第七章_场致发射

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FED结构
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在FED中，电子是由与荧光屏大小相同的场发射阴极 阵列发出的，每个荧光粉发光点对应一个场发射阴 极。阴极发射电流由行和列电极上的电压控制，发光 是逐行进行的，因此每个阵列阴极的发射电流远远小 于CRT中的电子束流。 通常，由场发射阴极构成行电极，控制栅极(或称门 极)构成列电极。 涂有荧光粉的屏对应于发射极安放。阴极一栅极之间 加有低于100V的电压，被选通的发射极将在加电压的 瞬间发射电子，电流密度很低，驱动电路不必很复 杂，因此功耗很低。 FED是百万多电子源直接激发荧光材料，不必像 CRT需藉磁场控制电子枪射出的电子束路径，因此 CRT阴极到阳极距离需400mm而FED只需1mm左 右。连同极板玻璃在内，器件厚度不过6－7mm。
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Field Electron Emission
Field emission from metal
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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φ)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(φ-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。
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问题的铺垫
从固体中发射出（自由）电子按原理分 主要有： 1 、热电子发射 ——传统CRT的原理 2 、场致电子发射 ——新技术核心
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热电子发射是靠升高物体温度-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。它没有时间延迟，功耗低，是一种 非常有效的电子发射方式。
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孔式栅极三极结构示意图
7.3 SED显示技术 FED的分支－SED
SED的全称是“Surface-conduction Electronemitter Display”， 即“表面传导电子发射显 示器“。 SED与当前平板显示器市场上的主流产品LCD、PDP 相比，有着明显的优势。最大的优势是画质好， 达到了CRT的水平。除此之外，SED在暗处对比 度、电力消耗、层次特性的表现上全面胜出现有 的LCD和PDP，而成本又低于LCD和PDP显示器。 发光原理就是高速电子撞击荧光粉发光，这与普 通电视显像管（CRT）的原理是一样的，只是电子 发射阴极不同而已。
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SED 结构与工作原理
一个典型的SED单元由上下两层玻璃基板构成，上 玻璃基板内壁涂有红、绿、蓝三色磷光粉，并且有 透明电极，下玻璃基板内层上就是SED显示的核心 单元——电子发射器。两层基板之间抽真空。 电子发射器的核心结构是涂覆的5~10纳米粒径的超 细氧化钯颗粒的电极柱，在两个电极柱之间开一条 只有几个纳米宽的狭缝，当两个电极柱之间被加上 大约10伏特的驱动电压之后，在电子隧道效应的作 用下，电子从一个电极柱流向另外一个。 其中一部分电子会在另外一个电极柱上散射出来， 在大约10000伏特的加速电压作用下高速轰击上基 板对应位置子像素的磷光粉，发出相应的色光。
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新型的FED显示器
碳纳米管场致发射显示器（CNT-FED）
表面传导型场发射显示器（SED）
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丝网印刷厚膜工艺制备碳纳米管冷阴极
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。
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FED技术难点
电子束发射技术（发射体表面几形状， 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/cm-2 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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场致电子发射阴极的发展
要得到足够大的发射电流，应采用提高栅极 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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第七章 场致发射显示器（FED）
场致电子发射的原理 FED的构成及制作工艺 SED显示技术
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7.1 场致发射
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的一种平板显示器件。 真空微电于的概念最早出现在20世纪60年代初， 其真实含义是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，当然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。
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结构与工作原理
前玻璃基板上涂有红、绿、蓝三色荧光粉，并作为阳极相对 后玻璃基板加有几千伏的高压。 通过丝网印刷法在后玻璃基板上制作对应每个像素的金属电 极，并用喷墨印刷的方法在金属电极间制作氧化钯薄膜电子 发射阴极。 生成了氧化钯膜的金属电极间距只有4-6个纳米，当金属电极 间加上10几伏的电压后，极间将形成超高电场，氧化钯膜中 的电子会被牵引出来，形成电子发射。 由于金属电极是沿着同一块玻璃基板排列，所以刚发射出来 的电子是在玻璃基板表面传导的，这是这种器件被命名为表 面传导电子发射显示器的原因，这也是SED与其它的场致发射 显示器（FED）的区别所在。 发射出来的电子传导到另一电极的表面时，会有一部分电子 被弹性散射到两玻璃基板之间的空间中去，这时前玻璃基板 上所加的阳极高压将对这些电子加速，并使之快速撞击到前 玻璃基板所涂敷的荧光粉上以发出可见光。
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问题的分析
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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7.2 FED的构成及制作工艺
FED的结构
FED平面显示器是一个真空电子器件，它由两块平 板玻璃，周边用特殊的玻璃封接而成。 阳极板上有红、绿、蓝三基色荧光粉条，它们之 间由黑矩阵隔开。 阴极板上有行列寻址的微尖场发射阵列和栅极。 每一个像素由相交的金属带行列的交叉点所选 通，而每一个金属带交叉点像素中包含有大量的 微尖。 阳极板和阴极板之间有支撑结构，以抵抗大气 压。
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问题
SED只是场致发射显示器（FED）的一种。其与FED的 唯一区别就是起牵引电子作用的柵极并不是与电子 发射阴极平行排列在下玻璃基板上，而是制作在电 子发射阴极和阳极（上玻璃基板）之间，因此仅仅 是电极制作工艺的区别。 为了不影响电子的发射和运行，FED的内部为超高真 空状态，其表面要承受超过每平方米10吨的压力， 内部的支撑问题需要解决。因此FED的尺寸不可能做 的太大，CRT的极限尺寸只能达到45英寸。 高速电子打到荧光粉后会把其内部吸附的气体解吸 出来，造成真空度降低。因此FED的寿命与真空保持 问题紧密相连。