Введение. Низковольтные вакуумные катодолюминесцентные индикаторы (ВЛИ) находят широкое применение в средствах отображения информации

Низковольтные вакуумные катодолюминесцентные индикаторы (ВЛИ) находят широкое применение в средствах отображения информации. ВЛИ используется в цифровых, буквенно-цифровых, аналоговых и мнемонических дисплеях в ЭВМ, электронных часах, диспетчерских пультах АСУ, транспортных устройствах, телевизорах, видеомагнитофонах и другой радиоэлектронной аппаратуре. Важным свойством ВЛИ является их высокая долговечность (более 100000 часов).

Простейшие представители ВЛИ – вакуумные триоды. На рис. 1, в качестве примера, показана типичная конструкция цилиндрического одноразрядного ВЛИ, используемого в данной лабораторной работе.

Источником электронов, возбуждающих катодолюминесценцию (люминесценция, возникающая при возбуждении вещества потоками электронов, ускоренных во внешнем электрическом поле), служит прямонакальный оксидный катод (1). Элемент информационного поля индикатора – анод (2) расположен на керамической или стеклянной плате (3) и покрыт слоем катодолюминофора.

Для управления индикатором напряжение через выводы (4) подаётся только на те сегменты анода, которые формируют требуемое изображение (незадействованные сегменты имеют потенциал катода). Внутри стеклянного баллона (5), содержащего всю конструкцию, имеется активный газопоглотитель, поддерживающий высокий вакуум. Стенки баллона покрыты прозрачным токопроводящим слоем, который экранирует поток электронов от воздействия внешних электрических полей.

Между катодом и анодом расположена положительно заряженная сетка (6), которая рассасывает пространственный заряд у катода (появившийся вследствие термоэлектронной эмиссии) и формирует электронный поток. В случае необходимости сетка может управлять электронным потоком.

Индикаторы такого типа (рис. 1) называются низковольтными, так как энергия электронов, возбуждающих свечение люминофора, сравнительно невелика и не превышает десятков электрон-вольт.

Как уже упоминалось, в ВЛИ, для увеличения долговечности прибора и избежания побочной засветки индикатора, используются оксидные катоды, позволяющие поддерживать относительно низкую температуру катода (T» 900 ¸ 1000 К). В таких катодах на основание из никеля или вольфрама обычно наносится смесь оксидов щелочноземельных металлов – бария, кальция и стронция.

У оксидного катода термоэлектронная эмиссия происходит главным образом из атомов бария. При этом перекал катода усиливает испарение бария и снижает выход электронов. В этом плане подбирают оптимальные напряжения накала катода.

Возбуждение катодолюминофора в основном сводится к перебросу электронов из валентной зоны в свободную зону (рис. 2, переход 1).

Рекомбинация свободных электронов и дырок может сопровождаться рождением квантов света (люминесценцией). При этом при встрече с центром люминесценции сначала на нем локализуется один из носителей заряда, например дырка (переход 2), а затем другой – электрон (переход 3).

Именно на последнем этапе в результате воссоединения зарядов имеет место люминесцентное испускание света.

Может наблюдаться и безызлучательная рекомбинация на так называемых центрах тушения (переходы 4, 5). В этом случае освобождающаяся энергия в виде фотонов передаётся кристаллической решетке люминофора (нагрев кристалла).

Возврат возбужденной системы в равновесное состояние происходит поэтапно. Сначала генерируемые электроны и дырки термолизуются (переход 6), переходя к краям соответствующих зон и отдавая избыточную энергию кристаллической решетке (время релаксации» 10^-12 с).

После этого развивается процесс рекомбинации, который, в отсутствии ловушек для электронов и дырок, происходит также довольно быстро и заканчивается за время примерно равное 10^-8 с.

Рассмотрим в общих чертах механизм образования электронных возбуждений в люминофоре, поскольку он определяет как эффективность катодолюминесценции, так и потенциал начала свечения индикатора. При возбуждении катодолюминофора часть первичных электронов, падающих на его поверхность, испытывает упругое или неупругое отражение, а оставшаяся часть проникает внутрь слоя (глубина проникновения тем больше, чем выше значение кинетической энергии электронов).

Кинетическая энергия при торможении электронов теряется на создание элементарных возбуждений кристаллической решетки типа экситонов, электронно-дырочных пар, плазмонов (коллективных колебаний свободных электронов) и т.д.

Заметим, что целостная картина катодовозбуждения очень сложна и требует изучения в специальной литературе. В качестве одного из дополнений, характерного для низковольтной люминесценции, можно указать на дифракцию электронов на атомах кристаллической решетки.

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

L ~ j× (U - U_п)ⁿ,

где Uп – пороговое напряжение, соответствующее началу свечения люминофора; n» 0, 8¸ 1, 5. При исследовании ВЛИ обычно обнаруживается область линейности L ~ j× U, которая часто используется при подключении индикатора.

Возникновение порогового напряжения объясняется наличием потенциального барьера у поверхности катодолюминофора, связанного с появлением поверхностного заряда, который отталкивает первичные электроны.

В этом плане стараются приготовить катодолюминофор с повышенной электропроводностью, чтобы рассосать скапливающиеся у поверхности электроны (Uп снижается до единиц вольт).

При построении зависимости эффективности катодолюми-несценции h = L / jU (в данном случае L – яркость излучения с единицы площади) от U можно зафиксировать эквидистантную структуру (серию пиков, разделённых равным интервалом напряжений ∆ U, рис. 3).

Обнаруженные максимумы объясняются дискретным характером энергии на рождение электронно-дырочных пар (перевод электронов из валентной в свободную зону), а значение произведения e∆ U (е – заряд электрона) позволяет оценить ширину запрещенной зоны материала люминофора.