуществ­ляется плоским оптически прозрачным стеклом с помощью спе­циального клея.


4530351939544215.html
4530436272580371.html
4530536532254880.html
4530647658497207.html
4530762493393650.html