Свет, струящийся из полимеров

Несмотря на то, что технологии устройств отображения информации консервативны, это не означает, что альтернативы LCD нет. Обычные светодиоды, например, постепенно переходят на органическую основу.
Взгляните на современный топовый LCD-монитор или дисплей крутого мобильника: наверняка вы отметите четкость линий, богатство цветов.... И даже не пытайтесь разглядеть отдельный пиксель невооруженным глазом. Но, оказывается, путь к совершенству на текущих новинках не завершается, потому что разработчики находятся в постоянном поиске, процессе улучшения. В данном случае речь пойдет об уже реализованной перспективной альтернативе.
Принцип работы, физика
Для начала немного теории, а конкретно суть и принцип работы так называемого p-n-перехода. Устройство на первый взгляд предельно простое: состыкованные в одно целое части из полупроводникового материала, легированные различными примесями, с металлическими «затворами». Последние имеют контактные выводы для подачи напряжения. Одна из половинок подвергается внедрению определенных атомов, например бора или алюминия.
Эти химические элементы, обладающие свободными электронами, стремятся «утащить» у атома, например кремния, себе еще «е». Вторая часть - р-типа, но здесь механизм строго обратный: специально добавленные в кристаллическую решетку примеси делятся отрицательными частицами с кремнием.
На всякий случай напоминаю, что ток в p-n-переходе инициируется прикладыванием напряжения, поскольку в равновесном состоянии «е» не переходят границу. В реальности физика работы намного сложнее, ведь имеются утечки и прочие тонкости, мы их рассматривать не будем. Только скажем, что на принципе p-n-перехода основана работа базовых полупроводниковых деталей с нелинейной вольт-амперной характеристикой, они «открываются» при некоторой разности потенциалов и пропускают ток в одном направлении. Эти элементы - базовые кирпичики любой электроники.
Далее перейдем к теории процесса внутри только что описанной структуры. Соединили мы, значит, два разнородных кусочка, к примеру, из кремния. Свободные электроны стремятся в положительно заряженную область, «р», а положительные «дырки», «h», соответственно, в отрицательную область = «п». Представьте себе, например, тесный автобус, в котором много сидячих мест, а протиснуться на заднюю площадку, не заставляя людей вставать, невозможно. Если кому-то из пассажиров салона понадобилось выйти, он покидает салон через люк в крыше. Это - свободный электрон. На его месте появилась та самая «дырка» - пустое кресло. Оставшиеся в автобусе пассажиры, пересаживаясь на соседние кресла, поочередно заполняют образовавшуюся пустоту. А движение заряженных частиц и есть электрический ток.
По обе стороны от границы перехода формируется ОПЗ, область пространственного заряда, потому что «е», покидая исходное свое положение, оставляют положительно заряженные ионы в «п»-«половинке» полупроводника. Также близ раздела «р»-«п» в эту часть диффундируют «дырки» «h». Интересен тот факт, что накапливающиеся носители создают электрическое поле, препятствующее чрезмерному увеличению числа как «е», так и «п».
Чтобы вызвать ток, следует подать напряжение, к примеру, «плюс» к «р»-региону и «минус» к «п». В итоге «дырки» из «р» устремятся в «п», электроны - наоборот. Суть в том, что приложенный положительный заряд не позволяет «п» перетекать в «р». В итоге ОПЗ сужается, так как сокращается расстояние между «е» и «h», как следствие, уменьшается величина потенциального барьера. Иными словами, при росте внешнего напряжения, в описанном случае, называемого прямым смещением, все большее число носителей способно перейти границу. Таков принципиальный механизм работы p-n-перехода, за уточнениями и дополнениями при желании следует обратиться к специализированной литературе.
Но на повестке дня у нас OLED, он же органический светодиод, в основе работы которого лежит принцип электролюминесценции. Особый полупроводниковый материал находится между двумя электродами и излучает свет при пропускании электрического тока. Происходит это так: возбужденные электроны выделяют энергию при рекомбинации с «дырками» в виде порций света, называемых фотонами. Частицы «е» и «h» стремятся друг к другу благодаря электростатическому притяжению, причем последнее в случае протона и электрона примерно на сорок порядков сильнее их гравитационного взаимодействия. К слову, «дырками» называют отсутствующие, недостаточные для равновесия отрицательные частицы «е». По сути, это просто удобная для понимания договоренность, на самом деле неких положительных носителей заряда не существует.
Заметьте, что OLED и LED родственны по принципу действия - электролюминесценции, но в них применены разные материалы: основа первых - многослойная органическая структура, во вторых светится неорганический полупроводниковый кристалл. Технология допускает изготовление OLED-элементов в несколько слоев с целью увеличения числа актов рекомбинации электронов и «дырок» на единицу площади, соответственно, больше фотонов будет высвобождено, а значит, устройство становится мощнее, эффективнее. Что касается материалов, то для основы органического элемента в случае с OLED используют включающие в себя полимеры компаунды, устройство называют в таком случае Polymer LED. Данный тип светоизлучающего элемента не потребляет много энергии, иными словами, сила излучения света высока, можно даже изготовить цветной дисплей в виде тонкой гибкой пленки. Нанесение структуры на основу напоминает струйную печать и не требует вакуумного напыления.
Альтернативный метод заключается в использовании свойства малых молекул. К сожалению, применение термического нанесения на подложку стоит дорого и не позволяет работать на малой площади, поскольку обычно происходит осаждение материала из газообразной среды. Скорее всего потому, что невозможно эффективно ограничить желаемую область воздействия на подложку.
Классификация с иной точки зрения подразделяет OLED на устройства с пассивной или активной матрицей, последние называют AMOLED - наверняка вы уже встречались с данной аббревиатурой, хотя бы в рекламе. Технологически подразумевается управление каждым отдельным пикселем при помощи прослойки из массива TFT. Последние здесь играют роль «ключей» для размыкания или замыкания электрической цепи, иными словами - отключения или активации точки на дисплее. Над каждым элементом обычно «трудятся» два тонкопленочных транзистора. Один обеспечивает подачу достаточного напряжения для протекания постоянного тока через OLED-пиксель. Другой запускает или прекращает заряд конденсатора, он нужен для плавности переходного процесса, для того, чтобы избежать скачка яркости. В результате, применяя быстро переключающиеся MOSFET-транзисторы, мы можем изготовить матрицу с малым временем отклика. Пассивные структуры по ряду причин для вывода динамичной картинки не подходят.
Можно углубиться в теорию, но по данной теме написано множество книг, обзоров, и попытка уместить всю информацию в рамках статьи вряд ли имеет смысл. Советую вам обратиться к литературе по полупроводниковой технике и микроэлектронике, и вы не пожалеете о потраченном времени. Узнаете много нового!

Похожие записи:

Борис Эшкинд: важнее всего выключить свет

Преимущества технологии OLED

Запутанный свет