第五章 真空荧光显示器件和场发射显示器件答辩

第五章真空荧光显示器件(VFD)和场发射显示器件(FED)5.1 VFD( vacuum fluorescent display)的结构和发光机理5.2 FED( field emission device)的结构和发光机理重点:VFD的结构和发光机理难点:VFD和FED阴极发射的比较5.1 VFD的结构和发光机理1. VFD的产生VFD大致是在20世纪60年代，为适应电子计算器的急速发展需求而出现的。

20世纪70年代初首先生产出玻璃泡型多位VFD。

70年代中期开始生产最原始的平面型VFD。

70年代后期，开始多色VFD和前面发光型及高密度显示的VFD的生产。

2. VFD 的定义由阴极、栅极、阳极构成的真空电子管，至少观察侧呈透明的密封容器。

由阴极放出的电子在栅极控制下碰撞阳极，阳极上按一定图形涂布的荧光体被低能电子束激发发光，并由此显示出所需要信息的自发光型电子显示器。

5.1 VFD 的结构和发光机理3. 结构、功耗和应用特性基本结构：真空三极管。

功耗特性：为了控制灯丝上(阴极)发射出的热电子，管子的消耗功率大部分消耗在加热阴极灯丝上，使荧光显示管的应用就受到了一定的限制。

在可携带式的轻便装置的显示方面，它只好让位于其它功耗较低的显示器件。

阴极灯丝在真空腔中对显示容器的占空系数大小对于发光空间有限制。

为此，最好使用更细的灯丝和改善表面盖玻璃状态。

4. VFD的分类从构造、显示形式、显示内容、驱动方式、用途等不同角度，对VFD进行的分类:5. VFD的结构1.阴极：在细钨丝上直接包覆钡、锶或钙的氧化物构成，阴极丝要足够细，以不妨碍显示为限。

2.栅极：通常是用厚度为50µm的不锈钢等金属箔由光刻加工成网格状。

3.阳极：按需要显示图形的形状，大致地由石墨等厚膜或Al等薄膜形成导体，再在其上按显示图形涂布荧光体。

4.阳极布线由厚膜或薄膜在玻璃基板上形成，并通过引出端子导出。

5.玻璃基板表面上，除了阳极及连接所必须的通孔之外，全部由绝缘层包覆。

6. VFD的工作原理灯丝上通电加热到600℃-650℃，即可释放出热电子。

热电子能否扩散到阳极上决定于栅极电位相对于阴极是正电位还是负电位。

当栅极上加有正电压时，它使阴极发射的热电子加速、扩散、并碰撞阳极，呈现显示的功能；当栅极加有负电压时，它截断向阳极运动的电子，具有消除显示的功能。

栅极和阳极同时施加正向电压时，才能够产生发光显示。

当阳极上加有正电压时，通过栅极的电子碰撞荧光体激励发光。

当阳极与阴极等电位或比阴极电位低数伏时，栅极上即使加正电压也能消除发光。

7. VFD电学和光学特性阴极上升特性1-线性区，2-饱和区阴极上升特性：在荧光显示管VFD 的阴极上加热升至一定温度后，在阴极上将会释放出热电子。

为了能够充分地辐射热电子，对阴极的加热温度要求要适当。

阴极灯丝的温度T f 随着灯丝电压U f 的上升而上升。

线性区：U f ↑→L ↑饱和区：U f ↑→L 饱和，T f ↑，影响VFD 使用寿命。

U f 选择：略低于饱和区电压。

7. VFD 电学和光学特性电流特性：对于寻址显示，常采用：e b =e c 。

阴极(k )电流i k 为阳极(b )电流i b 和栅极(c )电流i c 之和，即i k =i b +i c =i b (1+d)=i c (1+d)/d 。

其中，d=i c /i b =0.8-3，为电流分配率，与电极结构有关。

VFD 在空间电荷限制下，若e b =e c ，则有：i b =ke b n 。

k 决定于电极结构常数，n=1.5-2。

7. VFD 电学和光学特性亮度特性：亮度L 与阳极电势e b 的关系为：L=η⋅D n ⋅e b ⋅i b ⋅(1/S)⋅(1/π)。

其中：D n =t p /T ：阳极电压占空比，S ：阳极面积，η：荧光粉的发光效率(lm/W)。

L 主要由e b 和e c 决定。

e b , e c ↑→i b , i c ,L ↑(不饱和) →i k ↑→T f ↑，影响VFD 使用寿命。

e b 和e c 要合理设定。

栅极电压和阳极电压特性7. VFD电学和光学特性截止特性：将不需要显示部分的阳极电流截止，阳极不发光。

1.阳极截止：ec >0，对应的eb<0。

eb很小负电压就足以起到截止作用。

2.栅极截止：eb >0，ec<<0，将电子截断。

考虑到阴极发射的热电子具有一定的动能，ec 负电压要足够大。

7. VFD电学和光学特性静态驱动：栅极为一个电极，施加直流正电压，而阳极全部都设有独立的引出线，并由此选择显示图案。

多位时引出线增多。

动态驱动：显示面按栅极分割成若干个区域。

驱动时首先按时间顺序有选择地在栅极的分割区域上施加正电压，与栅极的选择脉冲同步，此时，在阳极的应该显示的端子上施加正电压，由此选择显示的图形。

可显著减少引出线。

8. VFD 的驱动条件8. VFD的驱动条件阴极加热方式：直流和交流直流加热方式：阴极灯丝A 、B 两端上与之相对应阳极U b 和栅极U c ，阴极U f (B →A) 施加在阴极两端之间，U B >U A 。

A 、B 两端点上与阳极和栅极之间产生的电位差不相等，从而导致发光亮度的不均匀-亮度倾斜现象。

补偿措施：将阴极倾斜和交流驱动。

注意：灯丝正负极不要接错，否则亮度倾斜现象加重。

1.阴极2.阳极3.栅极直流加热的电位关系8. VFD的驱动条件交流加热方式：在各自的位置上阳极电位U b 和栅极电位U c 都有相应的变化。

严格地讲，亮度也必然有变化。

但是，这个亮度的变化用眼睛看不出来。

注意：交流加热方式，阴极加热电源频率和栅极扫描频率发生频率拍差时，会引起阴极振动，产生发光显示闪烁，影响显示品质。

阴极可采用高频加热。

交流加热原理9. VFD的主要部件、材料VFD的引线结构⇒直接从真空腔引出厚膜基板的剖面图⇒简单布线9. VFD的主要部件、材料厚、薄膜混合技术基板(复杂布线)栅极：光刻腐蚀制成的金属网。

栅极网眼的透过率对VFD的电流分配、发光亮度和显示品质等都有影响。

栅极形状9. VFD的主要部件、材料阴极：采用细的金属钨丝，在表面上涂敷碱土类金属的三元碳酸盐。

在VFD的制作中，排气工程即将结束之前对阴极通电加热，碳酸盐在真空状态下加热使其分解成氧化钡、氧化锶和氧化钙，形成氧化物阴极。

BaCO3+SrCO3 +CaCO3＝BaO+SrO+CaO+3CO2↑通过加热放出CO2气体在纯钨丝上形成三元的碱土金属氧化物，构成电子源。

这个活性化条件合适与否将会直接接影响到VFD特性的好坏。

9. VFD的主要部件、材料VFD使用的电压在100V以下，荧光粉只经受100eV电子束的轰击，电子能量远比CRT 要低。

100eV以下的低速电子束进入物质中，使价带电子激发。

这样的电子只能进入荧光体的表层，放出的二次电子也很少。

如果是绝缘的荧光体，就会在表面生成负电荷，削弱了加速电场，使发光变得愈来愈弱。

阳极电位很低时，电子能量小，阳极也不发光。

9. VFD的主要部件、材料VFD对荧光体有以下要求：1.为了防止由于一次电子使表面产生的带电，荧光粉应有导电性。

在荧光管中，阳极电压：10-50V，电流：2-10mA/cm2。

为了控制荧光体上的电压在1V以下，荧光体层的阻抗必须在500Ω/ 以下，一般荧光粉厚度为30μm。

2.发光的V th要低。

因为荧光体层的阻抗比较低。

发光阈值低才能保证在适当的工作电流下有足够的亮度，一般Vth <10V。

3.要求发光粉有高的发光效率，而且随电压增长不饱和。

低速电子只能射入荧光体的最表层，激发的效率就不高。

要求粉有高的发光效率对此进行补偿。

4.荧光管在制造过程中，要经历500℃的处理。

要求荧光粉有对工艺的稳定性。

5.对于低速电子的激发，要求粉有长的寿命。

6.荧光体在发光时不能放出有害于氧化阴极的物质。

9. VFD的主要部件、材料荧光粉要有适当的导电性，有三种类型的荧光粉。

①低阻抗母体型：如ZnO:Zn，SnO2:Eu3+。

ZnO:Zn最广泛使用，发蓝绿光。

发光阈值，发光效率和寿命稳定性都很好。

②导电物质混合型：如ZnS:Ag+In2O3，ZnS:Cu+ZnO，Y2O2S:Eu3++SnO2。

用于彩色电视的高阻抗的红，绿，蓝粉加上导电性物质SnO2、In2O3、ZnO等整体作为低阻抗物质来使用。

从发光效率来看使用In2O3最好，但它价格昂贵。

③掺杂型；ZnS:Ag,Cu,Al, (Zn1-x Cd x)S:Ag,Al。

采用掺杂的办法降低阻抗。

通常的ZnS:Ag，ZnS:Mn，ZnCe:Cu等荧光粉都是近绝缘体。

这是由于ZnS或ZnSe晶格中有大量的Zn空位形成受主，补偿了施主的电荷而造成的。

用过剩的Zn添补Zn空位，就增加了传导电子，形成低阻荧光体。

9. VFD的主要部件、材料 面玻璃：使用平板玻璃进行热成形加工，平板玻璃粘接组合成玻璃盒的形式。

它的尺寸大小可以根据显示尺寸大小而随意改动，十分方便。

不论是哪一种形式的面玻璃，在其内侧都涂敷有透明导电膜。

它的作用是保持阴极电位与外部电场屏蔽。

使用玻璃粉将面玻璃和玻璃基板以及排气皆等进行密封成真空容器。

9. VFD 的主要部件、材料其它的零部件：吸气器是一般真空电子管常用一种零部件。

它的作用是使真空管内保持一定真空度使管子工作稳定。

吸气器有各种不同的形状，VFD 使用的是环状吸气器。

铁制的带有沟槽状的铁环，在沟槽中填入了BaAl 4和Ni 粉末并被粘接住。

排气结束后使用高频加热把金属钡蒸发到面玻璃内侧面上-蒸散型吸气剂。

从广义上来讲，这是一种真空泵的形式。

9. VFD的主要部件、材料⏹金属支架和固定零件都是金属部件。

⏹金屑支架是用来支撑并固定阴极灯丝，使阴极灯丝具有一定的张力。

⏹使用导电胶与玻璃基板上的阴极配线相粘接，然后使用玻璃粉固定接点。

所使用的玻璃粉应具有与玻璃基板以及面玻璃的膨胀系数相一致的低熔点的玻璃粉(低玻粉)，用有机溶剂将玻璃粉调和成膏状使用。

玻璃粉还可以用做真空腔的密封材料。

⏹在真空腔内还有各种电极和腔外电源连接的引线端子、玻璃基板间配线连接的焊接或则用导电胶粘接，以及粘接后使用环氧树脂固定和防潮保护等材料。

宁波华联电子科技有限公司的VFD产品5.2 FED的结构和发光机理1. FED的历史和优点☐早在上世纪20年代，人们就已经知道导体表面在强电场（E>107V/cm）作用下，可使表面势垒变窄，部分电子能穿透势垒形成场发射电子。

☐长期以来，只有在高电压下，导体尖端才会有场发射，因此，无法在器件中实际应用。

☐70年代期平特(Splint)发明了薄膜场发射二极管阵列阴极(FEA)。

栅极孔径约1μm，孔内圆锥体为场发射体，高1.0~1.5μm，顶部曲率半径约为几十纳米，栅极电压100V时就可以产生场发射电子流，阴极电流密度J>1000A/cm2，寿命超过几万小时。