Органические светодиоды — OLED

Основная статья: OLED

Многослойные тонкоплёночные структуры, изготовленные из органических соединений, которые эффективно излучают свет при пропускании через них электрического тока. Основное применение OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, чем жидкокристаллических.

Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна из проблем, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что «красный» OLED и «зелёный» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причем время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Хотя сегодня «синий» OLED все-таки добрался до отметки в 17,5 тыс. часов непрерывной работы.

Дисплеи из органических светодиодов применяются в последних моделях сотовых телефонах, GPS-навигаторах, для создания приборов ночного видения.

 

Между тем наш рассказ об оптоэлектронике мы начнем с тех далеких времен, когда в России А. Н. Лодыгин еще только разрабатывал первые конструкции угольных ламп накаливания, а Европа освещалась в основном свечами и газовыми фонарями.

Из многих известных в XIX веке полупроводников — как тогда говорили, веществ, «худо проводящих электричество»,— селен был материалом, удосто­енным особого внимания ученых. Дело в том, что в 1873 году английский телеграфный служащий А. Мей случайно обнаружил, что сопротивление селена резко уменьшается, если на него падает свет. Возможно, Мей не слишком обрадовался новому явлению, так как обнаружил его, исследуя селеновые изоляционные опоры телеграфного кабеля. Но руководитель Мея, инженер У. Смит, сразу оценил важность открытия. Он быстро провел первые исследования и в том же 1873 году сообщил о них в печати. Это сообщение вызвало бурный интерес у физиков всего мира.

К исследованию селена обратились ученые из Германии, Франции, Англии, России, Америки. Предпринимались многочисленные попытки по­высить светочувствительность селена. С этой целью были испробованы десятки способов его получения. Однако все эти поиски велись практически «вслепую» — ведь физики XIX века и понятия не имели о невероятной чувстви­тельности полупроводников к примесям, о методах их очистки. Поэтому публикуемые результаты противоречили друг другу, приводимые численные данные различались в десятки и сотни раз. Встречались и просто ку­рьезные (с нашей, сегодняшней точки зрения) сообщения. Некоторые авторы писали, например, что светочувствительность селена возрастает, если рядом с ним положить каучук или камфару, побывавшие перед тем в озоне. Другие сообщали, что селен наиболее чувствителен к соседству с терпентинным маслом. Однако не следует забывать, что в то время полупроводники еще не были осознаны как особый, удивительный класс материалов. Так что не спешите посмотреть свысока на эксперименты столетней давности — это были первые шаги на пути, который привел к созданию оптической электроники.

«Селеновый бум» привлек внимание знаменитого немецкого электротех­ника Вернера Сименса. Сименс был наделен редкостным изобретатель­ским талантом. Еще двадцатипятилетним молодым человеком, отбывая пя­тилетнее тюремное заключение за участие в дуэли, он изобрел способ гальванического серебрения и золочения и позолотил свою тюремную ложку, перенеся на нее золото с завалявшейся в кармане монеты. Это было в начале сороковых годов XIX века. В семидесятые годы Сименс, крупный про­мышленный магнат, почетный доктор Берлинского университета, член Бер­линской академии наук, автор ртутного эталона сопротивления, увековечив­шего его имя, оставался таким же неукротимым изобретателем, как в юности. Он увлекся изучением селена, и это увлечение имело весьма серьезные по­следствия для дальнейшей судьбы селена. В 1875 году Сименс опубликовал статью, в которой, наряду с детальным описанием способов получения и свойств селена, сообщил об изобретенном им новом приборе — абсолют­ном электрическом фотометре. Скажем несколько слов о фотометрии и ее состоянии в XIX веке, чтобы вы лучше смогли оценить изобретение Сименса.

Можно считать, что фотометрия зародилась во II веке н. э., когда Птолемей начал изучать яркость звезд. И все дальнейшее развитие этой области науки было связано, в основном, с астрономическими наблюдениями. В 1604 году Кеплер установил законы освещенности. В 1729 году французский ученый П. Бугер сформулировал принцип фотометрии и заложил начала научных измерений в этой области. Идея Бугера состояла в том, чтобы использо­вать способности глаза улавливать разницу освещенностей, даже если эта разница составляет всего 1 %. В фотометре Бугера две части экрана осве­щаются двумя источниками — изучаемым (например, звездой) и «эталон­ным» (например, свечой). Освещенность той части экрана, на которую светит эталонный источник, можно менять (например, приближая или удаляя свечу). При равенстве освещенностей, создаваемых изучаемой и «искусственной» звездой, положение последней регистрируется. Таким образом можно делать косвенные измерения.

Фотометр Бугера неоднократно усовершенствовался в течение более 100 лет, однако основной принцип его работы был неизменным: равен­ство освещенностей констатировал глаз. Устал астроном — точность из­мерений резко падает; при различных оттенках цвета измеряемого и эталон­ного источников оценка становится затруднительной; появился в поле зрения яркий предмет — снова ошибка в измерениях. Субъективный характер измерений стал серьезным недостатком фотометрии. А между тем потреб­ность в фотометрах росла: к небесным светилам прибавлялись земные лам­пы, яркость которых тоже нужно измерять.

Занявшись исследованием селена, Сименс не мог пропустить возможность практического использования выполненных экспериментов. Он сконструировал фотометр, в котором впервые субъективная оценка на глаз была исключена и интенсивность света могла быть выражена в электрических единицах. Элект­рическая цепь фотометра Сименса состояла из гальванического элемента, гальванометра и куска селена с проволочными электродами. В темноте со­противление селена так велико, что стрелка гальванометра почти не откло­няется. При освещении селена его сопротивление падает, ток увеличивается, и стрелка гальванометра отклоняется тем сильнее, чем ярче свет. (Именно так работает и современный фотоэкспонометр!)

На основе селенового фоторезистора Сименс сделал первую в мире опто-электронную игрушку (конечно, в то время ее никто так не называл; термин «оптоэлектроника» появился много десятков лет спустя). Основным элементом этой игрушки была модель человеческого глаза, в которую был вмонтирован селеновый фоторезистор. Стоило приблизить к глазу зажженную свечу — и он тут же закрывался, «щурясь» от яркого света, совсем как живой.

Изобретение селенового фотометра дало толчок к появлению-целой серии остроумных приборов. Интересным и очень смелым для того времени развитием работ Сименса явилось изобретение американского инженера Дж. Кэри. В том же 1875 году он предложил проект устройства для передачи изображений на расстояние. Принцип действия этого устройства представляется теперь очень простым. Передаваемое изображение сначала проецируется на при­емник, который состоит из большого числа селеновых ячеек, составленных вплотную. Сопротивление ячеек изменяется в различной степени в зависимости от того, насколько ярко освещена та или иная ячейка. Воспроизводится изображение на «экране», который представляет собой панель с лампочками, причем число лампочек равно числу селеновых ячеек приемника. Каждая лам­почка соединена последовательно с соответствующей ячейкой и источником напряжения. При включении напряжения яркость свечения той или иной лампочки тем больше, чем меньше сопротивление соединенного с ней селено­вого элемента, т. е. чем ярче освещена соответствующая ячейка. При достаточно большой длине проводов, соединяющих приемник и экран, изоб­ражение может быть передано на значительное расстояние.

Изобретение Кэри, однако, оказалось з то время практически нереализуе­мым. Ведь если приемник содержит, например, 100Х100 ячеек, то необходимо протянуть до экрана 10 000 проводов и подключить их к 10 000 лампочек, к 10 000 источников, и чтобы ни одна лампа не перегорела!

Несколько следующих применений селенового фоторезистора вызвали на­стоящие сенсации.

В далеком Вашингтоне Александр Грехем Белл с интересом читал поступаю­щие из-за океана сообщения об исследованиях селена и сам испробовал немало способов приготовления материала с высокой светочувствительностью. После нескольких удачных опытов Беллу пришла в голову странная на первый взгляд мысль — в электрической цепи, в которую был включен исследуемый селеновый образец, заменить гальванометр... телефоном. Мысль эта не по­кажется столь уж странной, если вспомнить, что незадолго до того Белл как раз взял патент на первый в мире телефон и теперь с успехом распространял свое детище по всей стране. Телефон Белла издавал звуки, если ток, текущий через него, менялся достаточно быстро. Поэтому Белл решил, что если в цепи последовательно с телефоном будет включен селеновый фоточувствительный образец, то телефон будет звучать, когда свет, падающий на селен, будет часто прерываться. 17 мая 1878 года, читая лекцию в Коро­левском институте в Лондоне, доктор Белл объявил, что «возможно слышать звуки, вызванные прерыванием света». Мелодические звуки разной высоты Белл получал, меняя скорость вращения диска с прорезями, расположенного между ярким источником и селеновым приемником.

Два года спустя эта идея Белла получила сенсационное развитие.

Солнечным летним днем 1880 года жители Вашингтона с удивлением наблюдали, как прилично одетый господин устанавливал на крыше Франкли-новской школы странное сооружение. Многие узнали в господине друга и по­мощника профессора Белла мистера Тейнтера. Тейнтер направил на солнце небольшое зеркало; отраженный солнечный свет проходил через несколько линз и ярким тонким лучом упирался прямо в окно стоящего напротив здания. В этом здании помещалась исследовательская лаборатория Белла. Став позади зеркала и приспособив к нему нечто вроде рупора, Тейнтер начал что-то не­громко говорить в рупор, глядя при этом на окно лаборатории. В ответ в окне появился мистер Белл, размахивающий шляпой.

В этот день Белл и Тейнтер успешно осуществили беспроводную опти­ческую телефонную связь. Сооружение на крыше было передающей станцией. В лаборатории Белла располагалась приемная станции. Посылаемый с крыши луч падал на фотоприемник — селеновый фоторезистор, вклю­ченный в электрическую цепь последовательно с телефоном. Когда Тейнтер говорил в рупор, звуковые колебания заставляли зеркало слегка вибрировать. При этом из-за «расфокусировки» менялась освещенность фотоприемника... Поднеся к уху телефон, Белл отчетливо услышал голос Тейнтера: «Мистер Белл, если вы слышите меня, подойдите к окну и помашите шляпой». Ответ Белла свидетельствовал о полном успехе опыта.

Сенсационное сообщение об эксперименте Белла и Тейнтера вызвало новую волну повышенного интереса к селену, новые попытки увеличить его свето­чувствительность. Последователь Белла, его соотечественник, С. Фритс сумел получить образцы, сопротивление которых под действием солнечного света уменьшалось более чем в 300 раз (Белл и Сименс достигли лишь пятнад­цатикратного изменения). Фритс предложил и еще одно возможное применение селена. Если подключить селеновый фоторезистор к какому-либо элект­рическому аппарату, то этим аппаратом можно будет управлять при помо­щи света. Например, селеновый элемент может быть включен в цепь электро­магнитного реле. При освещении элемента его сопротивление уменьшится, ток в цепи возрастет, и контакты реле замкнутся без всякого прямого вмеша­тельства в электрическую цепь реле. В этой идее содержится принцип действия так называемой оптопары — одного из основных элементов современной автоматики (вспомните хотя бы пропускные автоматы в метро). И хотя оптопары появились лишь во второй половине нашего столетия, идея оптического управления с помощью селенового элемента была очень эффектно реализована намного раньше.

1 февраля 1907 года в Париже в переполненном конференц-зале перед журналистами, учеными, предпринимателями и членами правительства вы­ступал инженер из Мюнхена Артур Корн. Слева и справа от него на длинном столе располагались два больших медленно вращающихся цилиндра непо­нятного для публики назначения.

«Мадам и месье,— начал свое выступление Корн,— проблема передачи фотографий по телеграфу решена! Это можно делать так же, как мы передаем по телефону звук.»

В конференц-зале присутствовали люди, весьма далекие от науки, поэтому Корн долго и пространно объяснял устройство телефона и телеграфа, разные технические детали. Сегодняшний читатель «Кванта» знаком с этими «подробностями», и поэтому мы сразу перейдем к изложению идеи фото­телеграфа, реализованной впервые восемьдесят лет назад.

Фотография не передается целиком, а разбивается на 100 полос, а каждая полоса — на 100 элементов. На передающей станции надо измерить тон каждого элемента и соответственно повернуть регулятор тока. На приемной станции это изменение тока изменит силу света лампы, которая засвечи­вает участок фотопленки. Теперь нужно перейти к следующему элементу на передающей станции и соответственно передвинуть фотопленку на прием­ной. Идея хороша, но если тратить только 5 секунд на передачу одного эле­мента, то на передачу всей фотографии понадобится, увы, 14 часов непрерыв­ной работы. Вот если бы регулятор тока работал автоматически, мгновенно измеряя тон каждого элемента и сообщая его приемной станции...

Таким автоматическим регулятором может служить селеновый фотоэлемент. Сфокусированный свет лампы, пройдя сквозь фотографию, свернутую в виде цилиндра, отражается зеркальцем на селеновый фотоэлемент, который регули­рует ток в телеграфном проводе. Вращается цилиндр на передающей станции, строго с той же скоростью вращается цилиндр на приемной станции. Медленно ползет вниз лампа, «просматривающая» фотографию,— с той же ско­ростью ползет луч, засвечивающий фотопленку. А селеновый образец посылает в линию связи импульсы, точно отражающие прозрачность очеред­ного элемента. Просто, не так ли?

Между тем Корн потратил на реализацию своей идеи более трех лет. И проблемой был вовсе не селен, нет, полупроводник работал безотказно.

Главная сложность была в достижении полной синхронности механических перемещений и равенства скоростей вращения барабанов.

Наконец, к 1907 году проблема была решена. И вот демонстрация в Париже. Барабаны, установленные слева и справа от Корна,— это передающая и приемная станции. А провода, выходящие из передающей станции, подсоединены к телеграфной линии Париж — Лион. (На второй странице об­ложки помещена фотография из французского журнала «L 'Illustration», в котором сообщалось о сенсационном эксперименте Корна.) Сигнал от се­ленового элемента бежит по одной паре проводов в Лион, а по другой — обратно, в Париж, всего 1000 километров. Фотография, помещенная в пе­редающем цилиндре, «просматривалась» 12 минут. Пленку из прием­ного цилиндра тут же проявили и отпечатали — и под рукоплескания зала была продемонстрирована фотография президента Французской респуб­лики Фоллиера. Корн, принимая поздравления, заявил, что не сомневался в успехе, так как несколько ранее им был столь же удачно передан портрет президента Рузвельта по линии Мюнхен — Нюрнберг — Мюнхен.

Передача изображений с помощью фотоэлемента стала быстро завоевывать признание. Аппараты, действующие по разработанному Корном принципу, удалось усовершенствовать настолько, что они могли с высокой четкостью передавать на расстояние мелкий газетный текст.

* * *

Таким был этот самый первый и не слишком известный виток истории полу­проводниковых приборов. Зародившиеся в конце XIX века, они на год опереди­ли появление телефона и трансформатора, на 20 лет — радио и почти на 50 лет —... самих себя, то есть рождение класса «полупроводниковых прибо­ров»! Как ни парадоксально, но изобретение Корна было последним крупным событием на этом начальном этапе. Новых приборов пришлось ждать еще долгие десятки лет. Это время понадобилось для создания квантовой теории электрических свойств полупроводников, разработки уникальных методов их очистки от случайных примесей, а также способов введения строго контроли­руемого количества нужных примесей, изготовления сложных комплексов оборудования для производства приборов. Только после этого на рубеже 50-х годов нашего столетия и стало возможным начало «полупроводниковой революции», одним из самых передовых отрядов которой является совре­менная оптическая полупроводниковая электроника.

Эта интереснейшая наука, сокращенно называемая оптоэлектроникой, изу­чает законы превращения электрического тока через полупроводник в свет и обратные законы, по которым свет, падающий на полупроводник, вызывает в нем электрические сигналы. На основе оптоэлектроники сегодня создано огромное количество приборов, прочно вошедших в нашу жизнь и ставших уже привычными. Достойно удивления и восхищения то, что более 100 лет назад ученые сумели не только изготовить первые оптоэлектронные приборы, но и с поразительной интуицией предвосхитить важнейшие области их будуще­го использования и развития.

Чувствительный фотометр Сименса стал прообразом современных полупро­водниковых приемников света — фотодетекторов. Они улавливают слабые оптические сигналы на расстоянии десятков километров от источника, «читают» оптические команды современных станков с программным управле­нием, сигнализируют об обрыве или окончании ленты в магнитофонах и выполняют еще много важных задач.

Попытка Дж. Кэри изготовить светящийся экран для передачи изображения на расстояние сегодня находит свое продолжение в работах исследователей многих стран по созданию плоского телевизионного экрана, призванного заменить громоздкий кинескоп современных телевизоров. Информационные табло («светящиеся газеты»), установленные на крышах зданий в Москве, Ленинграде и других городах, прямо реализуют смелую идею столетней давности.

Фотофон Белла, который был надолго забыт в результате многолетнего триумфального шествия электрического телефона по всему миру, в 70-е годы XX века родился заново в виде систем оптической телефонной связи. Эти системы позволяют по одному оптическому кабелю передавать одновременно тысячи телефонных разговоров; не будь таких систем, и к началу XXI века, по мнению специалистов, телефонная сеть стала бы настолько перегруженной, что при наборе любого номера непременно звучал бы сигнал «занято».

В самые отдаленные уголки нашей страны каждое утро поступают свежие газеты, переданные по фототелеграфу, придуманному в начале века.

Все большее значение в качестве источников электроэнергии приобретают солнечные батареи. Они установлены на космических кораблях, на крышах зданий в высокогорных районах, в микрокалькуляторах. Идея создания таких батарей была выдвинута в 1884 году. В 30-х годах нашего столетия академик А. Ф. Иоффе организовал первые работы по изготовлению высоко­эффективных солнечных элементов.

Эти и многие другие замечательные приборы, уже созданные и те, что появят­ся в будущем, сегодняшний и завтрашний день оптической электроники — все это зародилось более ста лет назад, в несовершенных экспери­ментах со скромным кристалликом селена.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

 

Радиоэлектроника формирует знания в области аппаратных средств обеспечения каналов связи в используемых на сегодня диапазонах длин волн вплоть до ММ-диапазона (исключая оптический и инфракрасный). Попутно ставится задача ознакомления с основными схемами и техническими решениями наиболее широко употребляемых узлов радиоаппаратуры.