Жидкокристаллический пиксел управляемый полем P-N перехода

Богданов С.И.

Жидкокристаллический пиксел управляемый полем P-N перехода

03.03.02 Физика

Физика

Диссертации

Вуз: Белгородский государственный университет - национальный исследовательский университет (НИУ «БелГУ»)

ID: 5c1a51c87966e104f6f8522c

UUID: 07fdb730-e5c6-0136-fc74-525400005860

Язык: Русский

Опубликовано: около 6 лет назад

Просмотры: 139

Богданов С.И.

Источник: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Белгородский государственный национальный исследовательский университет»

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 1,2 МБ

Поделиться работой

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» ( Н И У « Б е л Г У » ) ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК КАФЕДРА ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПИКСЕЛ УПРАВЛЯЕМЫЙ ПОЛЕМ P-N ПЕРЕХОДА Магистерская диссертация студента очной формы обучения направления подготовки 03.04.02 Физика Программа физика конденсированного состояния группы 07001637 Богданова Сергея Ивановича Научный руководитель Канд. физ.-мат. наук, доцент Кучеев С.И. Рецензент(-ы) _________________ (ученая степень, звание, фамилия, инициалы) БЕЛГОРОД 2018

2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..3 ГЛАВА I. Литературный обзор…………………………………………………..6 1.1.Жидкие кристаллы и их свойства………………….......................................6 1.1.1. Жидкие кристаллы нематического тип…………………………………...7 1.2. P-n переход……………………………………………………………………8 1.3. Жидкокристаллические дисплеи прямого видения………………………..9 1.4. Дисплеи на основе твист-эффекта…………………………………………11 1.5 Матрица типа VA……………………………………………………………13 1.6. Проекционные аппараты…………………………………………………...15 ГЛАВА II. Экспериментальная часть…………………………………………17 2.1. Жидкокристаллическая ячейка……………………………………………17 2.2. Экспериментальная установка………………………………………..........19 2.3. Переориентация жидкого кристалла под действием напряжения………20 2.4. Пороги переориентации нематика полем p-n перехода при разной толщине слоя жидкого кристалла………………………………………………22 2.5. Переориентация молекул жидкого кристалла над областями p-n перехода…………………………………………………………………………24 2.6. Переориентация тонкого слоя жидкого кристалла………………………26 2.7. Оценка ширины пикселя дисплея современного устройства……………29

3 2.8. Переориентация слоя жидкого кристалла над областью травления окиси кремния…………………………………………………………………………...31 2.9. Светочувствительности пиксела…………………………………………...34 ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….42 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………………4

4 ВВЕДЕНИЕ История физики свидетельствует о том, что ученых всегда привлекали сложные задачи. С годами вопросы о том, как устроен мир и какие физические свойства находятся в его фундаменте, становится все больше. Появилась необходимость в суперкомпьютере, для помощи в сложных вычислениях, а также устройство, создающее визуальный образ, который бы в цифровом масштабе показывал бы все результаты, необходимые для анализа. Итак, 1906 году М. Дикмaн и Г. Глaге показали способ управления током, подаваемым на электромагниты, что привело к развитию дисплеев, показывающих быстропротекающие процессы. Электронно-лучевые трубки оказались незаменимы и не имели конкуренцию долгое время. Однако, когда ученые обратили внимание на электро-оптические свойства жидких кристаллов, для ЭЛТ все изменилось. Как ни странно, но жидкие кристаллы были открыты раньше электронно-лучевых трубок, первое их описание было сделано еще в 1888 году. Однако долгое время никто не знал, как их применить на практике, они были интересны только физикам и химикам. Но в конце 1966 года, корпорация RCA продемонстрировала прототип цифровых часов и после этого разработка дисплеев с использованием жидких кристаллов приобрела огромные масштабы. Уникальные свойства (светопропускание, отражение, поляризация, и т.д.) жидких кристаллов позволяют создавать множество типов матриц с индивидуальными особенностями. Не каждая жидкокристаллическая (ЖК) матрица имеет оптимальные характеристики и зачастую появляется необходимость усовершенствования технологий, применяемых в матрицах. Поскольку ЖК матрицы применяемы во многих устройствах отображения информации, то конкуренция среди них высока. Каждый тип матрицы имеет

5 свои плюсы и минусы. Например, TN матрица имеет плохие углы обзора, но при этом сравнительно низкую стоимость и быстрый отклик. Прямую конкуренцию TN матрице составляет матрица IPS, которая имеет лучшие углы обзора и более высокую контрастность, но при этом цена за такую матрицу значительно выше. Широкое применение получили матрицы и в проекционных аппаратах (проекторы). Отображение изображения практически на любую поверхность и компактность оборудования составляет большую конкуренцию дисплеям с жидкокристаллическими матрицами. Однако, как и в ЖК дисплеях так и в проекционных аппаратах есть свои минусы. Контраст изображения в проекционных аппаратах зачастую диктуется условиями среды. Экраны, больших размеров имеют меньшую яркость изображения, что конечно же является минусом для таких аппаратов. Самый частый упрек в сторону проекционных аппаратов – «метровые» пикселы. Для улучшения разрешающей способности проекционных дисплеев, необходим способ создания пикселей меньших размеров. Поэтому целью работы было рассмотреть возможность использования переориентации нематика в электрическом поле p-n перехода в качестве пикселя отражательного дисплея проекционного аппарата. Актуальность темы заключается в том, что способы изготовления современных микро-дисплеев в отражательных проекционных аппаратах не дают удовлетворительных размеров жидкокристаллических пикселей и есть необходимость поиска новых методов изготовления пикселей меньших размеров. Исходя из поставленных целей, были сформулированы следующие задачи: - получить зависимости порогового напряжения переориентации нематика в пикселе от параметров управления p-n переходом (частота и амплитуда переменного напряжения, постоянное смещение).

6 - исследовать влияние толщины жидкого кристалла на пороговое напряжение переориентации слоя нематика в пикселе. - исследовать влияние диэлектрика на переориентацию нематика. - исследовать светочувствительность области p-n перехода. - найти преимущества метода создания пиксела на основе p-n перехода, перед современными жидкокристаллическими пикселами.

7 Глава I. Литературный обзор. 1.1 Жидкие кристаллы и их свойства. Жидкий кристалл - это вещество, обладающее одновременно свойствами жидкости и кристалла. Жидкокристаллическое агрегатное состояние обеспечивается плавлением кристаллов некоторых веществ. Жидкие кристаллы имеют главное отличие от обычных кристаллов - это вязкость. Но несмотря на это отличие, они обладают упорядоченным расположением молекул, что характерно как раз для кристалла. Упорядоченное расположение молекул жидкого кристалла не такое как в обычных кристаллах, но общие черты расположения имеются и это влияет на оптические свойства жидких кристаллов, присущие твердым кристаллам. А также жидкие кристаллы обладают свойством текучести, так как нет жесткой кристаллической решетки. Родственным свойством жидких кристаллов и твердых кристаллов является наличие порядка ориентации молекул в пространстве. Такой порядок в ориентации молекул может проявляться, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристаллическом образце расположены в одном направлении, что схематично показано на рисунке 1.1. [1] Рис. 1.1. Модель расположения молекул нематического жидкого кристалла.

8 1.1.1 Жидкие кристаллы нематического типа. Жидкие кристаллы нематического типа имеют дальний ориентационный порядок: молекулы нематического жидкого кристалла (НЖК) длинными осями ориентированы приблизительно параллельно друг другу, но их центры масс расположены хаотично. При сохранении направления директора в них возможно вращение молекул вокруг длинных и коротких осей. Примерами нематиков, существующих при комнатной температуре, являются хорошо изученные соединения метоксибензилиден−бутиланилина (МББА) и 4-н-пентил-4'-цианобифенила (5ЦБ). Схематическое расположение нематической мезофазы представлено на рисунке 1.2. [2] Рис.1.2. Схематическое изображение расположения молекул жидкого кристалла нематического типа.

9 1.2. P-n переход. P-n переходом называют контакт двух объектов полупроводника противоположного типа проводимости. Схематическое изображение структуры p-n перехода представлено на рисунке 1.3. Поскольку концентрация электронов в полупроводнике n-типа значительно больше, чем в полупроводнике p-типа, то на границе раздела полупроводников создается перепад концентрации дырок и электронов. Это вызывает перетекание электронов из n-области в p-область и дырок из pобласти в n-область. Рис. 1.3. Структура p-n перехода. В результате ухода электронов из приконтактной области n-типа и дырок из приконтактной области p-типа на этих участках образуется обедненный от подвижных носителей заряда слой и появляется нескомпенсированный положительный заряд за счет ионов донорной примеси и отрицательный заряд за счет ионов акцепторной примеси. Запирающий слой, представляет, таким образом, область полупроводника с плотностью объемного заряда, наличие, которого приводит к образованию электрического поля. На рисунке напряженности поля вектором E, 1.3, изображено препятствующего направление дальнейшему

10 диффузионному перемещению электронов из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа и дырок p-типа в полупроводникn-типа. [3] Если приложить к n-области напряжение со знаком плюс, а к p-области напряжение со знаком минус (такое включение называют обратным), то внешнее электрическое поле будет замедлять электроны и дырки, двигающиеся к границе областей. Свободные электроны будут стремиться от границы в глубину n-области, к плюсу, а дырки будут стремиться от границы в глубину p-области, к минусу. Одновременно уменьшится и тормозящее поле, возникающее в p-n переходе. Как только электрическое поле вырастет настолько, что ни один электрон и ни одна дырка не сможет приблизиться к границе, обмен носителей заряда прекратится и ток перестанет протекать. Если приложить к n-области напряжение со знаком минус, а к pобласти напряжение со знаком плюс (такое включение называют прямым), то внешнее электрическое поле будет ускорять электроны и дырки, идущие к границе областей, в результате увеличится ширина зоны обмена и число стремящихся в эту зону зарядов. Сила электрического тока будет увеличиваться. Одновременно будет увеличиваться и тормозящее поле, возникающее в p-n переходе. Можно отметить, что хорошему протеканию тока способствует прямое включение p-n перехода, а обратное наоборот предотвращает протекание электрического тока. 1.3. Жидкокристаллические дисплеи прямого видения. В дисплеях прямого видения чаще всего используется твист-эффект в нематиках (TN). На рисунке 1.4 представлена схема активно-матричного TN дисплея. Схема содержит элементы, используемые в различных жидкокристаллических дисплеях. Два скрещенных поляроида располагаются

11 на внешней стороне панели дисплея. Ориентация молекул нематического жидкого кристалла задается на внутренней стороне подложек за счет натирания ориентирующего слоя в двух перпендикулярных направлениях. За счет подложек создается закрученная на 90° структура без действия электрического поля (твист-структура). Рис. 1.4. Схема активно-матричного TN дисплея: 1 - поляризованный свет; 2 поляризатор; 3 – стеклянная подложка; 4 – оксид индия-олова; 5 – слой нематического жидкого кристалла; 6 – тонкопленочный транзистор; 7 – ориентирующий слой; 8 – цветовой фильтр. Следует отметить, что двулучепреломление слоя НЖК зависит от угла наблюдения. Это сильно сказывается на качестве изображения при наблюдении под большими углами, что плохо сказывается на эффективном применении такого способа изготовления дисплеев. Ограниченность углов обзора и несимметричность оптических характеристик пропускания дали старт к развитию новых жидкокристаллических технологий. Однако благодаря своей простоте и малому времени отклика TN дисплеи достойны широкого практического применения.

12 Из-за недостатков TN дисплеев была разработана новая технология, по тем же принципам Twisted Neumatic+пленка (TN+Film), где главная роль пленки - это увеличение углов обзора. По сравнению с первыми TNдисплеями разработчикам удалось добиться серьезных успехов, не говоря уже о том, что дисплеи TN+Film являются самыми надежными и дешевыми на рынке. Углы обзора были увеличены до 140-160°, причем цветовые изменения при взгляде на экран под углом были сведены к нулю, но углы обзора по вертикали остались практически неизменными. Одной из самых больших проблем данной технологии остается не точная цветопередача. [4,7] 1.4. Дисплеи на основе твист-эффекта. В настоящее время наилучшие рабочие характеристики достигнуты при использовании твист-эффекта с поперечным приложением электрического поля IPS (In Plane Switching). Встречно-штыревые электроды расположены на одной подложке и создают поперечное азимутальное краевое поле, вызывая поворот директора в плоскости, рисунок 1.5.

13 Рис. 1.5. Микроскопические изображения пикселей (вверху) и схематические изображение (внизу) в структурах IPS. Такая схема управления получила название IPS (переключение в плоскости). Для увеличения пропускания света IPS ячейки необходимо было сделать зазоры между электродами порядка 1 мкм, что в свою очередь приводит к росту пропускания и увеличению области твиста. Зачастую встречаются IPS панели с светодиодной подсветкой. В них используются мощные светодиоды, а иногда матрицы с повышенной способностью пропускания света. Мощные светодиоды чаще всего используются на крупногабаритных панелях, а матрицы с повышенной способностью пропускать свет в дисплеях мониторов, телефонов и ПК. Повышенной светопропускной способностью обладают S-IPS II и H-IPS, что в свою очередь влияет на характеристики матрицы. На рисунке 1.6 показаны разновидности матриц IPS. [4] Рис. 1.6. Самые распространённые разновидности IPS матриц. Матрица S-IPS (Super - IPS) – была разработана как улучшенная технология стандартной IPS, ее главной особенностью является улучшенная контрастность и значительно меньшее время отклика. У матрицы H- IPS (Horisontal - IPS) была улучшена контрастность изображения и проведена балансировка белого цвета, что привело к реалистичности изображения. UH-

14 IPS матрица представляет собой, обновленную версию H-IPS панели. Главной задачей было снижение энергопотребления подсветки дисплеев. Благодаря уменьшению расстояния между субпикселями, UH-IPS дисплеи демонстрируют высокую контрастность и яркость одновременно, при высокой энерго-эффективности. 1.5 Матрица типа VA. Со временем стало понятно, что матрицы TN типа серьезно уступают по основным характеристикам IPS матрицам, но в то же время, IPS матрицы остаются дорогостоящими. В качестве выхода из непростой ситуации, компания «Fujitsu» разработала новую технологию производства жидкокристаллических матриц. Новый тип матриц получил название VA (Vertical alignment), что переводится как «вертикальное позиционирование». Этот тип матриц должен был стать компромиссом между TN и IPS матрицами, но без доработок матрица VA не смогла стать хорошим конкурентом. В VA матрицах жидкие кристаллы располагаются перпендикулярно фильтрам. Таким образом, в изначальном состоянии поляризованный свет свободно проходит через кристаллы и не выходит из матрицы, блокируясь вторым поляризатором. При подаче напряжения на контактную группу, кристаллы отклоняются от вертикальной оси и часть света проходит через второй фильтр. Однако в первых матрицах этой технологии были серьезные недостатки. При малейшем изменении угла обзора по горизонтали происходило искажение цвета изображения. Из-за этого недостатка получилось, что оттенок цвета зависит от того, с какой стороны смотреть на экран. [5]

15 Решение проблем было найдено той же компанией через пару лет и заключалось в переходе на так называемую «многодоменую структуру». Новую технологию назвали MVA, в каждой ячейке жидкие кристаллы дублировались и отклонялись одновременно при подаче напряжения в обе противоположные стороны, тем самым устраняя недостаток VA матрицы, схематическое строение MVA матрицы представлено на рисунке 1.7. Рис.1.7. Схематическое изображение ячейки в матрице MVA. Несмотря на то, что серьезные проблемы VA были исправлены новой матрицей MVA, полностью избавиться от искажений не получилось. При отклонении по горизонтали сдвиг цвета в матрице наблюдается, но не на столько сильно, чтобы считать это серьезным минусом. Среди основных матриц, матрица MVA является золотой серединой между технологиями в TN и IPS. По цветопередаче IPS матрица все еще опережает MVA, но яркость и контрастность изображения у MVA лучше. А матрица TN все еще имеет лучшее время реакции нежели, чем IPS и MVA. По большому счёту, отрицательных качеств MVA мало, незначительное искажение цветопередачи при отклонении по горизонтали, однако, что касается цены, она ниже чем за IPS. А вот положительных сторон тут гораздо больше: помимо уже упомянутого соотношения цены и

16 качества мониторы на этой матрице обладают наилучшим контрастом, поэтому являются идеальным выбором для людей, работающих с чертёжной графикой или текстом. 1.6. Проекционные аппараты. Технология жидкого кристалла на кремнии LCoS (Liquid Crystal on Silicon) - это технология жидкокристаллических микро дисплеев отражательного типа, использующая кремниевую пластину, на которой организована схема управления дисплеем. В данной технологии схема управления пикселем располагается под светоотражающим электродом, что не создает проблем для отражения света. В свою очередь это приводит к высокому коэффициенту использования полезной площади модуляции. Изображение, полученное с помощью LCoS, имеет меньшую непрерывность относительно дисплеев просветного типа. Структура проекторов на базе LCoS с использованием трех модуляторов продемонстрированна на рисунке 1.8.

17 Рис. 1.8. Схема проектора на LCoS микро дисплейных модуляторах. Входной, не измененный и не поляризованный пучок света поступает на грань PBS призмы (светоделительная поляризующая призма). После отражения пучок света становится поляризованным в плоскости. Эффект поляризации обеспечивается в основном за счет оптически анизотропной пленки, нанесенной на границы призмы поляризатора. Отраженный свет проникает сквозь слой жидкокристаллического материала. Далее происходит отражение от зеркальных электродов пикселя, что приводит к повторному прохождению через слой жидкого кристалла, который меняет направление поляризации (S) входящего пучка света, на направление (P) в зависимости от приложенного напряжения. В результате пучок света становится пространственно поляризованным. [6] Для проекции изображения на выходе модулятора стоит второй анализатор с (P) направлением вектора, через который проходит только та часть пучка, которая имеет (P) вектор поляризации. В кубе блока модуляторов происходит разделение компонент цвета и распределение в плоскости трех дисплейных модуляторов. Через

18 светорасщипительную линзу отраженные световые потоки проходят в объектив создавая собой выходящее изображение. Гава II. Экспериментальная часть. 2.1. Жидкокристаллическая ячейка. В эксперименте была задействована кремниевая пластина n типа проводимости. При помощи ионного легирования и фотолитографии в ней были созданы зоны проводимости типа p, уровень легирования области p на порядок выше области n. На кремниевой пластине выращен тонкий слой окиси кремния (SiO2), толщина которого примерно 0.4 мкм. На рисунке 2.1 схематично изображено сечение кремниевого образца. Изображение фрагмента кремниевой пластины продемонстрированно на рисунке 2.2 сделанного фотокамерой в микроскопе.

19 Рис. 2.1. Сечение кремниевого образца. Рис. 2.2. Изображение фрагмента кремниевого образца, снятого фотокамерой в микроскопе. Вид сверху. На кремниевую пластину, тонким слоем был нанесен нематический жидкий кристалл 5CB (пентилцианобифенил) с положительной анизотропной проницаемостью, с исходно гомеотропной ориентацией молекул. Распределение слоя жидкого кристалла по кремниевой пластине имеет клиновидную форму (максимальная толщина нематика в клине приблизительно 10 мкм), с целью варьирования толщины слоя жидкого кристалла в эксперименте. Положив стекло на жидкий кристалл, была создана жидкокристаллическая ячейка (ЖК ячейка). изображение сечения ЖК ячейки представлено на рисунке 2.3. Схематическое

20 Рис.2.3. Схематическое изображения клиновидной жидкокристаллической ячейки. 2.2. Экспериментальная установка. Экспериментальная установка, собранная для исследования свойств переориентации слоя жидкого кристалла под действием электрического поля p-n перехода, отображена на рисунке 2.4 и состоит:

21 Рис. 2.4. Схематическое строение экспериментальной установки 1- жидкокристаллическая ячейка, 2- компьютер, 3- лазер, 4- микроскоп, 5генератор, 6- вольтметр. Генератор, предназначен для генерирования напряжения. Вольтметр, для изменения напряжения. Компьютер используется для оцифровки данных полученных в микроскопе. Микроскоп снабжен камерой для подробного рассмотрения ячейки с возможностью фотографирования изображения. Гелий-неоновый лазер (He-Ne) 635нм, когерентный источник света, предназначенный для жидкокристаллической исследования ячейки. свойств светочувствительности Жидкокристаллическая ячейка, подключается к генератору, для создания электрического поля p-n перехода. 2.3. Переориентация жидкого кристалла под действием напряжения.

22 К жидкокристаллической ячейке при помощи контактов подведено переменное напряжение, схематическое подключение контактов изображено на рисунке 2.5. и 2.6. В зависимости от момента времени фазы переменного напряжения, подключение будет прямым или обратным относительно p-n перехода. В момент времени включения фазы соответствующей прямому подключению напряжения, электрического поля p-n перехода проходящего в слой диэлектрика не будет. А в момент времени соответствующий обратному подключению напряжения, появится электрическое поле, проникающее в слой диэлектрика. Рис. 2.5. Фаза в момент переменного напряжения соответствующая обратному смещению p-n перехода. Рис. 2.6. Фаза в момент переменного напряжения соответствующая прямому смещению p-n перехода.

23 В момент времени фазы обратного включения напряжения, на границе областей p и n появляется электрическое поле, которое распределяет молекулы жидкого кристалла и переориентирует их. В момент времени фазы обратного смещения появляется электрическое поле, которое проникает в слой диэлектрика, а затем в слой жидкого кристалла. На рисунке 2.7 представлены распределения слоя молекул под действием приложенного напряжения. Рис. 2.7. Схематическое распределение слоя молекул жидкого кристалла а - под действием электрического поля p-n перехода, б –в отсутствии электрического поля p-n перехода. 2.4. Пороги переориентации нематика полем p-n перехода при разной толщине слоя жидкого кристалла. В жидкокристаллической ячейке, слой жидкого кристалла нанесен равномерно, но имеет разную толщину вдоль плоскости кремниевой пластины. Прикладывая напряжение к ЖК ячейке и анализируя переориентацию молекул, были получены графики зависимости порогового напряжения слоя переориентации жидкого кристалла U (В) от толщины слоя нематика d(мкм).

24 Измерения проводились при разных частотах переменного напряжения, а напряжение смещения удерживалось в значении Udc=0 В. Пороговое напряжение над p областью при частоте 2 кГц Пороговое напряжение над n областью при частоте 2 кГц Пороговое напряжение над p областью при частоте 10 кГц Пороговое напряжение над n областью при частоте 10 кГц Пороговое напряжение над p областью при частоте 100 кГц Пороговое напряжение над n областью при частоте 100 кГц Пороговое напряжение U,В 12 10 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 Толщина слоя жидкого кристалла d, мкм Рис. 2.8. Зависимость порогового напряжения переориентации слоя жидкого кристалла от толщины нематика, при разных частотах. Напряжение смещения Udc=0 В. Исходя из графика, представленного на рисунке 2.8, можно заметить, что чем больше толщина слоя жидкого кристалла, тем меньше пороговое напряжение необходимое для переориентации молекул жидкого кристалла. Так же в ходе анализа результатов было выяснено, что при одной и той же толщине ЖК, переориентация молекул над областями n и p, n-p перехода различна. На рисунке 2.8 так же можно видеть, что при одной и той же толщине, переориентация молекул со стороны p области происходит при

25 большем пороговом напряжении, нежели чем в n области, что связано с более высокой степенью легирования р области p-n перехода. На рисунке 2.9 продемонстрирована неодинаковая ширина переориентации слоя жидкого кристалла над p и n областями p-n перехода в жидкокристаллической ячейке, к которой приложено напряжение U=9.8 В, частота 40 кГц. Рис. 2.9. Возбуждение слоя жидкого кристалла, где показана неодинаковость ширины переориентации слоя молекул нематика над p и n областями, при поданном напряжение 9.8 В и частоте 40 кГц. Красной линией отмечена металлургическая граница p-n перехода. 2.5. Переориентация молекул жидкого кристалла над областями p-n перехода. Анализируя переориентацию слоя жидкого кристалла было выяснено, что она происходит не симметрично относительно границы раздела областей p и n, и имеет различную ширину области переориентации.

26 На рисунке 2.10 представлены изменения ширины переориентации слоя жидкого кристалла над n и p областями p-n перехода, при этом изменялась частота переменного напряжения, а напряжение смещения было нулевым. Ширина переориентации над p областью при частоте 2кГц Ширина переориентации над n областью при частоте 2кГц Ширина переориентации над p областью при частоте 10кГц Ширина переориентации над n областью при частоте 10кГц Ширина переориентации над p областью при частоте 100кГц Ширина переориентации над n областью при частоте 100кГц Ширина переориентации слоя ЖК L, мкм 10 8 n 6 4 p 2 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Напряжение U, В Рис. 2.10. Зависимость ширины переориентации слоя жидкого кристалла над областями p и n от приложенного напряжения при разных частотах. Буквами n и p обозначены кривые, соответствующие областям наблюдения. Udc=0 В. Как видно на рисунке 2.10, переориентация слоя жидкого кристалла над областью n имеет большую степень отклонения от вертикали директора жидкого кристалла, чем над областью p. Так же стоит отметить, что анализ проводился для области, где толщина жидкого кристалла, нанесенного на кремниевую пластину, не достигала толщины больше 5 мкм.

27 Анализируя электрооптический отклик жидкого кристалла на электрическое поле p-n перехода в жидкокристаллической ячейке возник вопрос, как поведет себя переориентация слоя молекул жидкого кристалла при неизменном пороговом напряжении, но при изменении напряжения смещения. На рисунке 2.11 представлен анализ данных полученных при измерении процесса переориентации жидкого кристалла, при изменении Ширина переориентации слоя ЖК L , мкм частоты и напряжения смещения. Ширина переориентации над p областью при частоте 2кГц Ширина переориентации над n областью при частоте 2кГц Ширина переориентации над p областью при частоте 10кГц Ширина переориентации над n областью при частоте 10кГц Ширина переориентации над p областью при частоте 100кГц Ширина переориентации над n областью при частоте 100кГц 12 10 n 8 6 4 p 2 0 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 Напряжение смещения Udc , В Рис. 2.11. Зависимость ширины переориентации молекул жидкого кристалла, над областями p и n, p-n перехода от напряжения смещения Udc. Буквами n и p обозначены кривые, соответствующие областям наблюдения. По рисунку 2.11 можно заметить, что ширина переориентации молекул жидкого кристалла над областью n больше, чем над областью p. Однако так же можно заметить, что при отрицательном смещении напряжения, значение

28 ширины над областью n и над областью p не столь отличны, а при положительном смещении напряжения, толщины слоя жидкого кристалла становятся более отличны по величине. Это хорошо показано на рисунке 2.12. Рис. 2.12. Переориентация слоя жидкого кристалла: а - при напряжении смещения Udc= -2.98 В, б - при напряжении смещения Udc= 5.56 В и частоте 40 кГц. 2.6. Переориентация тонкого слоя жидкого кристалла. На кремниевой пластине нанесен тонкий слой жидкого кристалла, который удерживается приложенным стеклом. Для изучения переориентации слоя жидкого кристалла при малых толщинах нанесенного нематика, удерживающее стекло было удалено. В результате образовалась область, где большая доля жидкого кристалла с поверхности кремниевой пластины «сбежала», причем остаточное количество таково, что наблюдается интерференция в неполяризованном свете. Это дало возможность проанализировать переориентацию жидкого кристалла, при экстремально малой толщине слоя нематика.

29 На рисунке 2.13, отчетливо видны области, в которых жидкий кристалл с явным двулучепреломлением остался на кремниевой пластине, а в каких областях двулучепреломление жидкого кристалла отсутствует. Рис. 2.13. Переориентация молекул жидкого кристалла при частоте 40 кГц и напряжении 5.8 В: а - области наличия слоя жидкого кристалла с явным двулучеприломлением; б - области жидкого кристалла, где отсутствует двулучепреломление; в – интерференция на тонких пленках. Так же видно, на рисунке 2.13, что на образце имеется интерференция на тонких пленках (в), что характеризует наличие интерференции в очень тонком слое жидкого кристалла на кремниевой пластине. По формуле 2.1 была выполнена оценка толщины жидкого кристалла в близи области p-n перехода и интерференционных полос. (2.1) где, λ - длина волны; n - показатель преломления среды, была взята величина 1,4; m-порядковый номер кольца; d-толщина слоя.

30 Оценка толщины пленки жидкого кристалла составила приблизительно d≈0.8 мкм, что является очень малой толщиной. Однако можно заметить по рисунку 2.14, что даже при такой малой толщине жидкого кристалла наблюдается переориентации слоя жидкого кристалла под действием поля pn перехода. Рис. 2.14 Переориентация молекул, при толщине жидкого кристалла d≈0.8мкм. Измерения были сделаны при частоте 100 кГц и поданное напряжение на кремниевую пластину составило 9 В, Udc=0 В. На кремниевой пластине вследствие открытой поверхности жидкого кристалла в слое нематика образовались «пылинки», которые за счет конечных размеров увеличивают толщину слоя жидкого кристалла в окрестности этих «пылинок», поэтому в их области, переориентация ЖК наблюдается самым лучшим образом. Это можно видеть на рисунке 2.15.

31 Рис. 2.15. Переориентации молекул жидкого кристалла в окрестности «пылинок» в слое образца жидкого кристалла. Напряжение поданное на кремниевую пластину составило 6,8 В, Udc=0 В, частота 100 кГц. 2.7. Оценка ширины пикселя дисплея современного устройства. В ходе изучения и анализа свойств переориентации молекул ЖК, под действием электрического поля p-n перехода появилась необходимость сравнения некоторых параметров, которые имеют промышленные жидкокристаллические дисплеи. Была проведена сравнительная оценка размеров пиксела дисплея современного устройства (телефон) и ширины переориентации слоя нематического жидкого кристалла под действием электрического поля p-n перехода. На рисунке 2.16 представлены пиксели дисплея современного устройства компании Xiaomi, под увеличением в микроскопе. Анализируя рисунок 2.16, была оценена ширина пиксела одного цвета, L≈15мкм.

32 L Рис. 2.16 Пикселы дисплея в современном устройстве компании Xiaomi, с плотностью пикселей 440 ppi, L≈15 мкм. Поскольку значение ширины пиксела дисплея в современном устройстве удалось оценить, появилась необходимость сравнения этой величины с шириной переориентации слоя жидкого кристалла, нанесенного на кремниевую пластину в электрическом поле p-n перехода. Исходя из пункта 2.6, где было определено, что переориентация молекул возможна при малых толщинах ЖК, будем считать целесообразным сравнение ширины пиксела дисплея с шириной переориентации на образце в области с малым содержанием ЖК, рисунок 2.17.

33 Рис. 2.17 Переориентация молекул жидкого кристалла при малых толщинах слоя жидкого кристалла (d≈0,8 мкм), под действием приложенного напряжения U=9 В и частоте 100 кГц: а - ширина слоя переориентации в окрестности «единичного» p-n перехода L≈6 мкм; б - ширина слоя переориентации «соседних» p-n переходов L≈3 мкм. Оценка ширины переориентации в области с тонким слоем жидкого кристалла дала результат L≈6 мкм, в окрестности единичного p-n перехода. Оценивая переориентацию слоя жидкого кристалла в области соседних p-n переходов, был получен результат L≈3 мкм. Исходя из данных оценок, можно сказать, что переориентацию слоя жидкого кристалла исследуемого образца вполне возможно считать пикселем изображения, к тому же ширина переориентации молекул ЖК меньше, чем ширина пиксела дисплея у современного устройства. Оценивая ширину переориентации молекул жидкого кристалла в областях с большим слоем жидкого кристалла (d≈2 мкм), был получен результат L≈10 мкм, что так же является меньшим значением, чем в дисплее современного устройства. 2.8. Переориентация слоя жидкого кристалла над областью травления окиси кремния. Жидкокристаллическая ячейка имеет напыленный слой окиси кремния (SiO2), на который нанесен слой жидкого кристалла. В ходе эксперимента было необходимым наблюдение за переориентацией молекул жидкого кристалла над областью травления оксида кремния.

34 На рисунке 2.18, видна область травления оксида кремния, ее толщина не одинакова относительно плоскости ЖК ячейки, а имеет вид «эстакады», схематическое изображение представлено на рисунке 2.19. Рис. 2.18. Область травления оксида кремния. Напряжение приложенное к ячейке 0 В, Udc = 0 В. Рис. 2.19. Схематическое изображение жидкокристаллической ячейки после травления слоя оксида кремния на кремнии.

35 На рисунке 2.20, представлен график, на котором видно, что яркость (в условных единицах) отраженного света от области переориентации слоя жидкого кристалла над травленой зоной выше, нежели чем над областью, где полномерно нанесен оксид кремния (SiO2), при одном и том же напряжении. По этим результатам можно сказать, что чем тоньше слой оксида кремния, тем больше электрическое поле, которое вызывает переориентацию молекул жидкого кристалла. 95 Яркость при частоте 10 кГц травленой области Яркость при частоте 10 kГц не травленой области Яркость при частоте 40 кГц травленой области Яркость при частоте 40 кГц не травленой области Яркость при частоте 100 кГц травленой области Яркость при частоте 100 кГц не травленой области Яркость отраженного света I , усл. един. 90 85 80 a 75 70 65 60 б 55 5 6 7 8 9 10 Напряжение U , B Рис. 2.20. Зависимость яркости отраженного света от слоя переориентированного нематика, при изменении напряжения над областью травления (а) и над областью с нетронутым оксидом кремния (б). Напряжение смещения Udc=0 В.

36 На рисунке 2.21, видна область травления оксида кремния. Так же можно заметить, что переориентация молекул жидкого кристалла не происходит там, где оксид кремния стравлен полностью, все потому, что для переориентации слоя жидкого кристалла на кремниевой пластине, необходимо приложить большее напряжение. Наблюдается не выраженная переориентация слоя жидкого кристалла в области, где оксид кремния не травлен. Это объясняется тем, что над областью травления, электрическое поле p-n перехода, которое переориентирует молекулы жидкого кристалла больше, чем над не травленой областью. Рис. 2.21. Переориентация молекул жидкого кристалла над областью травления оксида кремния (SiO2). Поданное напряжение на кремниевую пластину составило 9 В, Udc=0 В, частота 100 кГц. 2.9. Светочувствительность пиксела.

37 Поскольку важным критерием работы пикселя служит его светочувствительность, а именно, реакция переориентации молекул жидкого кристалла в полупроводниковой структуре на действие света, стало необходимым исследование реакции переориентации молекул жидкого кристалла под действием света. Переориентация молекул жидкого кристалла электрическим полем p-n перехода зависит от частоты, от напряжения и напряжения смещения. Это те параметры с помощью которых производится управление пикселем. На рисунке 2.22 представлен график зависимости порогового напряжения переориентации слоя жидкого кристалла от частоты при действии лазера и без действия лазера. При этом параметр напряжения смещения менялся от 0 В до 5 В. Без действия лазера(При Udc=0v) Под действием лазера(При Udc=0v) Без действия лазера(При Udc=1v) Под действием лазера(При Udc=1v) Без действия лазера(При Udc=2v) Под действием лазера(При Udc=2v) Без действия лазера(При Udc=3v) Под действием лазера(При Udc=3v) Без действия лазера(При Udc=4v) Под действием лазера(При Udc=4v) Без действия лазера(При Udc=5v) Под действием лазера(При Udc=5v) Пороговое напряжение U , В 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 0 20 40 60 Частота кГц 80 100 120

38 Рис. 2.22. Зависимость порогового напряжения переориентации слоя жидкого кристалла под действием излучения лазера и без действия излучения лазера, от частоты. Пятно лазерного излучения направлено на область p-n перехода. На рисунке 2.22 видно, что при увеличении напряжения смещения, разница в значениях порогового напряжения переориентации слоя жидкого кристалла под действием лазерного излучения и без действия лазера в области p-n перехода, становится меньше. Этот результат показывает, что светочувствительность переориентации молекул жидкого кристалла электрическим полем p-n перехода (пикселя) регулируема напряжением смещения, приложенным к кремниевой пластине. Так же стоит отметить то, что при увеличении напряжения смещения, пороговое напряжение переориентации жидкого кристалла, уменьшается при разных частотах. На рисунке 2.23 представлена зависимость порогового напряжения структуры слоя жидкого кристалла от напряжения смещения приложенного к кремниевой пластине, под действием лазера и без действия лазера, при разных частотах.

39 Пороговое напряжение без лазера при 2 кГц Пороговое напряжение с лазером при 2 кГц Пороговое напряжение без лазера при 10 кГц Пороговое напряжение с лазером при 10 кГц Пороговое напряжение без лазера при 50 кГц Пороговое напряжение с лазером при 50 кГц Пороговое напряжение без лазера при 80 кГц Пороговое напряжение с лазером при 80 кГц Пороговое напряжение без лазера при 100 кГц Пороговое напряжение с лазером при 100 кГц 4,0 Пороговое напряение U, В 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0 1 2 3 4 5 Напряжение смещения Udc, В Рис. 2.23. Зависимость порогового напряжения переориентации молекул жидкого кристалла под действием генерированного излучения лазера и без действия излучения лазера, от напряжения смещения приложенного к кремниевой пластине, при разных частотах. Пятно лазерного излучения направлено на область p-n перехода. Как можно заметить по рисункам 2.22 и 2.23, чем выше напряжение смещения, приложенное к кремниевой пластине, тем меньше реакция переориентации молекул жидкого кристалла, на лазерное излучение, направленное на область p-n перехода. При некоторых частотах, по результатам измерения, разницы между переориентацией молекул под действием лазера и без его действия не замечалось. Это говорит о том, что светочувствительность структуры переориентации слоя жидкого кристалла под действием электрического поля p-n перехода (пикселя) регулируема.

40 Если проанализировать результаты яркости отраженного света от слоя переориентированной области жидкого кристалла, под действием излучения лазера, и без действия излучения, при разных напряжениях смещения, можно заметить, что при увеличении напряжения смещения, приложенного к кремниевой пластине, яркость отраженного света от переориентированной области, становится практически одинакова, что подтверждает факт, который представлен выше. Напряжением смещения, приложенным к кремниевой пластине, можно регулировать свойство светочувствительности области переориентации молекул жидкого кристалла в электрическом поле p-n перехода (пикселя). Результаты представлены в виде графиков на рис 2.24. Яркость области переориентации молекул жидкого кристалла указана в условных единицах, измерения были проведены при разных частотах, и поданное на образец напряжение составляло 3.5 В. 200 Яркость отраженного света I , усл.един. 175 150 125 100 Яркость без действия лазера при частоте 10 кГц Яркость под действием лазера при частоте 10 кГц Яркость без действия лазера при частоте 50 кГц Яркость под действием лазера при частоте 50 кГц Яркость без действия лазера при частоте 80 кГц Яркость под действием лазера при частоте 80 кГц Яркость без действия лазера при частоте 100 кГц Яркость под действием лазера при частоте 100 кГц 75 50 0 1 2 3 4 5 Напряжение смещения Udc , В Рис. 2.24. Зависимость яркости области переориентации жидкого кристалла, под действием излучения лазера, направленного на область p-n перехода, от

41 напряжения смещения, приложенного к кремниевой пластине, при разных частотах. Напряжение, приложенное к ЖК ячейке U=3.5 В. На рисунке 2.25, наглядно продемонстрирована яркость переориентации молекул жидкого кристалла под действием излучения лазера, направленного на область p-n перехода и без действия излучения лазера. Изображения получены при частоте 10 кГц и напряжении смещения Udc=0 В. Рис. 2.25. Яркость отраженного света от переориентированного слоя нематика: а - под действием излучения лазера, направленного на область p-n перехода; б - без действия излучения лазера. При приложенном к ЖК ячейке напряжении 3.5 В, частоте 10 кГц и напряжении смещения Udc=0 В. По рисунку 2.25 заметно, что при малых напряжениях смещения, яркость области переориентации молекул жидкого кристалла под действием излучения лазера практически пропадает, относительно светимости без воздействия излучения лазера. На рисунке 2.26 продемонстрировано, как увеличение напряжения смещения влияет на яркость области переориентации жидкого кристалла под действием излучения лазера.

42 Рис. 2.26. Яркость области переориентации молекул жидкого кристалла: а под действием лазерного излучения на переориентированную область жидкого кристалла; б - без действия лазерного излучения. При напряжении, поданном на ЖК ячейку 3.5 В, частоте 10 кГц и напряжении смещения Udc=4 В. Таким образом, меняя напряжение смещения, при одной и той же частоте и одном и том же поданном напряжении, область переориентации молекул жидкого кристалла и яркость отраженного света от переориентированной области, будет меняться. С помощью изменения напряжения смещения можно добиться одинаковой яркости переориентированной области жидкого кристалла, под действием излучения лазера и без действия излучения лазера. Говоря о светочувствительности пикселя, нужно понимать, что свет (генерированная область лазерного излучения) может действовать на структуру переориентированной области жидкого кристалла находясь вблизи p-n перехода. В связи с этим была необходимость проверить пороговое напряжение переориентации слоя жидкого кристалла при разной удаленности области генерации неравновесных носителей заряда в кремнии (область пятна лазера), от p-n перехода (пикселя). На рисунке 2.27,

43 представлена зависимость порогового напряжения переориентации молекул жидкого кристалла под действием излучения лазера и без его действия от расстояния расположения пятна лазера. Измерения были сняты при разных частотах и напряжении смещения Udc = 0 В. Пороговое напряжение без действия лазерного излучения при 2кГц Пороговое напряжение под действием лазерного излучения при 2кГц Пороговое напряжение без действия лазерного излучения при 10кГц Пороговое напряжение под действием лазерного излученияпри 10кГц Пороговое напряжение без действия лазерного излучения при 50кГц Пороговое напряжение под действием лазерного излучения при 50кГц Пороговое напряжение без действия лазерного излучения при 80кГц Пороговое напряжение под действием лазерного излучения при 80кГц Пороговое напряжение без действия лазерного излучения при 100кГц Пороговое напряжение под действием лазерного излучения при 100кГц Пороговое напряжение U , В 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 0 50 100 150 200 250 Удаленность пятна лазера от p-n перехода , мкм Рис. 2.27. Зависимость порогового напряжение переориентации нематика от удаленности области генерации неравновесных носителей заряда в кремнии под действием излучения лазера, Udc=0 В. Как можно заметить на рисунке 2.27, имеется разница значений между пороговым напряжением области переориентации под действием лазерного излучения и без его действия, когда лазерное излучение падает на область p-n перехода. Однако при отдалении лазерного излучения от области переориентации слоя жидкого кристалла, видно, что влияние лазерного излучения на область p-n перехода становится меньше и значения порогового напряжения практически одинаковы, что позволяет говорить о том, что

44 светочувствительность пикселя зависит от расположения места генерации лазерного излучения относительно области p-n перехода. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе выполнения магистерской диссертации получены следующие результаты: - исследована переориентация слоя нематического жидкого кристалла (прототип пикселя) электрическим полем p-n перехода. - продемонстрированно влияние толщины жидкого кристалла на пороговое напряжение переориентации слоя нематика. - показано, что частота и амплитуда переменного напряжения может выступать управляющим параметром переориентации нематика электрическим полем p-n перехода. - показано, переориентации что достижимые жидкого кристалла минимальные (пиксел) полем размеры области «соседних» p-n переходов достигают L≈3 мкм, а единичного p-n перехода около 6 мкм, что меньше аналогичных размеров пиксела L≈15 мкм дисплеев современных устройств (например, дисплей компании Xiaomi с плотностью пикселей 440 ppi). - показано влияние пассивирующего p-n переход диэлектрика SiO2 на характеристики переориентации нематика электрическим полем p-n перехода. Уменьшение толщины диэлектрика SiO2 приводит к увеличению интенсивности отраженного от пиксела света, тогда как полное удаление диэлектрика исключает переориентацию нематика.

45 - показано, что постоянное смещение p-n перехода существенно влияет на светочувствительность пикселя и может выступать управляющим параметром. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Блинов Л.М., жидкие кристаллы: структура и свойства. Книжный дом «либроком», Москва 2013. 2. П. Де Жен. Физика жидких кристаллов. Издательство «мир», Москва 1977. 3. Лысенко А.П., Физические процессы в p-n-переходе. учебное пособие для студентов высших учебных заведений. Москва 2009. 4. Томилин М.Г., Невская Г.Е.. Дисплеи на жидких кристаллах. Учебное пособие. САНКТ-ПЕТЕРБУРГ, 2010. 5. Беляев В.В. Современные электронные дисплеи // Электр. комп. 2002. №1. 6. Самарин А. ЖК-микродисплеи, использующие технологию LCoS // Электронные компоненты. 2005. № 3–4. 7. Грошев А.А., Сергеев В.Б. Устройства отображения информации на основе жидких кристаллов. Л., Изд. Энергия. Библиотека по автоматике. 1977. Вып. 570. 8. Сухариер А.С. ЖК индикаторы. М., Радио и связь. 1991. 9. Богданов С.И. Гудкова В.А. Колесников Д.А. Кучеев С.И. Плесканёв А.А. «Дифракционная решетка индуцируемая электрическим полем p-n переходов в нематической ячейке». Научные ведомости «БелГУ». Серия: математика. Физика 27 (276) том 49. 2017.

46 10. Гончаров И.Ю., Колесников Д.А., Кучеев С.И. 2014. Нестационарная локальная переориентация нематика в ячейке с кремниевым p-n переходом. Письма в ЖТФ. 40(9): 758-761

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв