平板显示技术:第八章-场致发射剖析

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➢ 发射电流决定于表面电场和阴极表面状态。发 射过程中受表面形态变化、离子轰击、气体吸附等 多种因素影响,造成发射电流起伏不定。
解决办法:
增加串联电阻,其作用为
(1)限流作用,当个别发射体发射过大时,由于电 阻的分压作用使电流受限,从而均衡了各发射体的 发射能力;
(2)当个别发射微尖与栅极发生短路时,电阻承受 了电压降,其他微尖仍能正常工作。由于微尖数量 极大,个别微尖的损失影响不大。
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8.3.1 FED基本结构
8.3 FED的构成及制作工艺
FED是一个真空电子器件,由两块平板玻璃(阳极基板和阴极基板)构成,周边用低熔点玻璃封接而成。 阳极基板为红绿蓝三色荧光粉粉条,为了保证色纯度,之间用黑矩阵隔开。 阴极基板由可以行列寻址的发射阵列和栅极组成。每一个像素由相交的行列交叉点所选通,包含有大量的微 尖。 两基板之间有支撑结构以抵抗大气压力。 布置成阵列状的微尖结构是制造FED的关键。
Tip arrays
W
Si (Thomas, 1972)
Thin film, 1-D materials CNTs ( Suh, 2002)
Mo (Spindt, 1968) CNTs
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典型的 Spindt-FED结构
PixTech FED
— 列阴极,行栅极. — 行列电极交叉点有多于4500个微尖, 微尖直径150 nm. — 电流0.11A/microtip.
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场致发射理论 场(致)电子发射是指在强电场作用下,固体(非绝缘体)发射电子的现象。 场致电子发射与需要激发的光电子发射、次级电子发射和热阴极电子发射不同,基于电子隧道效应,无需 能量激发。 即固体中总能量低于表面势垒(逸出功)的电子不需要增加任何能量也有可能透过固体表面而进入真空中。 外电场起到降低势垒高度和减薄势垒宽度(-EF)的作用。 场致发射时,随外加电场的增强,发射体的表面势垒的高度越来越低,宽度越来越窄,从发射体表面逸出 的电子越来越多,场致发射电流越来越大。
平板显示技术:第八章-场致发射剖析
显示器分类
发光型 显 示 器
受光型
CRT(阴极射线管) PDP(等离子显示器) OLED(有机发光显示器) AMOLED
(TFT-OLED) FED(场发射显示器) LED(发光二极管) VFD(真空荧光显示器)
LCD(液晶显示器) TFT-LCD E-ink(提高栅极工作电压;采用低表面逸出功的发射材料或阴极表面涂敷低 逸出功材料;改变阴极的几何形状以增大几何因子。 可寻址的场致发射阵列是FED器件的基础和核心,发射均匀、稳定,长寿命、高可靠性、低成本的 场致发射体及其阵列制备工艺就成为FED研究的关键。
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Metal tip (Rinzler, 1995)
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真空密封技术 FED显示器件的寿命主要是由场发射阴极的寿命所决定的。 阴极电子发射是一种表面现象,最容易受残余气体分子的损伤,影响到阴极的场发射特性。 因此需要高真空。 要获得高真空,需要 1,排气过程中器件内各部件去气彻底,不放气。 2,用消气剂维持高真空 1、物理作用:因消气剂表面组织疏松,表面粗糙,故对气体分子有很大的吸附能力。 2、化学作用 :气体和消气剂之间发生化学反应而生成新的固态化合物,从而使屏内的气体减少,提高真 空度。
在中国,也有中山大学、东南大学、长春光机物理所、中科院上海微系统所、西安交通大学、清华 大学、北京大学、福州大学等多家院校和研究机构投入该领域的研究。
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8.2 场致电子发射
问题的提出 上个世纪由CRT统治整个显示技术领域! CRT(Cathode Ray Tube )突出优点: 1 、具有高分辨率 2 、轻易实现的高亮度及很好的对比度 3 、能够显示丰富的彩色色调和图象层次 4 、显示速度快 ——被人们认为是图文显示的标准
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FED与CRT的比较
相同点:处于真空状态;靠电子轰击荧光粉发光,具有基本相同的荧光屏结构。 不同之处在于电子的发射和扫描方式。 CRT需藉偏转磁场控制电子枪射出的电子束在显示屏上进行扫描,阴极到阳极距离达到几十厘米。 FED的冷阴极为面发射源, 由百万多电子源直接激发荧光材料,阴阳极距离小于3mm,易于实现平板化和矩 阵驱动。连同极板玻璃在内,器件厚度不过6-7mm。 CRT的加速电场电压通常在1330kV之间;而FED一般加速电压小于10kV,为达到与CRT相当的亮度,需要较 高的消耗电流。
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FED的三个基本工艺
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电子束发射技术(发射体表面几何形状,束流密度一致性,束流轨道等) 电子发射材料的起始电场越低越好 电子发射极密度需大于106A/cm2 每个发射极需均匀发射电子 在高真空、高电压下发射极维持稳定性与寿命 支撑间隔材料 真空密封技术 低压荧光粉技术
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工作在真空环境,平面型,需要抵抗大气压力 由于平整度和轻薄的要求,不能采用CRT常用的厚玻璃作为上下基板。 需要在上下基板间加上支撑结构。 要求:1,支撑体面积足够小,尺寸均匀;
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逐渐暴露的缺点: 1、体积大 2、重量大 3、功耗大 4、屏幕越大显象管越长,大面积显示困难
CRT由高能电子束激发荧光材料而发光。 显示技术首要解决的问题:实现显示器件的平板化 FED是既能保持CRT的优势又能平板化的一项技术。
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问题的铺垫
电子发射是指电子从阴极逸出进入真空或其它气体媒质中的过程。 电子发射按照其获得外加能量的方式,即电子的受激发方式分为以下四种:热电子发射,光电子发 射,次级电子发射及场致电子发射。 主要有: 1 、热电子发射
试想用该技术制造一个17英寸显示器(显示屏长320mm,宽240mm),实现1600×1200的分辨率。每个 发射尖端占有面积约: 平均边长为: 2、制造材料 在其他条件不变时,随着逸出功的减小,场发射电流会显著增大。寻求逸出功足够低的材料,可以实 现在很低控制电压下获得相当可观的发射电流!
3m 2 2 0 m m 4 1 0 m 0 .0m 1 2 3 1 m .3 1 40 m 2 16 10 20 3 00 1.310 4m2 110 m
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问题的展望 1、实现显示器件平板化的解决方案众多。 2、目前大部分平板显示器件的图像显示质量,特 别是性能价格比和传统CRT显示器件仍然有一定的
距离。 3、FED显象原理和CRT几乎完全相同(电子束激发荧光粉发光),因此它完全有能力达到和超越CRT
的显示质量。 4、未来的FED将向高亮度、高分辨率、大尺寸方向发展。
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场致发射显示可利用冷阴极电子源替代传统CRT中的热电子源,压缩庞大的电子枪空间;采用交叉矩阵寻 址替代CRT电子束扫描寻址,节省电子束偏转空间。 由于发光机制相同,因此场致发射显示既可以保留CRT优异的显示性能,又顺应了显示技术向着平板化方 向发展的趋势; 由于场致发射平板显示器与CRT同属于真空电子器件,许多器件制作工艺技术和原理是相同的,CRT产业 可以为场致发射平板显示器未来产业发展提供一个完善的技术平台。 1991年法国LETI CHENG公司在第四届国际真空微电子会议上展出一款运用场发射电极技术制成的显示器 成品,并吸引Candescent、Pixtech 、Micron、Ricoh、Motorola、Samsung、Philips等公司投入,也使得FED加 入众多平面显示器技术的行列。
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CNT曲率半径极小而密度极高,能在较低的施加电场下维持较高的发射电流密度,并且仍具有较高 的机械强度与化学稳定性,十分适合用作FED的发射体
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所有微针尖发射的FED:发射电流一致性和稳定性 CNTs必须直立 CNTs的表面能很大,倾向于黏附在基底 CNTs集束力要足够强:某一CNT的松弛将引起电弧
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Field Electron Emission
在加速场下金属表面的势垒曲线
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为了获得可利用的场致发射电流,阴极表面必须有 相当高的加速电场强度 。 由静电学知识可知,极小曲率半径的金属针尖表面 容易形成极强的电场,即“尖端放电”。 因而将场致发射体(阴极)做成曲率半径很小的针 尖。
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可行性分析 1、制造工艺
平板 显示 器
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8.1 场致发射显示器概述 场致发射显示器件(Field Emission Display,FED)是显示与真空微电子相结合的产物,是发光原理最接 近CRT的一种新兴平板显示器件,也是当今世界庞大的显示技术产业产品更新换代的重要候选之一。 真空微电于的概念最早出现在20世纪60年代初,将真空电子器件的尺寸做到微米级,与当时的半导体 器件相当,并具备真空器件的独特优势,也可以实现器件的集成。 这类器件只能用微型场发射冷阴极,因此真空微电子技术是和场发射紧密相连共同发展的。 场致发射显示是现今正在研发的平板显示模式中的一种,是真空微场电子在显示领域的应用。
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FED结构示意图
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微型真空三极管结构
实际上是一种薄的CRT显示器,其单元结构是一个微型真空三极管。包括作为阴极的发射尖锥,孔状的金属栅极 以及有透明导电层形成的阳极,阳极表面涂有荧光粉。 FED发光过程: 在栅极和阴极间加上不高的电压(低于100V)形成电场,由于之间距离很小,在阴极的尖端会产生很强的电场, 逸出电子,再经过阳极和阴极之间的高压电场加速,轰击荧光粉实现发光显示。
2,具有一定的电阻率,同时又不能产生过大的漏电流(电荷积累和漏电的矛盾); 3,足够的支撑强度; 4,放气量小
隔离支撑材料: 热压氮化硅、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、石英玻璃。
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美国Micron Display Technology 是以直径25µm,长350µm,间距为100µm的玻璃纤维直接结合在阳 极板或阴极板之间。 此圆柱设计的优点是提供足够的抽气通路,使后续真空封合可以顺利进行。缺点在于单支玻璃纤维的 垂直度不易维持。 垂直度良好方能确保在另一面板(阳极板或阴极板)上,也获得正确的定位,而不会造成混色问题。
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CNTs发射极的制备
碳纳米管阵列
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将CNT配成浆料后,以丝网印刷技术印在玻璃基板的电 极上,烧结后发射源厚度约1um,上覆盖约10nm厚的绝 缘层。 在发射极上,涂布栅极和栅极绝缘层 ,以光刻技术挖 出小孔,发射电子将透过小孔,被阳极电场加速撞击荧 光材料而发光。
——传统CRT的原理 2 、场致电子发射
——FED技术核心
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热电子发射:靠升高物体温度给发射体内部的电子以附加能量,使一些电子越过发射体表面势垒逸出 而形成的电子发射方式。这种方式的发射能耗高,同时还有时间的延迟性。 场致发射:不需要提供给体内电子以额外的能量,而是靠强的外加电场来压抑物体的表面势垒,使表 面势垒的高度降低,宽度变窄,这样发射体内的大量电子由于隧道效应穿透表面势垒逸出形成场致电 子发射。又称为冷电子发射。它没有时间延迟,功耗低,是一种非常有效的电子发射方式。
场致发射是在金属尖端上进行的。
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先制作栅极,再沉积微尖
微尖制作
钼微尖
金刚石尖锥阵列
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先刻蚀微尖,再沉积栅极
微尖制作
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发射极发生焦耳加热而熔化发射体
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FED中的发射均匀性和稳定性问题
造成微尖发射不均匀性和不稳定性的原因:
➢微细加工工艺难以达到大面积的均匀性,如阴极微 尖、栅极孔几何尺寸的离散及相对位置的偏差。
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场致发射显示是近些年各大显示厂商、科研院所研究的重点,20世纪90年代初,开展了“薄膜型” 冷阴极电子源的研制,以期能够获得易于实现大面积制备冷阴极的技术。
美国的摩托罗拉和惠普公司、荷兰的飞利浦公司、韩国的三星公司、日本的日立和松下公司;美国 的贝尔实验室、美国Argonne国家实验室、英国卢瑟福国家实验室;英国的剑桥大学、美国的麻省理 工学院和加州大学戴维斯分校、法国的里昂大学等都有专门的研究组进行攻关。
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美国Candescent与日本Sony于2000年合作,将FED尺寸 由5.3”扩大至13.2”。
其Spacer是采用长壁(Wall)方式,为壁厚55µm,壁高 1270µm,壁长278mm的陶瓷板,其Spacer高宽比为2:3。 摆置方式采用水平横式放置在发射微尖之间隙上。
Spacer Wall
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