场致发射显示技术

•场致发射显示技术1场致发射显示器件的构成及工作原理2FED发展状况新型光电显示技术7.2场致发射显示技术•FEDFieldEmissionDisplay(orFieldEffectionDisplay)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。•①热电子发射：电子靠加热物体提供能量，当温度升高，电子的无序热运动的能量随之增大，直致电子能够克服阻碍它逸出固体表面的阻力而逸出物体的发射；•②光电子发射：即外光电效应，与电子没有逸出物体表面的内光电效应有区别，电子靠光辐射吸收光量子能量而逸出物体产生的发射；•③次级电子发射：外界获得能量的电子穿入物体内部，把能量传递给物体内部的电子，使之逸出的发射方式；•④场致电子发射：也称自电子发射、冷发射，在物体表面加强电场以削弱阻碍电子逸出物体的力，利用隧道效应而产生的发射。•场致电子发射现象是在强外加电场作用下固体表面发生的发射电子的现象。它与热电子发射、光电子发射和二次电子发射的不同之处在于：热电子、光电子和二次电子的发射是由于固体内部电子获得外部给予的能量而被激发、当被激发的电子具有高于表面逸出势垒的动能时就逸出固体表面的电子发射，而场致电子发射是利用加在物体表面的强电场束削弱阻碍电子逸出物体的力，并利用隧道效应使固体向真空发射出电子。•场致电子发射又称为冷电子发射，只需要在阴极表面加一个强电场，不需要任何附加的能量，就能使阴极内的电子具有足够的能量从表面逸出。它的一个重要应用就是场致电子发射显示器即FED（fieldemissiondisplay,FED）。•其工作原理是使用电场自发射阴极（cathodeemitter）材料的尖端放出电子来轰击屏幕上的荧光粉，启动荧光粉而发光，有点类似CRT的工作原理，但不同的是CRT在显像管内部有三个电子枪，为了使电子束获得足够的偏离还不得不把显像管做得必须有一段距离长，因此CRT显示器又大又厚又重。而FED在每一个荧光点后面不到3mm处都放置了成千上万个极小的电子发射器，同时用场发射技术作为电子来源以取代传统CRT显像管中的热电子枪，由于不是使用热能，使得场发射电子束的能量分布范围较传统热电子束窄而且具有较高亮度，因而可以用于平面显示器并带来了很多优秀特色。7.2.1场致发射显示器件的构成及工作原理1.场致发射显示技术场致发射显示（FieldEmissionDisplay，FED）与真空荧光显示（VFD）和CRT有许多相似之处，它们都以高能电子轰击荧光粉。与VFD不同的是，它用冷阴极微尖阵列场发射代替了热阴极的电子源，用光刻的栅极代替了金属栅网，这种新型的自发光型平板显示器件实际是CRT的平板化，兼有CRT和固体平板显示器件的优点，不需要传统偏转系统，可平板化，无X射线，工作电压低，比TFT-LCD更节能，可靠性高。•真空荧光显示屏（VACUUMFLUORESCENTDISPLAY）是从真空电子管发展而来的显示器件，由发射电子的阴极（直热式，统称灯丝）、加速控制电子流的栅极、玻璃基板上印上电极和荧光粉的阳极及栅网和玻盖构成。它利用电子撞击荧光粉，使荧光粉发光，是一种自身发光显示器件。由于它可以做多色彩显示，亮度高，又可以用低电压来驱动，易与集成电路配套，所以被广泛应用在家用电器、办公自动化设备、工业仪器仪表及汽车等各种领域中。VFD根据结构一般可分为2极管和3极管两种；根据显示内容可分为：数字显示、字符显示、图案显示、点阵显示；根据驱动方式可分为：静态驱动（直流）和动态驱动（脉冲）。2.场致发射显示器件的构成场致发射显示器件，即场致发射阵列平板显示器，或称为真空微尖平板显示器（MiniFlatPanel，MFP），是一种新型的自发光平板显示器件，它实际上是一种很薄的CRT显示器，其单元结构是一个微型真空三极管（图7.2），包括一个作为阴极的金属发射尖锥，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。由于栅极和阳极间距离很小，但在栅极和阴极间加上不高的电压（小于100V）时，在阴极的尖端会产生很强的电场，当电场强度大于5×107V/cm时，电子由于隧道效应从金属内部穿出进入真空中，并受阳极正电压加速，轰击荧光粉层实现发光显示。图7.2微型真空三极管结构•经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。•量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应（quantumtunneling）。可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也会出现。•在势垒一边平动的粒子，当动能小于势垒高度时，按经典力学，粒子是不可能穿过势垒的。对于微观粒子，量子力学却证明它仍有一定的概率穿过势垒，实际也正是如此，这种现象称为隧道效应。对于谐振子，按经典力学，由核间距所决定的位能决不可能超过总能量。量子力学却证明这种核间距仍有一定的概率存在，此现象也是一种隧道效应。•美国的一个摄制组，想拍一部中国农民生活的记录片。于是他们来到中国某地农村，找到一位柿农，说要买他1000个柿子，请他把这些柿子从树上摘下来，并演示一下贮存的过程，谈好的价钱是1000个柿子给20美元。柿农很高兴地同意了。于是他找来一个帮手，一人爬到柿子树上，用绑有弯钩的长杆，看准长得好的柿子用劲一拧，柿子就掉了下来。•下面的一个人就从草丛里把柿子找了出来，捡到一个竹筐里。柿子不断地掉下来，滚得到处都是。下面的人则手脚飞快地把它们不断地捡到竹筐里，同时还不忘高声大嗓地和树上的人拉着家常。在一边的美国人觉得这很有趣，自然全都拍了下来。接着又拍了他们贮存柿子的过程。隧道视野效应•美国人付了钱就准备离开，那位收了钱的柿农却一把拉住他们说：“你们怎么不把买的柿子带走呢？”美国人说不好带，也不需要带，他们买这些柿子的目的已经达到了，这些柿子还是请他自己留着。“天底下哪有这样便宜的事情呢？”那位柿农心里想。•看着美国人远去的背影，柿农摇摇头感叹道：“没想到世界上还有这样的傻瓜！”那位柿农不知道，他的1000个柿子虽然原地没动地就卖了20美元，但那几位美国人拍的他们采摘和贮存柿子的记录片，拿到美国去却可以卖更多更多的钱。•他也不知道，在那几个美国人眼里，他的那些柿子并不值钱，值钱的是他们的那种独特有趣的采摘、贮存柿子的生产生活方式。柿农的蝇头小利比起那几个美国人的利益来说实在不算什么。在企业的投资构成中，人们的决策者是像文中的柿农一样只看到眼前的比较直接的小利益还是能把眼光放长远一些，发现更大，但可能比较隐蔽的大利益呢？•隧道视野效应：一个人若身处隧道，他看到的就只是前后非常狭窄的视野。不能缺乏远见和洞察力，视野开阔，方能看得高远。识时务者为俊杰。一件事情，重要的不是现在怎样，而是将来会怎样。要看到事物的将来，就必须有高远的眼光。看清了它的将来，坚定不移地去做，事业就已经成功了一半。明智的人总会在放弃微小利益的同时，获得更大的利益。麦当劳的应用•麦当劳是全世界快餐业的巨无霸。这并不是创始人麦当劳兄弟的功劳。将麦当劳一手做大的，是瑞·克罗克。•克罗克是一个一生坎坷的人，年过五十后还事业无成，一次偶然的机会，发现业务报表上有一家叫麦当劳的汽车餐厅，这家餐厅的生意很是红火。克罗克敏锐地意识到，随着社会生活节奏的加快，麦当劳这样的快餐店会越来越受到青睐。立即找到了餐厅老板麦当劳兄弟，要求合伙做生意。克罗克陈述了自己的想法，要是去别的城市开几家分店的话，将会大大提高现在的营业额，但麦当劳兄弟并不感兴趣。因为当时凭着这一个店，一年就已经能够稳赚25万美元。•克罗克进入快餐店后，很快就掌握了经营快餐店的一套办法。曾多次建议麦当劳兄弟改善营业环境，以吸引更多的顾客；并提出配制份饭、轻便包装、送饭上门等一系列经营方法，以扩大业务范围，增加服务种类，获取更多的营业收入。由于克罗克经营有道，为店里招徕了不少顾客，生意越做越好。•与此同时，克罗克不忘做大麦当劳的想法，建议麦氏兄弟开设连锁店。在克罗克的努力下，麦当劳在全美国的连锁店达到200多家，克罗克已经看到了一个快餐帝国的前景。•通过与麦氏兄弟的合作，看着快餐帝国的美妙前景，克罗克决定买下麦当劳，自己独自单干。•这件事在当时引起了巨大的轰动，而快餐馆也借众人之口，深入人心，大大提高了其在美国的知名度。1968年麦当劳有1000家店铺，1978年就达5000家。经过40余年的发展，麦当劳已有7万多家店铺，遍布全球100多个国家和地区，几乎达到了每四小时开一家新店的速度。•识时务者为俊杰。一件事情，重要的不是现在怎样，而是将来会怎样。要看到事物的将来，就必须有高远的眼光。看清了它的将来，坚定不移地去做，事业就已经成功了一半。•明智的人总会在放弃微小利益的同时，获得更大的利益。FED的制造过程与LCD很类似，采用的玻璃平板相同，薄膜沉积和光刻技术也很相似。制作阵列状的微尖锥结构时，采用两步光刻工艺，首先对微孔阵列光刻，这一步有很高的光刻精度（小于1.5μm），可用紫外光步进曝光来实现，然后用蒸发和刻蚀制造微尖。用上述方法制造的阴极必须满足3点要求：（1）在整个表面上具有均匀的电子发射。（2）提供充分的电流，以便在低电压下获得高亮度。（3）在微尖和栅极之间没有短路。为了满足以上要求，采用了下面两项技术：（1）在导通的阴极和选通的微尖之间利用一个电阻层来控制电流，使每一选通的像素含有大量的微尖，可保证发射的均匀性。（2）高发射密度（104微尖／mm2）和小尺寸（直径小于1.5μm），使得在100V激励电压下获得lmA/mm2的电流密度，从而实现高亮度。采用上述方法制造的一种15cmFED单色显示器的性能如下：•激励面积（mm2）110×90•行列数256×256•光点尺寸（mm2）0.12•微尖密度（/mm2）104•阳极-阴极空间（μm）200•阴极-栅极电压（V）80•阴极-阳极电压（V）400•辉度（cd/m2）150～300•对比度100︰1•响应时间（μs）2•寿命（h）5000•平均功率耗散（屏）（W/cm2）12.FED工作原理FED工作原理如图7.3所示，两块平板玻璃之间有200μm的间隙，底板上有一个排气管可抽气，显示器件的阴极由交叉金属电极网组成，一层金属带连接阴极，另一层正交的金属带连接栅极，两层金属带之间由lμm厚的绝缘层分开，每一个像素由相交的金属带行列交叉点所选通，涂有荧光粉的屏对应于像素安放。每个像素有数千个微电子管，即使有一些发射尖锥失效也不会影响像素显示，这一特点非常有利于提高成品率。如果在这些微尖锥发射阵列上加上矩阵选址电路，就构成了FED。图7.3FED工作原理FED基本结构和原理结构：由阳极基板和阴极基板构成，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。两基板之间有支撑以抵抗大气压力，基板之间用低熔点玻璃封接原理：在栅极和阴极之间有一个电压差形成电场，使得微尖释出电子，再经过阳极和阴极之间的高压电场加速电子使之轰击荧光粉而发光。7.2.2FED发展状况•FED本质上是由许多微型CRT组成的平板显示器，其具备下列优点：（1）冷阴极发射。（2）低工作电压。（3）自发光和高亮度。（4）宽视角和高速响应。（5）很宽的环境温度变化范围。各类电视机功耗的比较•FED是20世纪80年代末问世的真空微电子学的产物，兼有有源矩阵液晶显示器（AM-LCD）和传统CRT的主要优点，显示出强大的市场潜力。其工作方式与CRT类似，但厚度仅为几毫米，亮度、灰度、色彩、分辨率和响应速度可与CRT相媲美；且工