PDP等离子体显示器

• 气体种类和成分
– 气体原子电离能较低，Vf较低 – 气体纯度，基本气体混入微量杂质气体降低V，潘宁效应
• 阴极材料和表面状况
– 汤生系数越高，着火电压越低
• 电场分布
– 电极结构电场分布汤生、系数的分布
• 辅助电离源
– 加热、光照射等方法，降低着火电压
26
27
28
潘宁(Penning)电离
9
用于计算机视频终 端的单色PDP
• 2000s 早期， PDP 被认为是高清平板电视的最佳选择， LCD 被认为只适合小尺寸电视。
– 响应时间、色彩效果、视角、尺寸、成本、功耗
• 2006起，随着大面积VISL技术的发展，LCD逐渐挤垮PDP。 • 2008，松下发布150英寸PDP，当时LCD最大尺寸为108寸。 • 2010，PDP电视全球发货量达到1820万台，仅为LCD发货量 1/10。 • 2010，松下展出152英寸4倍高清3D PDP。 • 2013，松下宣布从2014年3月起停止生产PDP电视。
23
巴刑定律
• 在冷阴极、均匀电场的条件下，着火电压 Vf 是放 电管内气压 (p) 和电极间距 (d) 的乘积 (pd) 的函数， 而不是分别随p, d变化。 • 着火电压随pd变化时存在一个最小值。
24
巴刑定律简单推导
• 根据汤生放电理论 =Apexp(-Bp/E)
– 不考虑空间电荷对电场的影响 – p为气体气压，E 为电极间电场强度， A,B 为与气体有 关的常数
等离子体显示器
1
主要内容
• • • • • • 1 PDP简介 2 气体放电特性 3 AC-PDP的结构和特性 4 AC-PDP的驱动方法 5 PDP 面临的挑战 6 AC-PDP的制作工艺
2
1 PDP简介
• 1.1 PDP的定义与分类 • 1.2 PDP的发展历史
3
1.1 PDP的定义与分类
• 在给定的基本气体A中加入少量的杂质气体B，如 果B的电离能量小于A的亚稳态激发能量，亚稳态 原子 A* 与基态原子 B 碰撞时，就可使 B 电离， A* 降低到低能状态。 • A*+B A+B++e • 亚稳态原子(10-4~10-2s)相对激发态原子 (10-8~107s)具有较长的寿命，潘宁电离几率较高
使基本气体A的有效电离电位明显降低 AB 混合气体的着火电压会小于基本气体 A 的着火电压。
29
几种气体的亚稳态能级和电离电位
• Ne Ar，He Xe，Ne Xe，ArHg 混合可产生潘宁效 应。这些混合气体常称为潘宁气体。
30
Ne-Xe混合气体放电的主要电离过程
• 电子碰撞电离
– 电子被电场加速到21.6eV，可与基态Ne原子发生电离碰 撞–e+Ne Ne++2e – 电子被电场加速到16.6eV，可使基态Ne原子激发到亚稳 态(Nem)–e+Ne Nem+e
表面放电型AC-PDP结构示意图
37
3.2 AC-PDP工作原理
• 当气体两端无壁电荷、所加电压小于阈值电压 （着火电压），气体不发生放电现象。 • 气体两端所加电压超过着火电压时，气体放电迅 速形成。 • 放电一段时间后，电子和正离子聚积在正、负电 极对应的介质表面，形成壁电荷。
• PDP：Plasma Display Panel
– 所有利用气体放电形成等离子体而发光的平板显示器 件的总称
• 等离子体
– 被激发电离气体，达到一定的电离度（10-4），气体处 于导电状态。 – 电离气体中每一带电粒子的运动都会影响到其周围带 电粒子，同时也受到其他带电粒子的约束。 – 电离气体整体行为表现出电中性，也就是电离气体内 正负电荷数相等，称这种气体状态为等离子体态。
• • • •
结合自持放电条件： n0(ed -1)=1 Vf= Bpd/{ln(Apd)-ln[ln(1+1/)]}= f(pd) 当pd=2.72ln(1+1/)/A时， Vfmin=2.72Bln(1+1/)/A
25
影响气体放电着火电压Vf的因素
• pd值
– pd，碰撞次数 ，有利于放电 – pd ，电子在一个自由程中获得的能量，不利于放电
4
等离子体——物质第四态
5
• 看似“神秘”，其实是宇宙中 一种最常见的物质形态
– 在太阳、恒星、闪电中都存在等 离子体，它占了整个宇宙的 99％。
• 根据工作温度分类
– 高温等离子体，极高温度，原子 中的电子获得足够动能发生电离 – 低温等离子体，利用电场、磁场 等手段产生
太阳表面
• PDP ：属于冷阴极放电，在阴 极和阳极间加一定的电压，使 气体辉光放电。
– Xe**为Xe原子2P5, 2P6能级的激发态，很不稳定，极易跃迁 到谐振态Xe*(1S4能级)，并发出波长为828nm的红外线。
• Xe从谐振态跃迁到基态 Xe*(1S4) Xe+hv(147nm) • 147 nm 的真空紫外光激发三基色光致发光荧光粉。
Ne-Xe气 体放电 能级跃 迁与紫 外发射 示意图
气体放电的伏安特性
17
弧光放电现象
闪电，大气弧光放电
两灯丝间的弧光放电
18
PDP的工作区域
• 要求：
– 放电发光较强 – 维持电压低 – 放电不损伤电极（阴极）
• 气体稳定放电（发光）区域
– 正常辉光 PDP的工作区域 – 反常辉光 – 弧光放电：大电流，容易烧毁显示器
19
2.2 气体击穿理论
– 非自持放电 – 自持放电
13
非自持放电
• 带电粒子依靠空间存在 的自然辐射、照射阴极 所引起的电子发射和气 体的空间电离产生。 • 0A 段，电场极低，空间 带电粒子浓度不变，电 流正比于电子的迁移速 度，从而正比于场强和 电压。 • AB段，所有带电离子在 复合前都被电极收集， 电流饱和，受限于产生 电子和离子的速率。饱 和段（盖革区） • BC段，电子从电场获得 足够能量，产生电子碰 撞电离。非定义与分类
• 单色PDP
– 直接利用气体放电发出的 可见光实现单色显示 – 放电气体：氖（Ne）、氖 -氩（Ne-Ar）
• 彩色PDP
– 气体放电发出紫外线 – 紫外线激发红、绿、蓝三 色
彩色PDP结构示意图
• 荧光粉实现彩色显示
– 放电气体：Ne-Xe、He-Xe、 He-Ne-Xe
35
交流型AC-PDP
• 电极用覆盖介质与 气体相隔离
– 介质层、耐轰击保护 层、荧光粉
• 需要加交流电才能 保持稳定放电 • 对向放电型：
– 放电电极位于显示屏 两基板 – 结构简单，易实现高 分辨率 – 离子直接轰击荧光粉， 显示寿命较短。
36
表面放电型AC-PDP基本结构
• 显示电极包括ITO透明电极和 汇流电极。 • 像素之间，与电极平行方向 制作有黑色介质条，用于提 高显示对比度。 • 介质和黑条之上，是透明介 质，最上层是用于降低工作 电压和对介质进行保护的 MgO 层。 • 障壁位于寻址电极之间，用 于防止单元间光串扰和控制 基板间隙。 • 障壁的底部和侧面涂覆的是 真空紫外光致发光荧光粉。 相邻三个障壁槽内分别涂覆R G B 三基色荧光粉，形成一 个彩色像素。
气体放电的伏安特性
15
• 正常辉光放电。
– 阴极表面只有一部分阴极 表面发射电子，只有一部 分发光。阴极斑点。 – 放电电流增加，阴极斑点 面积按正比例增加，而 U 保持不变。
16
• FG 段，阴极斑点（辉光） 覆盖整个阴极表面后。 电流随电压的增加而增 加，阴极出现溅射现象。 反常辉光放电 • GH段，放电电流急剧增 加，电压迅速下降。辉 光放电和弧光放电的过 渡区 • H 段后，阴极 被轰击 加 热到较高温度，以热发 射的形式产生二次电子。 发射呈现点状、耀眼的 弧形光辐射。弧光放电
14
气体放电的伏安特性 横坐标：放电气体两端电压，线性坐标 纵坐标：放电电流，对数坐标
自持放电
• 带电粒子通过电场产生， 无需外接输入电离源 • CD 段，放电电流迅速增 加，产生微弱的光辐射。 自持暗放电。 • C点：击穿（着火）电压 • DE 段，电流急剧增加， 电压急剧下降。很不稳定 的过渡区。 • EF 段，电流急剧增加 ， 电压基本不变，伴有较强 的光辐射，正常辉光放电。
7
• 直流型DC-PDP： 电极与放电气 体直接接触
• 交流型AC-PDP：电极用覆盖介 质层与气体相隔离
– 对向放电型：放电阴、阳极位于 显示屏两基板 – 表面放电型：放电阴、阳极位于 显示屏同一基板
8
1.2 PDP的发展历史
• 19世纪，开始气体放电试验 • 1936 ， 匈 牙 利 工 程 师 Ká lmá nTihanyi 提出了等离子体电视的原理。 • 1954，发明DC-PDP • 1964，美国伊利诺斯大学制作出具有 存储特性的单色 AC-PDP ，并用于计 算机。 • 1968 ， Phillps 用 DC-PDP 进行电视放 映 • 1970，日本开始彩色PDP的研究 • 1984，三电极表面放电单元结构发明 • 1990，富士通公司开发寻址与显示技 术分离的驱动技术 • 1990s，彩色PDP在提高亮度、实现多 灰度显示、延长寿命取得重大突破， 开始批量生产
31
Ne-Xe气体放电能级跃迁与紫外发射示意图
• 潘宁电离
– Nem寿命10-4~10-2s，与其它原子碰撞的几率很高，当与 Xe原子碰撞时使其电离 – Nem+Xe Ne+Xe++e – 潘宁电离使气体有效电离电位（着火电压）明显降低
Ne-Xe气体放电能级跃迁与紫外发射示意图
32
• 电子与Xe+碰撞形成Xe的激发态 e+Xe+Xe**+hv (828nm)
150英寸PDP 10
PDP的特点
• 主要优点
– – – – – – – – –
11
易于实现薄屏大屏幕（40~150英寸，厚度<12cm） 具有高速响应特性（微秒响应时间） 视角宽（160 ） 可实现全彩色（脉冲调制，灰度和色域与CRT相当） 全数字化工作模式 发光效率低（功耗大） 驱动电压高 像素点偏大 应用范围窄，通常只用于电视
• 离子碰撞电离
– 离子碰撞气体原子的电子几率很小，0 – 轰击阴极的离子数，等于空间新产生的离子数n0(ed -1)
• 二次电子发射
– 离子轰击阴极使之的发射二次电子n0(ed -1)
22
自持放电的条件
• 自持放电：带电粒子通过电场产生，无需外接输 入电离源 • 初始电子n0产生新的离子n0(ed -1)，离子轰击阴极 板产生的二次电子，二次电子的数量n0(ed -1)不 小于初始电子的数量 n0 。以上过程不断循环达到 稳定状态，形成自持放电。 • 自持放电条件： n0(ed -1)=n0 • 对应的放电气体两端电压：击穿（着火）电压Vf
• 主要缺点
2 气体放电特性
• • • • 2.1 气体放电的全伏安特性 2.2 气体击穿理论 2.3 潘宁(Penning)效应 2.4 辉光放电的发光空间分布
12
2.1 气体放电的全伏安特性
• 气体放电
– 一切电流通过气体的现象 – 击穿（放电）前：电阻无 穷大 – 放电后：非线性电阻
• 按维持放电是否需要外接 电离源
33
3 ACPDP的结构和特性
• 3.1 AC-PDP的结构 • 3.2 AC-PDP显示单元等效电路 • 3.3 AC-PDP的壁电荷和储存特性
34
3.1 PDP的基本结构
• 直流型DC-PDP
– 行、列电极之间加直 流电压即可。 – 与气体直接接触放电。 – 结构简单。 – 离子直接轰击电极和 荧光粉，显示寿命较 短。
• 汤生第二电离系数
– 每个离子沿电场方向运行的过程中，单位距离与气体 原子发生碰撞电离的次数
• 汤生第三电离系数
– 又称为二次电子发射系数，每个离子轰击阴极板产生 的二次电子发射数
21
电离过程的定量分析
• 电子碰撞电离
– 单位时间，阴极表面单位面积发射n0个电子，由于电子 碰撞电离，到达阳极表面的电子数 na=n0ed。放电过程 中新产生的电子和离子数为：na-n0= n0(ed -1)
• 气体击穿：气体由非自 持放电转为自持放电的 过程，也称着火过程 • 气体放电中的电离过程
– 阴极发射初始电子 – 电子从阴极向阳极运动， 碰撞电离气体原子 – 离子从阳极向阴极运动， 碰撞电离气体原子 – 离子到达，轰击阴极产生 新的电子
20
汤生电离系数
• 汤生第一电离系数
– 每个电子沿电场反方向运行的过程中，单位距离与气 体原子发生碰撞电离的次数