发射器件

关键词： 器件 发射机 温度

发射器件（精选四篇）

发射器件 篇1

测温点涵盖发射机所有大型器件,包括高压、高电流部位,如真空电容、电感线圈、电源接线端子、真空接触断路器等。在实际施工中,荧光测温探头方便安装,走线布局合理,便于日后长期在线测温和日常设备维护。

1 荧光光纤测温技术原理

荧光光纤测温技术是采用特殊的材料,即稀土荧光物质材料,这些稀土材料中的荧光物质在受到紫外线照射产生激发后,敏感材料中的电子吸收光子后,从低能级跃进到激发的高能级,然后再从高能级返回到低能级的过程中发出荧光,这种荧光是可以在可见光谱中发射线状的光谱,光谱就是荧光及其余辉。其中,余辉部分是在激励停止后发出的光。荧光余辉的衰变时间常数为温度的单值函数。我们测得时间常数的数值,就可以得出具体测温点的温度。

激励光发出的光脉冲,通过专用的光耦合器调制后导入光纤传感器中,然后再由光纤传感器反射回一特定需要波长的光信号,此时这个光信号就含有被测点的温度成分,信号处理电路单元再对该光信号进行分离解析后,计算其温度成分得出被测点的实际温度。

应用这种方案测温最大优点是被测目标的温度只会与荧光材料的时间常数有关,而与其他变量均没有关系,即激励光强弱大小的变化、传输过程中产生的损耗以及光耦器的使用效率等都不影响测量的准确性。因此,相对于其他测温方法有明显的优势,具有互换性高、稳定性好、无需标定、寿命长等优点。

2 荧光光纤测温技术方案

2.1 荧光光纤测温系统框图

温度解调仪安装在发射机柜顶端,多路感温光纤分别对机柜内器件进行温度监测,通过RS485总线上传实时温度数据至监控计算机,如图1所示。

2.2 荧光光纤传感探测器

荧光光纤传感探针探头非常小,只有普通光纤头的大小,其荧光物质完全在其内部。因此,可以在被测器件上直接部署安装,它具备响应速度高、测量精度准确的特性,光纤采用特殊工艺加工而成,所以具有带宽无限大、温度信号特别稳定的优点。因为光纤探头不带有任何金属部分,所以抗发射机电磁干扰能力强、抗高温、高磁场等优点,非常适合在发射机高温、高磁场、高辐射的环境中使用。

2.3 光纤温度解调仪

光纤温度解调仪属于双向工作模式,在实时向探头发射光脉冲时,接收并解调光纤传感探针传输回来的带有温度成分的光信号,并把其转换为温度数值。它具备温度监测功能,当实际测量点的温度数值大于预先设置报警温度数值时就会发出报警信号。解调仪可以多种工作机制,可单机工作,也可多台以组网方式应用,所以很适用于不同测温点数的需求。

测温解调仪通过FC/APC接口将多路感温光纤感应的温度信息经光学滤波、光电转换、放大、AD转换等系列程序转变为数字信号,在进行大规模数字处理后,测温解调仪将信息通过RS485上传至监控计算机,计算机通过以太网将数据传送到上端平台。

2.4 光纤测温软件

人机交互界面的主要功能包含实时显示测量温度、实时温度曲线、历史曲线、按条件查询显示温度数据、温度曲线对比、测温点数据统计、数据备份及导出、声音报警、TCP/IP协议网络数据传输等功能。如图2所示。

3 结语

本文以发射机荧光光纤测温技术为研究对象,针对发射机工作环境中涉及高压、高频、高磁场,不能用带有任何金属探讨在线采集温度的问题,进行分析研究,给出合理的测温解决方案;并重点对各个模块功能进行介绍,以便发射台合理选择最优组合方案,为发射机设备的稳定可靠运行发挥了一定的支撑作用。

参考文献

[1]林燕.光纤通信技术[M].北京:人民邮电出版社.2014.

[2]贾丹平,伞宏力,赵立民.荧光光纤温度测量技术及应用[M].北京:科学出版社.2015.

甚低频固态发射机功率器件分析 篇2

1 功率MOSFET的开关特性及导通电阻

功率MOSFET属于电压全控型器件,导通与截止是通过控制MOSFET的栅源电压UGS来实现的。输入阻抗高,只需很小的门极电流使其导通或截止,驱动功率小,大大简化了驱动电路,导通时仅需提供较小的UGS,例如UGS=15 V,截止仅需提供UGS=0 V;工作频率高,可达兆赫兹。MOSFET的导通时间ton包括导通延迟时间td(on)和上升时间tr, ton= td(on)+ tr;截止时间toff包括关断延迟时间td(off)和下降时间tf, toff= td(off)+ tf。APT5010JVFR型MOSFET的参数如表1所示,开关时间最大约为200 ns。器件选择时,要求开关时间远远小于开关周期,若取周期为2 μs,其工作频率可达500 kHz。开关频率较高时,器件开关损耗会随之增大,成为器件功率损耗的主要因素。

漏-源间的导通电阻RDS(on)限制着MOSFET的的功率承受能力,尤其在高压下,损耗主要归因于RDS(on):

RDS(on)=Rsource+RCH+RA+RJ+RD+RSUB+RWCML (1)

RDS(on)的组成如图1所示,其中Rsource为源电阻,RCH为沟道电阻,RA为积聚电阻,RJ为结电阻,RD为漂移电阻,RSUB为底层电阻,RWCML为总的线电阻。对于高压MOSFET,由于导电沟道较长,RDS(on)主要由外延层电阻REPI组成,为REPI=RA+RJ+RD,耐压为600 V的MOSFET,REPI占RDS(on) 95%以上。随着功率MOSFET耐压的提高,RDS(on)的增长更快,使电流容量受到限制。高压MOSFET的导通电阻随着结温的增加而增加,导通电阻与结温的关系为:

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其中α=0.6,…,0.9。例如125 ℃时的导通电阻大概是25 ℃时的2倍。导通损耗功率Pcon为:

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在高压情况下,Pcon占MOSFET总损耗的2/3～4/5,使MOSFET在高压下的应用受到极大限制。图2示出了MOSFET耐压升高时各部分所占的损耗功率的比例。

2 IGBT的开关特性及导通损耗

IGBT也属于电压全控型器件,它是功率MOSFET 的派生器件,物理结构上是MOSFET和BJT的结合体。IGBT具有开关频率高、耐压高、可靠性高和驱动简单等特点。尽管IGBT具有很高的开关速度(见表2FS150R12KE3型IGBT),但它与MOSFET还有一定的差距,这主要是IGBT在关断时,电流存在拖尾现象,如图3所示,使其关断时间延长,且增加了开关操作损耗。IGBT最大开关频率主要受整体开关操作损耗的限制,在80～100kHz范围内应用时,MOSFET 70%的损耗是由导通损耗引起的,而 IGBT 70%的损耗是由开关操作引起的。IGBT开关损耗高于MOSFET,使得IGBT更进一步的快速化难以实现。导通状态时,由于IGBT从芯片背面的P层有附加载流子注入,图4 所示,带电载流子形成显著的高度集中状态,这类载流子与导通电流所提供的电子可保持平衡,其所集中的整体载流子为基本杂质浓度的千百倍,因此可使导通电阻RDS(on)获得大幅改善。在开关操作时,须大量释放出载流子,在IGBT内产生极具特色的“拖尾电流”。

IGBT为防止在雪崩电压下自顶部P层向背面的P层穿透,其特征变化的厚度比同样耐压的MOSFET更厚,所以IGBT抗雪崩较差。若需在雪崩状态下使用时,则要使用高耐压的产品。对于耐压500 V的MOSFET 产品,如用IGBT产品替代时则要求耐压达600 V以上。但是,虽然在相同的耐压条件下,IGBT的抗雪崩效应低于MOSFET,但是IGBT可达到的雪崩电压高,甚至到几千伏,远远高于MOSFET,且承受电流大,达到上千安,这使得IGBT适合应用在大电压、高功率设备中,尤其适合用于电压超过600 V,单管功率超过5 kW以上的设备中,在开关频率允许的条件下,1个IGBT可取代多个大功率的MOSFET。

3大功率固态放大器功率器件在甚低频发射机中的应用

若选择APT5010JVFR型MOSFET实现50 kW输出,该器件开关时间为200 ns,耐压为500 V,导通状态漏极电流为44 A,为安全起见,其MOSFET的的使用参数定为Ea=0.5 VDSS,ID=0.25ID(on),采用32个H功放桥,如图5所示,共128个MOSFET通过功率合成网络来实现50 kW的输出,图6所示,每个H桥输出约2 kW的功率。若要求输出功率达到更高时,其所需的APT5010JVFR型MOSFET数量可达成千上万个,不仅电路结构复杂,而且出现故障的概率也很高。若选用FS150R12KE3型IGBT作为H桥功放器件实现50 kW输出,虽然其开关时间为1 μs,与APT5010JVFR型MOSFET比有一定的差距,但对于甚低频发射机是足够的,而且其耐压是APT5010JVFR的2倍、耐流是其3倍,则每个桥可输出功率达12 kW,实现50 kW的功率输出只需5个H桥,20只IGBT管子就可达到,大大减少了功率器件的数量,降低电路的复杂程度,提高了设备的可靠性。

图7示出了MOSFET和IGBT工作频率、电压和电流的应用范围。从图中可看出MOSFET在电压低于500 V、电流低于100 A的中小功率(小于10 kW)领域占绝对优势,但当电压、电流要求较高时,IGBT占有优势;开关频率为100 kHz以下时IGBT 和MOSFET都可以应用,当频率超过100 kHz时,MOSFET以其开关速度快占有绝对优势。当然, IGBT在频率方面,MOSFET在耐压方面都在不断进行着技术改进,以利于它们在高频率、大电压、高功率领域的应用。

4 结 语

MOSFET的开关频率远远超过甚低频发射机的工作频率,所以选择MOSFET作为甚低频功率器件时主要关心它的耐压。单个MOSFET的工作电压可达1 000 V,为留有余地,一般应用选择在500 V以下。电压太高会使MOSFET导通电阻增长很快,导通损耗大大增加,因此单个MOSFET主要应用在功率小于10 kW的场合。100～2 000 kW的大功率甚低频发射机可用多组MOSFET功放模块通过功率合成技术来实现。但是,大功率应用时模块过多会使电路过于复杂。

选择IGBT作为甚低频功率器件时,因它的耐压足够高,所以主要关心其开关频率。目前IGBT已经完全可以取代75 kHz频率范围内使用的MOSFET。IGBT应用到大功率甚低频发射机时,只需很少的IGBT器件就可实现100～2 000 kW的输出功率,使得电路简单。

参考文献

[1]IGBT or MOSFET:Choose Wisely,Carl Blake and ChrisBull,International Rectifier.

[2]High Efficiency Power Switches,Nasser Kutkut-Power De-signers,LLC-Madison,WI.

[3]IGBTand Power MOSFET Modules,by SEMIKRON,2005.

[4][美]Mchael Jacob J.功率电子学——原理与应用[M].蒋晓颖,译.北京:清华大学出版社,2005.

[5][美]Bi mal K Bose.现代电力电子学与交流传动[M].王聪,赵金,于庆广,等译.北京:机械工业出版社,2005.

发射器件 篇3

发射台使用了许多真空器件,例如,真空电容、真空电子管、真空开关等。真空器件是播出设备的核心器件,消耗量较大,属于贵重器材,需要合理备份、妥善保管。由于真空器件对周围环境温度、湿度的特殊要求,故真空器件库要求满足恒温和干燥的条件。目前,无线局各台站的真空器件库一般采用手工控制和人工监测的方式实现恒温控制,这种方法准确性低、稳定性较差,还必须安排专人负责。为了更有效地保存真空器件备件,本文实现了一个能自动调节室内环境温度的真空器件库恒温控制系统。该系统以AT89C52单片机为控制核心,通过温度采集电路,实时检测真空器件库内的环境温度,并根据预先设定的温度阈值,控制真空器件库内均匀分布的加热设备的工作状态,实现室内温度自动调节。用户可以在现场使用键盘设置目标温度值,也可以在现场数码管显示屏上直接观察真空器件库当前室内环境温度值和用户设置的目标温度值。系统实时检测真空器件库环境温度值和目标温度值的变化,通过温控驱动电路控制加热设备的工作状态,确保真空器件库的恒温、除湿,避免了因保存温度、湿度不合适而造成的真空器件性能降低及损坏。

1 系统结构及工作原理

发射台真空器件库恒温控制系统结构如图1所示,系统的基本硬件电路包括:温度采集、键盘输入、温度显示、电源、温控驱动、加热设备、报警和指示灯,以及AT89C52单片机。

为了更好地保持真空器件库室内环境温度恒定,系统采用闭环控制方式。由AT89C52单片机完成逻辑判断和控制,晶振频率采用12MHz,通过循环访问的方式,访问真空器件库内均匀分布的DS18B20数字温度传感器,采集真空器件库内的环境温度值。为了不频繁启动加热设备,目标温度由用户通过键盘输入后,系统自动生成目标温度上限值和下限值。单片机以一定的频率将检测到的环境温度值与用户输入的目标温度值进行比较。当真空器件库环境温度值低于设置的目标温度下限值时,温控驱动电路驱动加热设备加温,温度上升到目标温度下限值以上时,停止加温;当真空器件库环境温度高于设置的目标温度上限值时,温控驱动电路驱动降温电路降温,温度下降到目标温度上限值以下时,停止降温。

2 硬件电路设计

2.1 温度采集电路

温度采集电路采用温度传感器DS18B20来实现温度的采集和转换。DS18B20是一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出所测温度。测量输出信号为数字量,可以直接和单片机进行通信,从而降低外围电路的复杂度。温度采集电路如图2所示。

DS18B20把采集到的温度通过数据引脚传到单片机的P3.0口,每一片DS18B20有唯一的48位序列号,在出厂前已写入片内ROM中,单片机通过读ROM(33H)命令将该DS18B20的序列号读出,经过匹配,即可逐一读回每个DS18B20的温度数据。虽然DS18B20具有测温简单、精度高、连接方便和占用I/O口少等优点,但当单总线上所挂的DS18B20超过8个时,就需解决微处理器的总线驱动问题。另外,连接DS18B20的总线电缆的长度有限制,当采用普通信号电缆传输长度超过50m时,读取的测温数据会发生错误,这主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变引起的。因此,进行多点测温和长距离测温电路设计时要加以注意。

2.2 键盘电路

考虑实际应用情况,键盘电路设计采用矩阵式和中断扫描相结合的方式。矩阵式键盘由行线与列线组成,按键位于行、列的交叉点上,按键数量较多时可以节省单片机I/0接口的占用。系统使用过程中,键盘大部分时间基本不工作,因而中断扫描方式可以提高单片机处理器工作效率。当键盘有按键动作时产生中断,单片机处理器响应键盘中断,执行键盘中断程序,判别键盘按下键的键号并做相应处理。在本系统中,单片机的I/0接口充裕,因此键盘电路直接连接单片机I/0接口。键盘接口电路如图3所示。

图3键盘接口电路(参见右栏)

键盘的数字键(0～9)、确认键(OK)、清除键(Del)等12个按键以四行三列方式连接到单片机的P0口,设置键(Set)与单片机的脚相连,而硬件复位键(ReSet)与R、C构成复位电路。需要注意的是,用单片机的P0口连接键盘时,要给P0口的各I/O接口提供上拉电阻。

2.3 电源电路

根据系统中元器件的需求设计了输出纹波小于5mV,输出内阻小于0.1Ω的电源模块。通过变压、整流、滤波、稳压等环节设计出一个交流输入5V,直流输出5V和±12V的线性直流稳压电源。

2.4 温度显示电路

温度显示电路采用两个3位共阳LED数码管,数码管以动态扫描方式分别显示设置的目标温度值和现场采样温度值的十位数、个位数及小数点后一位数。LED数码管的共阳极公共端分别由相应的I/O口控制,其它所有相同字段管脚连在一起,共8段,由一个8位I/O口控制。单片机依次使能3位共阳极数码管的位选择端,按顺序点亮3位数码管的各位。由于人眼观察时特有的”视觉暂存”效应,当亮灭频率达到一定程度时无法觉察数码管明暗的变化,认为3位数码管各位始终点亮,即实现了3位数码管的动态显示。图4是目标温度值显示电路,用P2口作为数码管的段控码输出,集成电路74LS244作为段码输出的驱动电路。P1.0～P1.2作为数码管的位控码输出,用PNP型三极管做驱动,通过键盘输入目标温度值,改变3位数码管的数据显示。系统默认的目标温度上限值为:目标温度值+5℃,目标温度下限值为:目标温度值-5℃。

图4目标温度显示电路(参见下页)

现场采集的温度显示电路与目标温度显示电路类似,用P3口作为数码管的段控码输出,集成电路74LS244作为段码输出的驱动电路。P1.5～P1.7作为数码管的位控码输出,用PNP型三极管驱动,通过DS18B20采集的现场温度信号,改变3位数码管的数据显示。

2.5 加热设备

为了确保真空器件库室内温度实现快速加热、快速冷却,满足恒温条件,系统选择受控电加热暖风机作为加热设备。需要加热时,由于风机的作用,把真空器件库室内待加热的空气送入加热器,在高功率加热器的作用下进行加热,加热后的热空气经暖风机的出风口送回真空器件库室内,如此反复,达到加热的目的。需要降温时,高功率加热器停止工作,靠风机的作用加速真空器件库室内空气循环,实现降温的目的。按每10m2安装一台受控电加热暖风机,合理布置在真空器件库室内,使暖风机的风均匀扩散,以免真空器件库室内的温度偏差过大。

2.6 温控驱动电路

电路系统中的控制信号从AT89C52芯片中的P1端口输出,但单片机I/O口的负载能力无法直接驱动加热设备,必须通过中间驱动电路实现单片机对加热设备工作状态的控制。实际应用中,通常采用继电器或交流接触器间接驱动,但继电器或交流接触器具有机械接触的缺点,因而在很大程度上降低了控制系统整体的稳定性和可靠性。为了避免机械接触开关的缺点,本系统选用以可控硅为主体的完全光电隔离的中间驱动电路。可控硅用隔离器实现了控制端与负载端的隔离,以小功率控制大功率,能在高电压、大电流条件下工作,具有无机械接触、体积小、便于安装等优点,是理想的交流开关器件。加热驱动电路如图5所示。

当现场采集温度值低于设定的目标温度下限值时,单片机P1.3输出高电平,通过限流保护电阻R4的双向光电耦合器上电工作,双向可控硅TRIAC栅极由R1、R2和双向光电耦合器的信号触发导通,加热电路开始工作。当单片机P1.3输出低电平时,双向光电耦合器截止,双向可控硅TRIAC栅极无触发信号被关断,加热电路停止工作。电路中的R3、C2组成阻容吸收单元,可减小可控硅关断时加热电路中感性元件所产生的自感电动势对可控硅的过压冲击。R1、C1组成低通滤波单元,能降低双向光电耦合器误触发对后续电路的影响。同时,双向光电耦合器的使用彻底隔离了强弱电路,避免了加热设备对单片机的干扰。

降温驱动电路和加热驱动电路相同,现场采集温度值高于设定的目标温度上限值时,单片机P1.4输出高电平,驱动降温电路上电工作;单片机P1.4输出低电平时,降温电路断电停止工作。

2.7 报警及指示灯电路

报警电路和指示灯电路如图6所示,当现场采集温度值高于设置的目标温度上限值,或者低于设置的目标温度下限值时,单片机P3.4输出高电平,越限报警电路的三极管Q2导通,蜂鸣器工作,发出连续不断的滴答滴答报警。现场采集温度保持在设置目标温度上下限范围时,单片机P3.4输出低电平,越限报警电路的三极管Q2关断,蜂鸣器不工作。指示灯电路绿灯D0亮,单片机P3.1输出高电平,表示现场采集温度值在设置目标温度值上下限范围内,系统运行正常。若指示灯电路红灯D1亮,单片机P3.2输出低电平,表示现场采集的温度值超过设置目标温度上限值,系统正在进行降温;若指示电路蓝灯D2亮,单片机P3.3输出低电平,表示现场采集温度值低于设置目标温度下限值,系统正在进行加热。

3 软件设计

系统控制软件采用模块化设计,软件子功能模块程序与硬件分块电路相对应。主程序作为子功能模块程序的入口,通过键盘管理程序和中断程序,实现子功能模块程序的调用。程序控制流程如图7所示。

图7程序控制流程图(参见下页)

系统加电后,由初始化子程序完成功能寄存器和程序运行环境的初始化;读温度子程序将DS18B20采集到的真空器件库内的环境温度值读入到指定的数组;数码管显示子程序控制位选择和数码管的显示驱动,把要显示的温度数据按照温度显示规则送入相应的显示缓存,实现温度数据的实时显示;键盘管理程序采用I/O口线中断方式提高MCU响应速度,并通过算法延时消抖实现键盘输入,由键码识别函数判断外部键盘输入信息;比较子程序将读温度子程序得到的环境温度值与由键盘输入的目标温度的上下限值进行比较,若温度值越限,则调用温控子程序进行升、降温调节,并启动报警子程序。

4 结束语

发射台真空器件库恒温控制系统充分发挥了AT89C52单片机的特点,结合DS18B20数字温度传感器,降低了硬件电路的设计复杂度。系统设计简单、实现方便、耗能少、成本低廉,实践证明,本控制方案可靠、有效,具有控温准确、操控界面友好、稳定性高、抗干扰能力强、易维护的优点,可以保证发射台真空器件库温度恒定、环境干燥,从而使真空器件备件能够得到有效的保存。

参考文献

[1]郭向蕾,杨本全,陈洪民.基于C8051F020的密闭环境温度恒温控制系统设计[J].现代电子技术, 2012,35(9):158-163.

[2]潘烨,王小波,彭昌武.基于STC89C58数字温度计的设计与实现[J].现代电子技术,2009,32(13): 109-1 12.

[3]安卫超,宋晓莅.基于单片机的半导体制冷温度控制电路研究[J].科技风,2010(11):69-70.

发射器件 篇4

近年来,有机电致发光器件(organic light-emit ting diodes,OLEDs)由于其低直流电压驱动、功耗低、自发光、结构简单、超轻薄、响应速度快、宽视角及实现可弯曲性等优点［１］,受到了学术界和商业界越来越多的青睐。与传统的底发射器件(bottom-e-mitting OLED,BEOLED)相比,顶发射器件(top emitting OLED,TEOLED)的光取出是来自顶电极。因此可以在器件的底部下方制作驱动电路、总线等,不会对器件的出光造成影响,器件的开口率(aperture ratio,AR)明显得到了提高,理论上最高可以达到100%,这对提高器件的亮度、效率、稳定性和使用寿命均有所帮助［２］。顶发射器件可以制作在硅基衬底上,硅上微显示器由于在军事、医疗、娱乐等领域有着广泛的应用,也成为了OLED技术领域的一个研究热点。

顶发射器件常使用全反射的厚金属作为底电极,如Au［３］、Ag［４］、Al［５］、Mo［６］等,而顶电极常使用半透明的单层或双层薄金属,如Ag［７］、Sm/Ag［８］、Al/Ag［９］、Ca/Ag［１０］等。因此,顶发射器件存在着较强地微腔效应,一方面这有利于提高器件的发光效率,窄化发光光谱,提高发光的色纯度;另一方面,它又引入了角度依赖问题,即发光颜色随观察角度的变化而变化［１１］。通常在半透明阴极表面生长一层具有较高折射率的材料如Alq３［１２］、NPB［１３］、ZnSe［１４］等作为出光耦合层(out-coupling layer),可以改善金属阴极的透光率,从而减弱发光角度的依赖特性并且提高器件发光效率。

考虑到Al是一种廉价且性能良好的金属材料,而且近年来很少有关于使用金属Al同时作为器件阳极和阴极的文献报道,所以利用双Al电极结构制备高性能的顶发射器件是十分有研究价值的。由于Al的功函数是~4.3eV,作为器件阳极时可以利用过渡金属氧化物如WO３［１５］、V２O５［１６］、MoO３［１７］等来进行修饰,以提高其空穴注入能力;作为器件阴极时,可以利用Cs２CO３［１８］、LiF［１９］等来提高其电子注入能力。金属Al容易在空气中氧化,因此顶发射器件在测试前需要在惰性气体环境中进行封装。

本文中采用Al/MoO３为复合阳极、Al/LiF为复合阴极,通过优化半透明阴极的厚度和在金属阴极表面生长MoO３作为出光耦合层,制备出了高效率且颜色稳定的绿光顶发射器件。

1 实验

本研究中所制备的实验结构为glass/Al(150nm)/MoO３(10nm)/NPB(70nm)/Alq３(60nm)/LiF(0.8nm)/Al(x nm)(如图1),x分别设定为20nm、22nm和24nm,代表器件A、B和C。器件是在真空度为3×10－４Pa以下的真空腔室内以热蒸发蒸镀的方式制备,有机材料的蒸发速率为0.2~0.3nm/s,金属材料的蒸发速率为0.4~0.5nm/s,发光区有效面积为4×4 mm２。蒸镀时各功能层的蒸发速率以及厚度通过INFICON公司的SQC-310型膜厚测量仪来监控。器件的电流、电压、亮度采用KEITHLEY2400电压电流源、KEITHLEY2000数字多用表和北京师范大学光电仪器厂研发的ST-86LA屏幕亮度计配合使用测得。使用PR650光谱扫描色度仪测量器件的发光光谱和色坐标。

2 结果与讨论

微腔OLED中,器件的发射特性可以利用一个多层薄膜结构中的偶极辐射模型来准确地描述［２０］。在器件正前方的发光强度I(λ)可以表示为:

式中,R１为反射电极的反射率,R２和T２分别是半反射电极的反射率和透射率,n０是两个电极之间介质的折射指数,z是偶极子距离反射电极的距离,d是微腔的长度,λ 是发射波长,ф１和ф２分别是光在两电极表面的反射相移。根据上式可知,发射强度I(λ)与R２成正比,也与T２成正比,所以当增加半反射电极的厚度时,R２增加,T２减小,I(λ)则在某一优化厚度时达到最大值。

器件A、B和C具有相同金属阳极和有源层结构,阴极的厚度分别为20nm、22nm和24nm。图3展示了这三种器件的电压-电流-亮度特性曲线,表1总结了它们的主要性能指标,如启亮电压、电流效率、流明效率等。金属阴极的厚度对器件的电学性能影响较为明显:随着阴极厚度的增加,电极电阻逐渐减小,那么相同电压下器件内部的电流密度逐渐

文献[8]器件电极结构:Ag(70nm)/ …/Ag(25nm)文献[9]器件电极结构:Ag(70nm)/ …/Al(1nm)/Ag(20nm)增加,如当驱动电压为12V时,器件A、B和C的电流密度分别为162 mA/cm２、179 mA/cm２和229mA/cm２。另一方面,图4给出了三种不同Al厚度在可见光范围的透光率图谱。随着其厚度的增加,金属Al的透光率不断下降,在波长位于530nm处的透光率分别为37%、35%和33%。透光率的降低会导致发光层产生的光子限制在器件内部或者被金属电极吸收而损耗掉,从而导致发光效率的降低。因此要制备出高性能的顶发射器件,需使金属阴极同时具有良好的电学和光学性能。

图5(a)和图5(b)分别给出了器件的电流效率—亮度和功率效率—亮度特性曲线,当阴极厚度为22nm时,器件B具有最大的电流效率,在亮度为4059cd/m２时达到5.51cd/A。

本文选用两种具有不同折射率的材料Alq３(n=1.7)和MoO３(n=2.1)作为出光耦合层蒸镀在金属阴极表面,观察对器件性能的影响。器件结构为:glass/ Al(150nm)/ MoO３(10nm)/ NPB(70nm)/Alq３(60nm)/LiF(0.8nm)/Al(22nm)/Alq３or MoO３(50nm),分别为器件D和E。如图6所示,器件D和E的最大电流效率分别为6.18cd/A和6.43cd/A,相比于器件B分别提高了12%和17%。

大量的实验研究表明了在器件阴极表面增加出光耦合层基本不会对器件的电学性能造成影响,因此造成器件效率提升的原因很可能是器件出光性能的提升。如图3所示,在22nm厚度的金属Al之上分别添加50nm厚度的Alq３和MoO３后,在530nm处的透光率由35% 分别提高到了42% 和45%。由此可见,正是改善了金属阴极的透光性能,导致了器件效率的提高。而具有较强折射率的材料MoO３作为出光耦合层时,对光的耦合输出具有更强的修饰作用。

由于原子的自发发射受到微腔效应的调制作用,微腔腔体内部的光子态密度重新得到分配,只有那些波长符合微腔特定谐振模式的光才能在给定的方向上发射出来,从而造成当光子从一侧耦合输出时,发光光谱得到窄化,并且在不同视角方向上会出现亮度的差异及色度的漂移等问题。图7(a)展示了微腔器件B、D和E在正方向上的EL光谱,以及发光材料Alq３的PL谱。由于微腔效应的作用,器件B、D和E的光谱与Alq３的PL谱相比,半高宽均减小了,分别为66nm、76nm和80nm。图7(b)为器件B、D和E的EL谱随观察角度变化的三维图(按0°方向的EL光谱强度进行归一化),可以发现器件B具有很强的角度依赖特性,当观察家角度从0°增加到60°时,器件B的EL谱谱峰位置由540nm移动到512nm,而且峰值强度也逐渐减弱。但当添加Alq３和MoO３出光耦合层后,发现器件D和器件E的角度依赖特性逐渐弱化了,分别从532nm移动到512nm、从528nm移动到516nm。器件B、D和E的EL谱谱峰移动幅度分别为28nm、20nm和12nm。图7(c)给出了相应情况下色坐标的变化情况示意图。可以看出,微腔器件的角度依赖问题基本得到了解决。

3 结论