Technologie výroby aktivních světelných polovodičových prvků

Technologie výroby aktivních světelných polovodičových prvků
(princip činnosti)

Mezi tyto součástky patří LED diody, segmentové displeje, což jsou vlastně modifikace LED diod a LCD displeje.

LCD displeje

LCD displeje mají počátek v roce 1888, kdy rakouský botanik Friedrich Reinitzer objevil zvláštní vlastnosti kapalných krystalů. Teprve v roce 1973 se objevil první výrobek využívající tyto vlastnosti. Byl to elektronický kalkulátor s digitálním displejem.

Mezi již zmiňované vlastnosti kapalných krystalů patří:
Schopnost natočit se vlivem elektrostatického pole do směru, shodným se směrem tohoto pole.
Jestliže toto elektrostatické pole zanikne, začnou se uspořádávat rovnoběžně vedle sebe. Tento úkaz se dá řídit, pokud se do podkladu vyrobí vrstva jemných drážek. Ty způsobí uspořádání přiléhající vrstvy krystalů podle nich.
Vrstva krystalů dokáže filtrovat světelné záření, čili se chová jako polarizátor- dokáže odfiltrovat veškeré světelné vlny kromě těch, jejichž roviny kmitání jsou orientovány určitým směrem. Při zkroucení krystalů ve vrstvě dojde ke změně směru těchto vln a vynoří se na druhé straně vrstvy s jinou orientací.

Dohromady tyto vlastnosti umožňují, aby se kapalné krystaly použily jako přepínač- buňka- který může buď světlo propustit nebo zastavit. Horní a dolní povrchy buňky se opatřují drobnými drážkami způsobujícími rovnoběžné seřazení molekul na ně přiléhajících. Natočení těchto drážek v obou površích je pod určitým úhlem, který stojí u zrodu snahy krystalů natočit se souhlasně s oběma vrstvami drážek. Díky tomu se krystaly mírně natočí a vytvoří vrstvu spirálovitých krystalů schopnou stáčet procházející světlo.

Při působení elektrostatického pole se molekuly natočí, jak již bylo zmíněno, do směru tohoto pole. Důsledkem je možnost řízení průchodu světla přes vrstvu.

LCD displeje s pasivní maticí

Název vyplívá z funkce celé konstrukce. Ta umožňuje zapínat a vypínat buňky obsahující kapalné krystaly.

Jednotlivé buňky s kapalnými krystaly jsou vloženy mezi dvě sady elektrod. Elektrody na spodní straně svírají s elektrodami horní vrstvy úhel 90 . V důsledku toho aktivace jedné řady a jednoho sloupce způsobí aktivaci jedné buňky, ležící v obou skupinách buněk. Nejprve se vybírá řádek a poté sloupec. Tento systém je relativně jednoduchý na výrobu a tím i levný. Jeho nevýhodou však ale zůstává fakt, že při přivedení příliš velkého napětí na buňku dojde k rozsvícení okolních buněk a vzniknou tzv. duchové. Naopak, při malém napětí se buňky rozsvěcují pomalu, kontrast se snižuje a při pohyblivých scénách se ztrácejí detaily. Hlavní nedostatek reprezentuje dlouhá doba odezvy, která sice postačovala pro displeje s malou hustotou informace, ale pro počítačové zobrazovače nikoli. Doba odezvy- čas potřebný ke vzniku a vymazání obrazu.

Displeje se zkroucenými nematickými krystaly

Displeje se super zkroucenými nematickými krystaly dosahují většího zkroucení odlišným chemickým složením. Obraz se viditelně zlepšil při zkroucení o 180 nebo 270 .

I když větší zkroucení způsobuje větší polarizaci, může také zabarvit procházející světlo. Kvůli tomu byly displeje první laptopů charakteristicky namodralé či nažloutlé. Proto se začal používat DSTN (dvojitý displej se super zkroucenými nematickými krystaly) panel, který tento problém řeší položením dvou LCD vrstev na sebe. Jednotlivé LCD displeje jsou zkrouceny na opačnou stranu. DCTN displeje jsou bohužel obtížněji vyrobitelné a hlavně pohlcují více světla(2xLCD).

Jednodušší řešení spočívá v přidání kompenzačních filtrů pro zeslabení zbarvujících efektů.

Konečné zlepšení pasivních matic představuje konstrukce s dvojím vykreslováním, jež panel rozděluje vodorovně na dvě poloviny. To způsobuje častější vykreslování jednotlivých LCD buněk, jelikož se obě poloviny vykreslují současně. Klesá tak doba odezvy, zlepšuje se kontrast a kvalita barev.

LCD displeje s aktivní maticí

Tak jako panely s pasivní maticí mají LCD displeje s aktivní maticí elektrody vyrobené z oxidu india a cínu, uspořádané do řádek a sloupců na vnitřní straně horního a dolního povrchu. Rozdíl spočívá v tom, že se napětí vypíná a zapíná pro každou buňku zvlášť, díky miniaturnímu tranzistoru. Tranzistory se vyrábějí přímo na substrátu panelu s použitím tenkých vrstev materiálu. Z toho vzniklo další časté označení těchto displejů: TFT (thin-film transistor – s tenkovrstvými tranzistory) LCD displeje.

Tranzistory dokážou buňky zapínat a vypínat rychleji než pasivní matice – a s méně elektrickými přeslechy. Může se používat větší napětí, což zamezí duchům nebo proužkování, poskytuje to vyšší kontrast a ostřejší nebo jasnější obraz jak barevný, tak monochromatický.

Narozdíl od LCD displejů katodové monitory a televizory vytvářejí své obrázky luminofory uvnitř skleněné obrazovky. Světlo se vysílá více méně všemi směry z povrchu luminiscenční vrstvy. V důsledku toho jde pozorovat obraz z řady různých úhlů se zanedbatelnými ztrátami jasu a čistoty.

LCD displeje však používají pro vytvoření obrazu silné podsvícení, které prosvítí vrstvu kapalných krystalů (a polarizačních filtrů a dalších vrstev). Vystupující světlo je tedy velmi silně usměrněné.

Výrobci tento problém řeší mechanicky nanesením rozptylujícího filtru na horní vrstvu. Stejný problém se dá řešit též elektricky působením polarizačního elektrostatického pole ze strany na stranu místo shora dolů, což poskytuje větší vodorovný pozorovací úhel, avšak svislý pozorovací úhel stále zůstává omezený.

Jako dodatečné řešení mohou výrobci rozdělit buňky kapalných krystalů do více oblastí (multidoménová technologie) a substrát předem zorientovat do různých směrů, aby se molekuly řadily různými způsoby. Vysílané světlo se pak šíří těmito různými směry a dosáhne se tak většího pozorovacího úhlu.

Katodové monitory umí vytvářet skoro neomezenou škálu barev, protože jde o analogová zařízení. Změní-li se síla červeného, zeleného nebo modrého analogového signálu, mění se také výstupní jas dané barvy. LCD buňky rovněž mění jas podle přiloženého napětí, avšak pouze panely s aktivní maticí nám propůjčují možnost řídit ho po jednotlivých pixelech. Každý subpixel LCD panelu se používá k vysílání červeného, zeleného nebo modrého světla díky miniaturním barevným filtrům. Subpixely zastavují či propouštějí různá množství světla do filtrů. Běžný panel užívá osmibitový řadič, což může vytvořit 256 odstínů. Dokáže-li každý subpixel odlišit 256 odstínů, dostaneme 16777216 barev na každý pixel. Dokonce ani tato 24bitová barevná hloubka nemusí být ideální, protože lidské oko vnímá barvy nelineárně. Konstruktéři LCD displejů proto rozdělují přikládaná napětí do nestejných intervalů, aby barvy vypadaly stejnorodější.
Konstruktéři též používají pro širší barevnou škálu řízení snímkové frekvence (FRC – frame rate control) neboli časové rastrování. Tato metody obnovuje pixely několikrát během jednoho snímku. Místo využívání plochy několika obrazových bodů k zobrazení kombinace odstínů (jako při rastrování barev) tato metoda užívá k míchání odstínů čas. Pokud by se čas strávený zobrazováním jednoho obrázku rozdělil do několika po sobě následujících dílčích snímků, pixel by v těchto snímcích dal přepnout mezi tmavším a světlejší odstínem pro vytvoření přechodového odstínu. Čtyři dílčí snímky mohou takto poskytnou tři nové přechodové odstíny. Toto řešení nesnižuje rozlišení obrazu a široce se využívá v dnešních panelech s aktivní maticí.

LCD displeje mají zřejmou nevýhodu proti katodovým monitorům při zobrazování rychle se pohybujících obrázků, jako jsou například posouvající se objekty. Čas, který potřebuje elektronové dělo katodové obrazovky k vyslání elektronového paprsku a jim vybuzené luminofory k vyslání světla, je skoro neměřitelný. LCD displeje však využívají elektrochemickou reakci, jež ze své podstaty reaguje se zpožděním.

Doba prodlevy zobrazovače se formálně nazývá dobou odezvy a obvykle se měří v milisekundách. Panely s pasivní maticí mají velmi dlouhé doby odezvy – až 150 ms nebo i víc – takže se nehodí pro pohyblivé obrázky. Standardní panely s aktivní maticí obvykle nabízejí dobu odezvy 40 ms, což znamená, že dokážou zobrazit 25 snímků za sekundu. Přepínání v ploše panelu (in-plane switching) zvětšuje pozorovací úhel, ale vede k pomalejšímu zobrazování; typická pro ně bývá doba odezvy okolo 70 ms. Multidoménové panely často reagují rychleji, s dobou odezvy 25 ms.

Výroba LCD panelů

Výroba LCD panelů začíná s velmi tenkými deskami o tloušťce 0,4 až
1,1 nm. Spodní deska se potahuje tenkou vrstvou amorfního křemíku, což umožňuje vytvoření polovodičového obvodu pro každý pixel.V sérii kroků zahrnujících fotolitografii, leptání, maskování a nanášení materiálu se na každém pixelu vyrobí přepínající tranzistor, spolu s barevnými filtry a dalšími komponentami.Na veškeré komponenty se položí seřazující průhledná vrstva a obdobná se nanese na vnitřní povrch horní desky. Tyto vrstvy se pak mechanicky brousí nebo fotochemicky leptají, čímž se vytváří již uvedená drážky, sloužící k seřazování krystalů.

Na spodní povrch se nastříkají drobné rozpěrky, tak, aby se v prostoru každého pixelu nacházela jedna nebo dvě. Tyto rozpěrky pak tvoří bariéru oddělující horní a dolní skleněnou vrstvu, zajišťující prostor pro kapalné krystaly.

Následuje stmelení jednotlivých okrajů panelů tmelem, přitom se nechá jedna strana volná, aby se dovnitř mohly později vstříknout tekuté krystaly, ovšem v danou chvíli musí být uvnitř vyčerpán vzduch. Horní deska se pak stmelí se spodní a stmelené desky se rozřežou na jednotlivé panely. Mezera mezi deskami se uzavře a panel se může začít testovat. Po otestování všech subpixelů se přidají polarizační filmy a další vrstvy. Poslední krok výroby tvoří přidání obvodů elektronického budiče a konektorů rozhraní k počítači, popřípadě k jinému zařízení.

Elektroluminescenční diody (LED)

Luminescenční dioda je polovodičová dioda s jedním přechodem PN, u níž se využívá zářivé rekombinace nosičů náboje.

Vznik elektroluminescence předpokládá nerovnovážnou koncentraci volných nosičů náboje v polovodiči, vybuzenou vnějším zásahem. Zpětný proces rekombinace nadbytečných nosičů, je spojen s uvolňováním kvant tepelné energie- fotonů- při nezářivé rekombinaci nebo kvant zářivé energie- fotonů- při zářivé rekombinaci. Pravděpodobnost zářivé rekombinace je velká u polovodičů s dovolenými přímými přechody.

Do této skupiny patří GaAs , AlSb , InP , GaSb, které mají šířku zakázaného pásu 1,43 eV při 300K. Diody zhotovené z těchto materiálů mohou vyzařovat světlo pouze v infračervené oblasti spektra.

Diody s větším výkonem a větší účinností lze realizovat dotováním křemíkem. V krystalové mřížce GaAs vytváří křemík buď donory nebo akceptory, což závisí na tom, který základní prvek nahrazuje. Výroba GaAs diod dotovaných křemíkem se provádí epitaxním růstem z kapalné fáze (LPE) GaAs legované Si. Nad teplotou 750 C se vytváří typ polovodiče N a pod touto teplotou typ P. Poloha maxima vyzařovaného spektra závisí na koncentraci křemíku.

Vyzářený výkon elektroluminescenčních GaAs diod se pohybuje v jednotkách a ý desítkách mW (při budícím proudu 100mA). Při dotování zinkem je náběžná doba (časový interval, během kterého světelný výkon vzroste z 10% na 90% při buzení strmým budícím impulzem) typicky desítky nanosekund; u diod dotovaných křemíkem tato doba činí řádově mikrosekundy. GaAs elektroluminescenční diody nacházejí uplatnění jako světelné zdroje ve vláknové a planární optoelektronice.

Pro výrobu elektroluminescenčních diod se používá celé spektrum polovodičových materiálů- dané druhy jsou v tabulce spolu s vlnovými délkami.

Mezi základní parametry elektroluminescenčních diod patří: vlnová délka vyzářeného světla, kapacita přechodu, svítivost, úhel vyzařování, maximální stejnosměrný prou a výchozí materiál.

Typické konstrukční uspořádání elektroluminescenčních diod je znázorněno na obrázku níže. PN přechod je s kontakty zalit pryskyřicí do různých forem (kulové, válcové, kvádrové, atd.) Zalévací hmota plní funkci ochrany před mechanickým poškozením a současně modifikuje výstup generovaného světla do okolního prostředí.

O luminescenčních diodách obecně platí, že jejich průrazné napětí v závěrném směru se pohybuje kolem 3-5V.

Používají se také diody s dvojí heterostrukturou, jež jsou velmi vhodnými zdroji pro vláknovou optiku. Splňují většinu požadavků kladených na tyto zdroje, jako je vysoký optický výkon a velký vnější kvantový výtěžek, lineární závislost optického výkonu na napájecím proudu, malá doba života rekombinujících nosičů, úzká spektrální šířka a malá plocha emitující záření.

Kvalitu luminescenčních diod lze posuzovat podle tzv. vnějších kvantové účinnosti:

Kde r je rekombinační účinnost závislá na počtu rekombinačních center, jejich rozložení a na možnosti omezit nezářivé procesy rekombinace

0 je optická účinnost daná poměrem vystupujícího záření k záření generovanému, závislá na konstrukční úpravě systému diod a pouzdra

 je tzv. koeficient injekce, který je definován vztahem:

Segmentovky

Jedná se o zobrazení čísel, písmen či znaků za pomocí jednotlivých segmentů, které mohou být tvořeny mnoha různými principy. V současné době se nejvíce používají kapalné krystaly a světelné diody(LED). Tyto diody mají převážně obdélníkový tvar.

Segmentovky se světelnými diodami

Základ tvoří, jak již název napovídá, světelné diody (LED). Každý segment je tvořen jednou či několika diodami. Ty jsou navzájem pospojované a to buď tak, že mají společnou anodu nebo společnou katodu. Doba odezvy se pohybuje kolem 10 nanosekund.Velikosti znaků se pohybují od 3 do 16 mm, přičemž nejmenší jednotky odebírají proud v rozmezí 0,5-1 mA a ty největší až do 15 mA. Ty to hodnoty se vztahují na jednotlivé segmenty.
Obrázek je pro logický obvod TTL. Tyto logické obvody se dodávají napětí 5V, proto jsou do obvodu zapojeny odpory, omezující proud jednotlivých segmentů.

Segmentovky s kapalnými krystaly-PASIVNÍ

Některé organické sloučeniny při určitých teplotách v kapalné fázi shlukují své molekuly do protáhlých skupin, které se nazývají tekutými krystaly. Existují látky, u nichž se tato teplota pohybuje od –5 do 75 C.

Uspořádání u krystalů může být třemi způsoby:
Smektický-krystaly jsou stejně dlouhé, leží v rovnoběžných vrstvách a mají navzájem rovnoběžné osy.
Nematická- krystaly nejsou stejně dlouhé, jsou navzájem rovnoběžné, různě propustné, vyplňují celý prostor.
Cholesterická-krystaly leží ve vrstvách, krystaly v jedné vrstvě mají rovnoběžné osy, tyto osy se však v jednotlivých vrstvách od sebe liší jiným směrem.
V současné době je nejpoužívanějším uspořádáním uspořádání nematické.

Dvě skleněné destičky tvoří základ zobrazovacích jednotek. Ty jsou od sebe vzdáleny asi 20 mikro m. Prostor mezi nimi vyplňuje kapalina již ve zmiňovaném nematickém stavu. Na vnitřní stěně přední destičky jsou napařeny elektrody z průhledného vodivého materiálu ve tvaru segmentů číslicového nebo abecedně číslicového indikátoru. Zadní destička je po celé ploše pokryta vodivým materiálem.
Přiloží-li se na elektrody napětí kolem 5V kapalina se v místě napařeného materiálu silně zakalí, neboť na neuspořádaných a vířících krystalech nastává rozptyl světla- dynamický rozptyl- k jeho vyvolání se může použít jak střídavé tak stejnosměrné napětí. Střídavé nezpůsobuje elektrolýzu a rozpouštění elektrod.

K sestavení referátu byly použity následující zdroje:
PC MAGAZINE (ČERVENEC 2000, DUBEN 2001, ČERVEN 2001, BŘEZEN 2002)
CHIP (ŘÍJEN 1998)
ELEKTRONIKA (Jan Maťátko)
ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY
(Doc.Ing. Vladislav Musil, CSc., Prof.Ing. Jaromír Brzobohatý, CSc.,
Ing. Jaroslav Boušek, CSc., Ing. Ivana Prchalová, CSc., MSc.)
ELEKTRONICKÉ PRVKY (Jaromír Pištora)
MATERIÁLY A TECHNOLOGIE V ELEKTRONICE A ELEKTROTECHNICE (Josef Šavel)