Файл: Прикладная электролюминесценция..pdf

Г л а в а 3

ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫИ КОНДЕНСАТОР КАК ИСТОЧНИК СВЕТА И ОСНОВНОЙ ЭЛЕМЕНТ ПРИБОРОВ НОВОГО ТИПА

3.1. ЭЛЕКТРО ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ КОНДЕНСАТОР КАК ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Классификация электролюминесцентных приборов по режимам работы

Главным элементом всех электролюминесцентных устройств является электролюминесцентный конденса­ тор (ЭЛК). Он представляет собой плоский конденса­ тор (рис. 3.1), у которого один электрод прозрачен. Форма электродов может быть разнообразной: узкие

полоски, образующие плоскую I f f f 1 двумерную матрицу; фигурные электроды, образующие в раз­ личных сочетаниях знаки или цифры; электроды в виде букв

ицелых надписей и т. д. Основ­

Рис. ЗА. Схематическое ное назначение электролюми­

та, например светильников, подсветки шкал, световых указателей и т. п. Однако значительно более интерес­ ным и перспективным является применение таких при­ боров для преобразования электрических и других сиг­ налов в световые. В этом случае ЭЛК должен опреде­ ленным образом реагировать на амплитуду, частоту, форму и скважность воздействующего на него электри­ ческого сигнала,

104

В зависимости от характера поступающего на ЭЛК сигнала, возбуждающего свечение, электролюминесцентные приборы можно разделить на следующие две боль­ шие группы.

-К первой группе относятся устройства, в которых все участки электролюминесцентного слоя или элемен­ тарные ЭЛК возбуждаются одновременно и излучают свет в течение всего периода работы. К таким устрой­ ствам кроме источников света относятся также усили­ тели и преобразователи изображения, которые осуще­ ствляют преобразование типа входной световой поток — электрический сигнал — выходной световой поток. К этой группе также относятся многоканальные устройства, в которых возбуждение элементарных ЭЛК происходит по независимым каналам, допускающим их одновре­ менное возбуждение, как это обычно и делается в та­ ких устройствах. Для всех приборов этой группы наи­ более эффективным является-возбуждение синусоидаль­ ным напряжением, позволяющим изменять в широких пределах частоту и амплитуду, определяющие яркость (иногда цвет) свечения ЭЛК. Кроме того, формирова­ ние синусоидального напряжения наиболее экономично с энергетической точки зрения. Такой способ возбужде­ ния обеспечивает получение в приборах этой группы практически любой требуемой яркости свечения, дости­ жимой с помощью электролюминесценции.

Ко второй группе относятся устройства, имеющие поочередное возбуждение элементарных ЭЛК, осущест­ вляемое так, что повторное возбуждение каждого ЭЛК происходит после возбуждения группы,остальных ЭЛК устройства. Примерами таких устройств являются теле­ визионные и радиолокационные приборы, некоторые ин­ дикаторные экраны, в том числе знаковые, запоминаю­ щие устройства и другие приборы. В соответствии с принципом работы устройств этой группы возбужде­ ние ЭЛК в них носит импульсный характер, причем фор­ ма импульсов, их частота и амплитуда могут широко изменяться. Поскольку в этих устройствах каждая ячей­ ка возбуждается непродолжительное время, трудно по­ лучить достаточную среднюю яркость их свечения. Для решения этой проблемы оказывается необходимым вве­ дение в устройства дополнительных элементов со спе­ циальными свойствами и значительное усложнение внешних управляющих устройств.

105

Эквивалентные схемы

Импеданс ЭЛК определяется главным образом егб емкостью. Однако поглощение энергии в нём таково, что даже в простейшем случае его нередко приходится рассматривать как емкость с параллельно присоединен­ ным сопротивлением утечки. Необходимо отметить так­ же, что свойства ЭЛК зависят от приложенного напря­ жения, а также предыстории. Поэтому его приходится рассматривать как нелинейный элемент цепи. Особенно

•сильно зависит от напряжения сопротивление утечки. Его уменьшение с ростом возбуждающего напряжения объясняется увеличением концентрации свободных но­ сителей заряда под влиянием возбуждения.

Если возбуждающее напряжение синусоидально и не слишком велико, ток через ЭЛК довольно точно опи­ сывается синусоидой, при этом емкость и сопротивление электролюминесцентного конденсатора можно считать постоянными во времени, но зависящими от амплитуды приложенного напряжения и его частоты. Это сильно упрощает расчеты схем, в которых применяется ЭЛКПри больших возбуждающих напряжениях, однако, от­ клонения тока от синусоидальной формы становятся весьма заметными: амплитуда второй и третьей гармо­ ник может составить десятки процентов от амплитуды основной частоты. Как указывалось выше, ЭЛК как эле­ мент электрической цепи в простейшем случае может быть представлен эквивалентной схемой, состоящей из параллельно соединенных конденсатора и активного ре­ зистора (сопротивление электродов R мало).

Импеданс такой цепи может быть описан с помощью

i

где е' действительная, а г"-— мнимая части комплекс­ ной диэлектрической проницаемости. Величина « не остается постоянной при изменении режимов возбужде­ ния ЭЛК, обе составляющие е возрастают при умень­ шении частоты и амплитуды приложенного напряжения. Однако в звуковом диапазоне частот при обычной ве­ личине возбуждающего напряжения емкостная проводи­ мость значительно превосходит активную составляющую, а ЭЛК без опасения внести существенные ошибки в рас­ четы схем нередко может быть представлен эквива-

106

лентной емкостью. В табл. 3.1 для примера приведены некоторые характеристики типичных ЭЛК с люминофо­ ром ЭЛ-510.

Т а б л и ц а 3.1

Характеристики ЭЛК

Активная проводимость ЭЛК особенно сказывается на низких частотах возбуждения и высоких возбуждаю­ щих напряжениях. Необходимо учитывать также нели­ нейность активной составляющей.

Большинство авторов для описания свойств ЭЛК предлагало использовать эквивалентные схемы с линей­ ными компонентами [2—4]. Простейшая схема содержит три элемента (рис. 3.2,а). Так нелинейные схемы по­ зволяют получить результаты, качественно соответст­ вующие опыту. Они пригодны для расчета перераспре­ деления напряжения, приложенного к слою электролю­ минофора, защитным слоям, электродам.

В ряде случаев целесообразно использовать линей­

исходных веществ (люминофоры, связующие вещества), полученным при независимых измерениях на однород­

в матричном экране), на слое электролюминофора па­ дает лишь часть напряжения, приложенного к конден­ сатору, причем эта часть тем меньше, чем дальше от контакта удалена рассматриваемая точка. В этом* слу­ чае свойства ЭЛК хорошо описываются эквивалентной схемой, представленной на рис. 3.2,в. В любой момент времени вдоль длинного электрода будет существовать заметный градиент потенциала (в особенности при вы-

107

соких частотах возбуждающего напряжения), а следо­ вательно, и градиент яркости. Расчет распределения электрического поля в такой системе приведен в рабо­ те [2].

Для получения лучшего количественного совпадения расчетных данных с экспериментальными простейшие линейные эквивалентные схемы усложняются введением параметрических зависимостей их элементов от условий возбуждения. Так, схема рис. 3.2,а осложняется тем, что

Рис. 3.2. Эквивалентные схемы ЭЛК:

а) Яэл, Сэл — активное сопротивление и емкость гетерогенного слоя; R — со­

противление электродов; б) R], Ci — активное сопротивление и емкость элек­ тролюминофора; i?2, С*2 — активное сопротивление и емкость связующего веще­

электродов.

только две ее составляющие — сопротивление электродов R и емкость Сэл слоя электролюминофора считают­ ся независимыми от частоты. Активное сопротивление этого слоя Дэл принимается зависящим от частоты воз­ буждения f по закону

108

Таким образом, в последней формуле активное со­ противление слоя электролюминофора складывается из двух частей: первая, характеризуемая частотной зави­ симостью, интерпретируется как сопротивление барье­ ров,- вторая (Roо), не зависящая от частоты, — как со­ противление объема. Такие параметрические схемы по существу не являются нелинейными, так как в них не­ линейность вольт-амперных характеристик не учитывает­ ся. Их можно рассматривать как набор линейных схем, каждая из которых применяется в определенном ча­ стотном диапазоне.

Нелинейные эквивалентные схемы более детально описывают процессы, происходящие в ЭЛК, чем линей­ ные схемы. Однако они более сложны, требуют громозд­ ких расчетов, и поэтому такие схемы непригодны для расчета электрических цепей, содержащих несколько ЭЛК. Примером нелинейной эквивалентной схемы ЭЛК [3] может служить схема, в которой учтен барьерный характер прохождения тока через кристаллы в ЭЛК (рис. 3.2,г). С помощью данной эквивалентной схемы можно объяснить большой круг явлений. В некоторых случаях схему можно упростить, исключив /?дi и RR2,

учитывая, что обычно Rai<^Ri и Rj$^>Ri- Для анализа сложных цепей ЭЛК предлагалось задавать их вольтамперные характеристики с помощью аналитических вы­ ражений. Это позволяет рассматривать активное сопро­ тивление с вольт-амперной характеристикой в явном виде и применять для расчета схем, содержащих ЭЛК, методы анализа нелинейных цепей [4].

Активные утечки

Нелинейная связь между током и напряжением в ЭЛК хорошо видна из вольт-амперной характеристи­ ки. При снятии вольт-амперной характеристики не­ обходимо учитывать комплексный характер проводимо­ сти ЭЛК путем компенсации емкостной составляющей тока.

Типичный вид вольт-амперной характеристики пред­ ставлен на рис. 3.3. Гистерезис характеристики, снятой на переменном токе, объясняется несовпадением фазы1 активного тока с фазой приложенной} напряжения. Вольт-амперной характеристикой описываются свойства слоя электролюминофора в целом, а не свойства актив-'

109

В некоторых случаях для описания вольт-амперной характеристики удобно пользоваться выражением ти­ па (2.3):

где величина и медленно и непрерывно возрастает с ро­ стом U, оставаясь меньше четырех.

Выпрямляющие свойства

Для всех ЭЛК характерно возникновение постоянно­ го тока, протекающего через конденсатор при возбужде­ нии его симметричным синусоидальным напряжением. Появление выпрямленного тока можно рассматривать как результат несимметричности вольт-амперной харак­ теристики активных токов (рис. 3.3,а). Причина этой несимметричности заключается в том, что частицы суль­ фида цинка имеют неправильную форму с острыми угла­ ми и выступами. На таких выступах происходит концен­ трация поля, и если здесь же расположен барьер, то он работает в условиях повышенного поля: к концентрации поля в барьерах прибавляется концентрация поля на остриях. Каждый барьер пропускает ток в одном на­ правлении, делая вклад в одну из ветвей вольт-ампер­ ной характеристики. Если барьер расположен в плоской части кристалла электролюминофора, то ток через него будет меньше, так как поле в нем ниже.

Таким образом, обе ветви будут симметричны только в том случае, когда кристаллы электролюминофора рас­ положены совершенно хаотически. В работе [2] показано, что в процессе изготовления ЭЛК сила тяжести ориен­ тирует определенным образом каждый кристалл. Напри­ мер, острые углы могут ориентироваться в сторону одно­ го электрода, создавая преимущественно выпрямленный ток в одном направлении. Кроме того, из-за инерцион­ ности рекомбинации неравновесных носителей заряда вольт-амперная характеристика ЭЛК имеет заметный гистерезис при переменном напряжении (рис. 3.3,6).

Эквивалентная схема (рис. 3.2,г), в которой учиты­ вается барьерный характер прохождения тока через кристаллы в ЭЛК, моделирует также выпрямляющее действие ЭЛК, если предположить, что характеристики диодов Д \ и Дг несколько различны. Полярность выпрям­ ленных токов такова, что диод, эквивалентный двум

111