Разработка методов анализа и синтеза тонкопленочных электролюминесцентных элементов в индикаторных устройствах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Максимова, Оксана Вадимовна

• Максимова, Оксана Вадимовна
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Максимова, Оксана Вадимовна

Введение.

1. Анализ основных свойств и характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов.

1.1. Типы и конструкции тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов.

1.2. Электрические и светотехнические характеристики и параметры тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов.

1.3. Автоматизация проектирования тонкопленочных эл ектролюминесцентных индикаторов.

1.4. Выводы и постановка задачи.

2. Исследование зависимости характеристик тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов от конструктивно-технологических факторов.

2.1. Зависимость электрических характеристик от свойств пленок тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов.

2.2. Зависимость светотехнических параметров от свойств пленок тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов.

2.3. Анализ характеристик элементов при проектировании тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов.

2.4. Синтез параметров элементов при проектировании тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов.

2.5. Выводы и результаты.

3. Автоматизация проектирования тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов.

3.1. Проектирование тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов.

3.2. Виды обеспечения и инструменты создания системы автоматизированного проектирования тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов.

3.3. Описание банка данных системы автоматизированного проектирования тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов.

3.4. Описание задач системы автоматизированного проектирования тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов.

3.5. Выводы и результаты.

4. Создание программного обеспечения для автоматизации проектирования тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов.

4.1. Описание среды программирования.

4.2. Создание программного обеспечения для анализа функциональных характеристик и параметров при проектировании тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов.

4.3. Создание программного обеспечения для синтеза конструкций тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов.

4.4. Выводы и результаты.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов анализа и синтеза тонкопленочных электролюминесцентных элементов в индикаторных устройствах»

Актуальность проблемы. Тонкопленочные электролюминесцентные индикаторные устройства в настоящее время являются одними из наиболее перспективных для создания микроэлектронных средств отображения информации, особенно для специальной техники. К их достоинствам относятся: полностью твердотельная конструкция, высокая яркость, надежность, температурная стабильность, быстродействие, большой угол обзора, радиационная стойкость и др.

К настоящему времени достигнуты значительные успехи в разработке и производстве индикаторов на основе тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов: определены физические основы работы этих приборов, материалы с требуемыми свойствами, разработаны конструкции и технологии получения элементов и устройств, методы контроля параметров материалов и источников излучения.

Вместе с тем остаются недостаточно исследованными вопросы расчета основных функциональных характеристик приборов и проблемы автоматизации проектирования индикаторных элементов и устройств.

Цель и задачи исследований. Целью данной диссертационной работы является исследование зависимости электрических и светотехнических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов от конструктивно-технологических факторов и разработка алгоритмов и программ для автоматизации проектирования индикаторных элементов и устройств.

Для достижения этой цели в ходе выполнения диссертационной работы были поставлены и решены следующие задачи.

1. Теоретический анализ и расчет зависимости электрических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов от конструктивно-технологических параметров многослойных структур.

2. Теоретический анализ и расчет зависимости светотехнических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов от конструктивно-технологических параметров многослойных структур.

3. Разработка методики и алгоритмов анализа функциональных характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов.

4. Разработка методики и алгоритмов синтеза функциональных характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов.

5. Разработка программного обеспечения для автоматизации проектирования тонкопленочных электролюминесцентных индикаторных элементов и устройств.

Основные положения, выносимые на защиту♦ Проведенные теоретические и экспериментальные исследования характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов позволили вынести на защиту следующие основные положения.

1. Аналитические зависимости основных электрических и светотехнических характеристик тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов от параметров и толщин пленок, люминесцентных и диэлектрических материалов и условий возбуждения, позволяют производить анализ и проектирование индикаторных элементов и устройств.

2. Схемы проектирования ТПЭЛИ и требования к информационному обеспечению САПР для создания алгоритма позволяют осуществить решение задач анализа характеристик элементов ТПЭЛИ и синтеза параметров элементов ТПЭЛИ.

3. Алгоритм анализа характеристик элементов ТПЭЛИ, реализованный в программное обеспечение позволяет производить автоматизированный расчет электрических и светотехнических характеристик.

4. Алгоритм синтеза параметров элементов ТПЭЛИ, реализованный в программное обеспечение позволяет производить автоматизированный расчет толщин слоев ТПЭЛИ.

Научная новизна. Впервые детально исследованы процессы автоматизации проектирования тонкопленочных электролюминесцентных индикаторных устройств. При этом получены следующие новые научные результаты.

1. На основе исследования математического аппарата для расчета характеристик и параметров тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов впервые были предложены методы анализа и синтеза элементов тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов.

2. Впервые проведены исследования процессов проектирования на предмет формализации задач в целях автоматизации проектирования тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов

3. Разработаны алгоритмы автоматизации проектирования, позволяющие решить задачи анализа характеристик и синтеза параметров элементов тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов.

4. Впервые реализовано программное обеспечение ЪЕСар, позволяющее осуществлять автоматизацию процессов проектирования тонкопленочных электролюминесцентных индикаторных устройств.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработанные схемы и этапы проектирования тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов могут быть использованы для разработки конструкций и режимов работы приборов в лабораториях и конструкторских бюро, занимающихся проектированием и исследованием электролюминесцентных источников излучения.

2. Полученные методики анализа характеристик и синтеза параметров элементов тонкопленочных электролюминесцентных индикаторных устройств, применимы для расчета значений функциональных параметров, характеризующих свойства тонкопленочных электролюминесцентных элементов и индикаторных приборов.

3. Разработанные алгоритмы автоматизации проектирования и реализованная на их основе программа способствуют обеспечению требуемых значений параметров индикаторных устройств.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается адекватностью используемых математических моделей, корректностью упрощающих допущений, близостью расчетных данных с результатами экспериментальных исследований.

Личный вклад, В диссертации изложены результаты работ, которые были выполнены соискателем лично под научным руководством профессора Самохвалова М.К. Автор разрабатывал методики исследований, проводил теоретические расчеты и эксперименты, осуществлял обработку, анализ и. обобщение получаемых результатов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 4-й и 5-й Всероссийской научно-практической конференции (с участием стран СНГ) (Ульяновск, 2004, 2007 гг.), на семинаре, проводимом в рамках Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы» -«Актуальные проблемы физической и функциональной электроники». (Ульяновск, 2004), 9-й Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2007), и на ежегодных научно-технических конференциях УлГТУ в 2004-2007 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 1 статьи в журнале, входящем в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка используемых источников. Она изложена на 150 листах, содержит 20 рисунков и 2 таблицы. Библиографический список содержит 70 наименований.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Максимова, Оксана Вадимовна

4.4. Выводы и результаты.

1. Разработан алгоритм анализа характеристик элементов ТПЭЛИ, реализованный в программное обеспечение, производящее полностью автоматизированный расчет электрических и светотехнических характеристик.

2. Разработан алгоритм синтеза конструкций элементов ТПЭЛИ, реализованный в программный обеспечение, производящее полностью автоматизированный расчет толщин слоев ТПЭЛИ.

3. Разработанное программное обеспечение представляет собой единый проектно - расчетный модуль, решающий задачи анализа и синтеза пяти-слойной структуры ТПЭЛИ с диэлектриками, выполненными из одного и того же материала.

4. Разработанный алгоритм, используемый для создания программного обеспечения ЬЕСар, реализует процесс проектирования, методикой, которого являлось решение задач анализа и синтеза.

5. Результаты апробации программного обеспечения ЬЕСар, полученные при автоматизированном проектировании ТПЭЛИ подтверждают теоретические расчеты светотехнических характеристик, электрических параметров и толщин слоев ТПЭЛИ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные теоретические исследования при разработке методов анализа и синтеза для автоматизации процессов проектирования тонкопленочного электролюминесцентного индикатора позволили сформулировать следующие основные результаты и выводы:

1. Установлена аналитическая зависимость основных электрических характеристик: порогового и максимально допустимого напряжения от электрических параметров и толщины пленок люминесцентных и диэлектрических материалов в тонкопленочных электролюминесцентных индикаторах.

2. Установлена аналитическая зависимость основных светотехнических характеристик: яркости свечения и светоотдачи тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов от параметров и толщины пленок люминесцентных и диэлектрических материалов и условий возбуждения.

3. Показано решение задач анализа при проектировании ТПЭЛИ, позволяющее оценить электротехнические и светотехнические характеристики индикаторных элементов при различных конструктивно-технологических параметрах тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов.

4. Исследованы задачи синтеза параметров элементов при проектировании тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов, сводящиеся к тому, что при задании параметров индикаторного элемента необходимо обеспечить выбор материалов люминофора и диэлектриков и определить значения толщин соответствующих слоев.

5. Определены и проанализированы четыре этапа проектирования ТПЭЛИ для создания САПР ТПЭЛИ. Установлено, что в качестве объекта автоматизации необходимо выделить третий этап проектирования ТПЭЛИ, т.к. данный этап является полностью формализуемой задачей проектирования и включает в себя большой объем вычислений с многовариантными решениями.

6. Разработана схема проектирования ТПЭЛИ, представляющая собой последовательность процессов проектирования для создания алгоритма решения задач анализа характеристик элементов ТПЭЛИ и синтеза параметров элементов ТПЭЛИ.

7. Рассмотрены и структурированы значения параметров слоев ТПЭЛИ, необходимые для расчета характеристик ТПЭЛИ в ходе автоматизированного проектирования. Представлено информационное обеспечение САПР ТПЭЛИ в удобном для пользователя виде. Определены виды обеспечения и составлено техническое задание на разработку САПР ТПЭЛИ, в котором подробно изложено описание задач САПР ТПЭЛИ и методы их решения.

8. Сформулированы требования к программному обеспечению САПР ТПЭЛИ и изложены подходы к его разработке. Для реализации программного обеспечения предложены два способа, один из которых может быть осуществлен на базе уже существующего программного обеспечения, во втором предлагается создать программный модуль, решающий задачи анализа характеристик элементов ТПЭЛИ и синтеза параметров элементов ТПЭЛИ.

9. Разработан алгоритм анализа характеристик элементов ТПЭЛИ, реализованный в программный модуль, производящий полностью автоматизированный расчет электрических и светотехнических характеристик.

10. Разработан алгоритм синтеза параметров элементов ТПЭЛИ, реализованный в программный модуль, производящий полностью автоматизированный расчет толщин слоев ТПЭЛИ.

11. Разработанное программное обеспечение представляет собой единый проектно — расчетный модуль, решающий задачи анализа и синтеза пя-тислойной структуры ТПЭЛИ с диэлектриками, выполненными из одного и того же материала. Разработанный алгоритм, используемый для создания программного обеспечения ЬЕСар, реализует процесс проектирования, методикой, которого являлось решение задач анализа и синтеза.

12. Результаты апробации программного модуля ЬЕСар, полученные при автоматизированном проектировании ТПЭЛИ подтверждают теоретические расчеты светотехнических характеристик, электрических параметров и толщин слоев ТПЭЛИ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Максимова, Оксана Вадимовна, 2008 год

1. Веревкин Ю.Н. Деградационные процессы в электролюминесценции твердых тел Текст. / Ю.Н. Веревкин, Л.: Наука, 1983.- 93 с.

2. Vecht A. AC and DC Displays. Текст. / A. Vecht // SID. 1989. - p.F2.2.

3. Chadha S.S. et al. High-contrast high-stability ZnS:Mn thin-film displays with chalcogenide glass current control layers. Текст. / S.S. Chadha // SID. -1991. Digest, -p.80.

4. Разработка и исследование свойств элементов СБИС для устройств отображения информации. Отчет о НИР (заключительный) /Одесский политехнический институт. № ГР 0183.0066527, инв. № 0286. 0039536. Текст. -Одесса, 1985. - 100 с.

5. Беднарчук Д.И. Светоизлучающие тонкопленочные структуры и их применение Текст. / Д.И. Беднарчук, Н.А. Власенко, К.: Общество "Знание", 1987.- 19 с.

6. J.H. Burroyghes et al. Light emitting diodes based on conjugated polymers Текст. / J.H. Burroyghes et al. // Nature/- 11 october 1990. vol.347. -p.539-541.

7. Лямичев И.Я. Устройства отображения информации с плоскими экранами Текст. / И.Я. Лямичев М.: Радио и связь, 1983.- 147 с.

8. Kobayashi S. et al. Improved Characteristics of DC TF-powder hybrid

9. EL. Текст. / S. Kobayashi et al. // Japan Display. 1989. - p. 242.

10. Самохвалов M.K. Элементы и устройства оптоэлектроники: Учебное пособие для студентов, обучающихся по направлениям 654300 и 551100 "Проектирование и технология электронных средств" Текст. / М.К. Самохвалов. -Ульяновск: УлГТУ, 2003. 125 с.

11. Учебно-контролирующий комплекс по электротехническим материалам Электронный ресурс. / Загл. с экрана. Режим доступа http://ftemk.mpei.ac.ru/ukk/UKK MENU.HTM

12. Беккер Б.Г. Особенности электронно-лучевого напыления электролюминесцентных пленок. Текст. / Б.Г.Беккер. С.М.Кокин, А.В.Липовецкий и др. // Электронная техника. Сер. Микроэлектроника. 1986, - Вып.2 (118).- С. 118-120.

13. Muller, G.O. Basics of electron impact-excited luminescence devices Текст. / G.O. Muller // Phys. Stat. Sol. (a). 1984. - v.81. - P. 597 - 608.

14. Chen, Y.S. Limitation imposed by field clamping on the efficiency of high-field ac electroluminescence in thin films Текст. /Y.S. Chen, D.C. Krupka // J. Appl. Phys. 1972. - v.43. - №10. - P. 4089 - 4096.

15. Smith, D.H. Modeling a.c. thin-film electroluminescent devices Текст. / D.H. Smith // J. Luminescence. 1981. - v.23. - №1. - P. 209 - 235.

16. Самохвалов, M.K. Кинетика токопереноса в тонкопленочных электролюминесцентных излучателях при возбуждении переменным напряжением Текст. / М.К. Самохвалов // Письма в ЖТФ. -1994. т.20. - №6. - С. 67 - 71.

17. Самохвалов, M.K. Электрические характеристики тонкопленочных излучателей при возбуждении электролюминесценции переменным напряжением Текст. / М.К. Самохвалов // Письма в ЖТФ. -1997. т. 23. - №6. - С. 1 - 4.

18. Сухарев, Ю.Г. Кинетика электрического поля, волны тока и яркости в тонкопленочных электролюминесцентных структурах Текст. / Ю.Г. Сухарев, A.B. Андриянов, М.С. // Журнал технической физики. 1994. - т.64. - №8. - С. 48 -54.

19. Власенко, H.A. Тонкопленочные электролюминесцентные излучатели Текст. / H.A. Власенко // Физические основы полупроводниковой электроники. — Киев: Наукова думка, 1985. — С. 254 — 268.

20. Георгобиани, А.Н. Туннельные явления в люминесценции полупроводников Текст. / А.Н. Георбиани, П.А. Пипинис М.: Мир, 1994. -224 с.

21. Самохвалов, М.К. Тонкопленочные электролюминесцентные источники излучения Текст. / М.К. Самохвалов Ульяновск: УлГТУ, 1999. — 117 с.

22. Самохвалов, М.К. Конструкции и технология тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов Текст. / М.К. Самохвалов — Ульяновск: УлГТУ, 1997. 56 с.

23. Казанкин, О. И., Прикладная электролюминесценция Текст. / О.И. Казанкин, И .Я. Лямичев, Ф.В. Соркин; под общ. ред. М.В. Фока. М.: Советское Радио, 1974. - 414 с.

24. Деркач, В.П. Электролюминесцентные устройства Текст. / В.П. Деркач , В.М. Корсунский Киев: Наукова думка, 1968. - 302 с.

25. Верещагин, И.К. Электролюминесцентные источники света Текст. / И.К. Верещагин, Б.А. Ковалев, JI.A. Косяченко, С.М. Кокин М.: Энерго-атомидат, 1990. - 168 с.

26. Tornqvist, R. Properties and performance of TFEL structures Текст. / R. Tornqvist // J.Cryst. Growth. 1985. - v.7. - №1 - 2. - P.538 - 544.

27. Мозжухин, Д.Д. Тонкопленочные электролюминесцентные индикаторные устройства Текст. / Д.Д. Мозжухин, И.В. Бараненков // Зарубежная радиоэлектроника. 1985. - №7. - С. 81 - 94.

28. Бараненков, И.В. Перспективы создания плоских панелей дисплеев с полной цветовой гаммой на основе тонкопленочных электролюминесцентных устройств Текст. / И.В. Бараненков // Зарубежная радиоэлектроника. -1988.-С. 60-67.

29. Kobayashi, Н. Multicolor electroluminescent ZnS thin films doped with rare earth fluorides Текст. / H. Kobayashi, S. Tanaka, V. Shanker et al. // Phys. Stat. Sol. (a). 1985. - v.88. - №2. - P.713 - 720.

30. Suyama, T. Multi-coloring of thin-film electroluminescent device Текст. / Т. Suyama, N. Sawada, K. Okamoto, Y. Hamakawa II Jap. J. Appl. Phys. 1982. - v.21. - Suppl. 21-1. - P. 383 - 387.

31. Быстров, Ю.А. Электронные приборы для отображения информации Текст. / Ю.А. Быстров, И.И. Литвак, Г.М. Персианов М.: Радио исвязь, 1985.-С.240.

32. Litvak 1. Display means design by synthesis of ergonomicand engineering studies Текст. /1. Litvak // DISPLAYS. 1994. - vol.15 - № 1. - P.

33. Литвак И.И. Исследования, разработка и испытания дисплеев-Приборы и системы управления, 1997, № 5.

34. Litvak I. I. Correlation of measurable characteristics and display «view-ability».- Digest of Technical Papers International Symposium SID, Vol. XXX, San Jose, California, 1999, May 18-20.

35. Litvak I. I. Optimization of the contrast characteristics of indicators and displays SID Conference Proceedings of Inventions and IP Issues in the Electronic Display Industry — Austin, Texas (March 2000).

36. Турин H.T. Взаимосвязь параметров диэлектрических слоев и порогового напряжения ТП ЭЖ Текст. / Н.Т. Турин //Электронная техника. Сер.З, Микроэлектроника.- 1990.- В.1 (135).- с.88-90.

37. Турин Н.Т. Анализ параметров ТП ЭЛК с разными диэлектрическими слоями. Текст. / Турин Н.Т. //Лазерная техника и оптоэлектроника.-1992.-№ 3-4 (64-65).- С.74-77.

38. Pratt G.W. Long-term charge Storage in interface states of ZnS MOS capacitora. Текст. / G.W. Pratt L.G. Walker, // J.Appl.Phys/- 1975.- v.46.-№7.-p.2992-2997.

39. Howard W.E. The importance of insulator properties in a thin-film electroluminescent device. Текст. / W.E. Howard // IEEE Trans.Electron Dev.-1977.- у.ЕО-24. №7- р.903-906.

40. Самохвалов М.К. Электролюминесцентные процессы в тонкопленочных электролюминесцентных структурах Текст. / М.К. Самохвалов Дис. докт.физ.-мат. наук.- Ульяновск, 1994.- 315 с.

41. Кулешова, В.И. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник Текст. / С.В.Якубовский, Л.И.Ниссельсон, В.И.Кулешова и др.; Под ред. С.В.Якубовского.- М.: Радио и связь, 1989.- С.496.

42. Самохвалов М.К., Пугачев С.Ф., Бригаднов И.Ю. Спектральные характеристики тонкопленочных электролюминесцентных структур на основе

43. ZnS. Текст. / М.К.Самохвалов, С.Ф. Пугачев, И.Ю. Бригаднов // Тез.докл. 28-й науч.-техн.конф.УлПИ, ч.1. Ульяновск. - 1994.- С.27-28.

44. Закревский, А.Д. Алгоритмы синтеза дискретных автоматов Серия: Теоретические основы технической кибернетики. Текст. / А.Д. Закревский. -М.: Наука, 1971.-С.512

45. Капустян В.М., Конструктору о конструировании атомной техники Системно-морфологический подход в конструировании. Текст. / В.М.Капустян, Ю.А. Махотенко. М.: Атомиздат, 1981. - С. 191.

46. Глазунов В.Н. Поиск принципов действия технических систем Текст. / В.Н. Глазунов. М.: Речной транспорт, 1990 - С. 111.