5.2.1. Вакуумные люминесцентные приборы

В основе работы приборов этого типа лежит явление катодолюминесценции, возникающей при возбуждении люминофора ускоренными электронами. Если энергия электронов сравнительно невелика (до нескольких десятков электрон-вольт), то говорят о низковольтной катодолюминесценции, которая используется в вакуумных люминесцентных индикаторах. Катодолюминесценция, возникающая в электронно-лучевых трубках, характеризуется гораздо большей энергией электронных пучков (десятки килоэлектрон-вольт).

При облучении люминофора часть первичных электронов, попадающих на поверхность кристаллов, испытывает упругое или неупругое отражение, другая часть проникает в глубь люминофора на некоторую глубину, тем большую, чем больше их кинетическая энергия. Эта энергия расходуется на создание элементарных возбуждений кристаллической решетки—экситонов, электронно-дырочных пар, плазмонов (коллективных колебаний свободных электронов) и т. д., которые, мигрируя по кристаллу, могут возбуждать центры свечения. Кроме того, электроны больших энергий могут ионизировать атомы, выбивая на своем пути вторичные электроны, способные также принять участие в создании элементарных возбуждений решетки. В результате область, в которой происходит миграция экситонов и электронно-дырочных пар, а также возникает люминесценция, оказывается заметно шире области, в которую проникают электроны из падающего луча.

Зависимость яркости катодолюминесцентных устройств от условий возбуждения (плотности тока j электронного пучка и ускоряющего напряжения U) описывается соотношением

(5.3)

где Uп — пороговое напряжение, при котором начинается свечение люминофора; δ — коэффициент, зависящий как от свойств самого люминофора, так и от U. Обычно δ уменьшается с увеличением U от δ≈1,5 яй 1,5 до δ≈0,8, причем в случае низковольтной катодолюминесценции с хорошей точностью можно считать, что δ = 1.

Наличие порогового напряжения Uп вызвано возникновением потенциального барьера у поверхности зерен люминофора, связанного с появлением поверхностного заряда, который отталкивает первичные электроны. Стабильную катодолюминесценцию удается получить только при таких ускоряющих напряжениях, когда число вторичных электронов, выбиваемых из кристалла и уносящих избыток заряда, становится равным числу первичных, проникающих в глубь люминофора. У материалов, составляющих группу высоковольтных катодолюми-нофоров, Uп составляет обычно сотни вольт; в результате ускоряющее напряжение U оказывается очень высоким (5—50 кВ), что является одним из основных недостатков приборов, в которых используют такие люминофоры. Люминофоры, используемые в низковольтных катодолюминесцентных индикаторах, обладают повышенной электропроводностью, в результате заряд, скапливающийся у их поверхности, оказывается меньше, и UB снижается до единиц вольт.

Зависимость яркости катодолюминесценции от плотности тока возбуждающих электронов линейна в широком диапазоне значений j. При больших плотностях возбуждения, однако, эта зависимость выходит на насыщение, что может быть обусловлено насыщением центров свечения, увеличением тормозящего поля, создаваемого заряженной поверхностью люминофора, а также температурным тушением (при увеличении j температура бомбардируемого электронами кристалла возрастает). Одновременно начинает падать энергетический выход— все большая часть подводимой энергии уходит в теплоту. Практически яркость свечения катодолюминесцентных устройств не превышает 200—700 кд/м2, при этом рабочий диапазон изменения плотности тока составляет 0,5— 20000 мкА/см2.

Основные потери энергии при катодолюминесценции связаны с тем, что возникающие в люминофоре горячие электроны и дырки быстро (за 1·10–12 с) теряют часть энергии, превращаясь в обычные тепловые электроны зоны проводимости и дырки валентной зоны. Доля энергии, переходящей при этом в тепловые колебания решетки, довольно велика и составляет 65—70% от всей энергии. Таким образом, энергетический выход катодолюминесценции вряд ли может превышать ηе=0,35; реально достижимые значения ηе составляют 0,2—0,25 (люминофор ZnS:Cu).

Типичная зависимость энергетического выхода катодолюминесценции от ускоряющего напряжения приведена на рис. 5.2. Пока напряжения малы, функция ηе(U) растет с увеличением U—все большее число электронов достигает люминофора, преодолевая отталкивающее воздействие зарядов на его поверхности. Однако начиная с некоторого значения U подъем функции ηе(U) сменяется спадом—энергия электронов, падающих на люминофор, расходуется на создание большего числа горячих электронов и дырок, а значит, возрастают и тепловые потери энергии.

Подпись: Рис. 5.2. Зависимость энергетического выхода ηе катодолюми-нофора зеленого цвета свечения от ускоряющего напряжения U   для   различных   плотностей   тока j электронного пучка:
1—j=5 мкА/см2; 2—10 мкА/см2; 3—20 мкА/см2

Яркость, энергетический выход, цвет свечения зависят от химического состава люминофора. В качестве примера можно привести некоторые из тех, которые выпускаются для цветных телевизионных кинескопов: люминофоры на основе ZnS:Ag (цвет свечения синий), ZnCdS:Си, А1 (цвет свечения зеленый), Y2O3: Еu (цвет свечения красный). Яркость свечения соответствующих устройств составляет 50—300 кд/м2. В вакуумных люминесцентных индикаторах используют кристаллофосфоры на основе оксида и сульфида цинка (ZnO:Zn, ZnS:Ag, ZnS:Cu+ZnO) диоксида олова (SnO2:Eu), смесь SnO2 и Y2O3S: Еu, а также некоторые другие. Эти люминофоры характеризуются низким потенциалом начала катодолюминесценции (для ZnS он равен 6—7 В, для ZnCdS — 4—5 В), поэтому общее напряжение, прикладываемое к таким индикаторам, не превышает 50—70 В. Яркость при этом может быть довольно велика (до 1000 кд/м2).

От состава люминофора зависит и время послесвечения устройства: оно может составлять от 1·10–5с до нескольких минут (у электронно-лучевых трубок с длительным послесвечением, используемых в запоминающих осциллографах).

Подпись: Рис. 5.3. Устройство   вакуумного  люминесцентного   индикатора:
1—катод,  2—сетка, 3 — экран; 4 —подложка, 5—люминофор; 6 — аноды

Принципиальная схема вакуумного люминесцентного индикатора представлена на рис.5.3. Такой индикатор, по сути, является вакуумным диодом или триодом, причем функции анода выполняют несколько электродов, покрытых люминофором. Электроны, вылетая с катода 1, имеющего температуру 900—1000 К, ускоряются электрическим полем сетки 2 и сегментов анода 6. Достигая этих сегментов, электроны возбуждают люминофор 5, вызывая его свечение.

Для управления индикатором напряжение подается лишь на те сегменты анода, которые формируют требуемое изображение. Остальные сегменты находятся под тем же напряжением, что и катод; электроны, отражаясь от них, попадают на экран 3, соединенный с сеткой. На этот же экран попадает та часть электронов, которая не достигает положительно заряженных сегментов анода.

Сетка 2 необходима для того, чтобы поток электронов в области анода был более равномерным, ее потенциал обычно равен потенциалу анода. В исходном состоянии, когда управляющее напряжение не подано, для предотвращения нежелательного свечения сетка имеет отрицательный потенциал на несколько вольт ниже, чем катод. Всю систему электродов вместе с подложкой 4 помещают в вакуумированный стеклянный баллон.

Применение в вакуумных люминесцентных индикаторах катодолюминофоров разных типов позволяет получать свечение от синей (ZnS:Ag + In2O3) до красной (ZnCdS:Ag + In2O3) областей спектра. У некоторых люминофоров спектр излучения оказывается зависящим от ускоряющего напряжения — при больших энергиях первичных электронов возбуждаются более глубокие центры свечения. Так, при увеличении анодного напряжения от 20 до 60 В цвет свечения индикаторов с SnO2:Eu и ZnS: Cl, Ag — люминофорами меняется от оранжевого до желто-зеленого. На практике наибольшее распространение получил сравнительно дешевый люминофор на основе ZnO:Zn, дающий интенсивное излучение в сине-зеленой области спектра (максимум спектра соответствует длине волны 510 нм). Применение специально подобранных светофильтров позволяет несколько, разнообразить цвет свечения таких индикаторов.

Существуют различные типы вакуумных люминесцентных индикаторов: одно- и многоразрядные, сегментные, матричные, аналоговые и т. д. Широкое применение вакуумных люминесцентных индикаторов обусловлено их значительным—до 1·104 ч — сроком службы и довольно высоким (1·10–3 с) быстродействием. Объединив большое число многоразрядных индикаторов, удается получать экраны для отображения информации, которые к тому же могут быть многоцветными. К числу недостатков вакуумных люминесцентных индикаторов следует отнести невысокую контрастность (что особенно сказывается при больших уровнях внешней освещенности), ограниченный угол обзора и — несмотря на отмеченные выше успешные разработки в этой области — трудность получения достаточно яркого свечения синего, желтого и красного цветов.

Устройства, использующие явление катодолюминесценции, возбуждаемой электронами энергий в несколько килоэлектронвольт, принадлежат классу электровакуумных приборов, работа которых основана на формировании изображения одним или несколькими электронными пучками (лучами). Интенсивность и пространственное положение лучей задаются при помощи специальных систем управления. Среди общей массы приборов этого типа доминирующее положение занимают электронно-лучевые трубки, общим достоинством которых являются высокая (10—25 лм/Вт) световая отдача (отношение излучаемого светового потока к потребляемой мощности), простота адресации, хорошие яркость (до 300 кд/м2) и контрастность изображения, возможность широкой передачи полутонов и цвета. Основными недостатками устройств этого типа являются необходимость включения в состав соответствующих схем управления источников высокого напряжения, а также их значительные габариты. Не прекращаются активные попытки разработки плоских электронно-лучевых приборов; все они, однако, находятся в стадии совершенствования и пока не могут составить серьезной конкуренции электронно-лучевым трубкам обычным типов.

Введение в оптоэлектронику


*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.