光显第四章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,4,章 发光二极管,(LED),显示技术,4.1,发光二极管基本知识,4.2,发光二极管显示器件,4.3,有机发光二极管（,OLED,）显示技术,习题四,现 代 显 示 技 术,4.1,发光二极管基本知识,4.1.1,半导体光源的,物理基础,LED,（,Light Emitting Diode,）发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。,LED,的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是,P,型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是,N,型半导体，电子占主导地位。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个,P-N,结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向,P,区，在,P,区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是,LED,发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成,P-N,结的材料决定的。,N,型半导体和,P,型半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或,N,型半导体。,掺入五价元素,Si,Si,Si,Si,p+,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在,N,型半导体中,自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,14.1.2 N,型半导体和,P,型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或,P,型半导体。,掺入三价元素,Si,Si,Si,Si,在,P,型半导体中,空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,B,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论,N,型或,P,型半导体都是中性的，对外不显电性。,PN,结,及其单向导电性,多子的扩散运动,内电场,少子的漂移运动,浓度差,P,型半导体,N,型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称,PN,结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,形成空间电荷区,7.2.2 PN,结的单向导电性,1.PN,结加正向电压,（正向偏置）,PN,结变窄,P,接正、,N,接负,外电场,I,F,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN,结加正向电压时，,PN,结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，,PN,结处于导通状态。,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,2.PN,结加反向电压,（反向偏置）,外电场,P,接负、,N,接正,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,PN,结变宽,2.PN,结加反向电压,（反向偏置）,外电场,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,I,R,P,接负、,N,接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,+,PN,结加反向电压时，,PN,结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，,PN,结处于截止状态。,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,图,4.1,半导体光源的物理基础,图,4.2,半导体,LED,的构造图,晶片的发光颜色取决于波长，常见可见光的分类大致为：暗红色（,700nm,）、深红色（,640-660nm,）、桔红色（,615-635nm,）、琥珀色（,600-610nm,）、黄色（,580-595nm,）、黄绿色（,565-575nm,）、纯绿色（,500-540nm,）、蓝色（,435-490nm,）、紫色,(380-430nm),。白光和粉红光是一种光的混合效果。最常见的是由蓝光,+,黄色荧光粉和蓝光,+,红色荧光粉混合而成。,晶片的作用：晶片是,Lamp,的主要组成物料，是发光的半导体材料。,晶片的组成：晶片是采用磷化镓（,GaP,）、镓铝砷（,GaAlAs,）或砷化镓（,GaAs,）、氮化镓,GaN,）等材料组成，其内部结构具有单向导电性。,品质优良的,LED,要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。事实上，,LED,向外发光仅是内部发光的一部分。,由于,LED,材料折射率很高。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装）若垂直入射，被空气反射，反射率为 ，反射出的占,32%,，鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。,为了进一步提高外部出光效率可采取以下措施：,用折射率较高的透明材料（环氧树脂,n=1.55,并不理想）覆盖在芯片表面；,把芯片晶体表面加工成半球形。,4.1.2,发光二极管的结构,发光二极管是指当在其整流方向施加电压（称为顺方向）时，有电流注入，电子与空穴符合，其一部分能量变换为光并发射的二极管。这种,LED,由半导体制成，属于固体元件，工作状态稳定、可靠性高，其连续通电时间（寿命）可达,10,5,h,以上。,LED,的发光来源于电子与空穴发生复合时放出的能量。作为,LED,用材料，一是要求电子与空穴的输运效率要高；二是要求电子与空穴复合时放出的能量应与所需要的发光波长相对应，一般多采用化合物半导体单晶材料。,4.1.3,发光二极管的驱动,驱动电路是,LED(,发光二极管,),产品的重要组成部分，其技术成熟度正随着,LED,市场的扩张而逐步增强。无论在照明、背光源还是显示板领域，驱动电路技术架构的选择都应与具体的应用相匹配。,作为,LCD,（液晶显示器）的背光源，,LED,在便携产品中的地位不可动摇，即便是在大尺寸,LCD,的背光源当中，,LED,也开始挑战,CCFL(,冷阴极荧光灯,),的主流地位；而在照明领域，,LED,作为半导体照明最关键的部件，更是因为它节能、环保、长寿命、免维护等优点而受到市场的追捧。,直流驱动是最简单的驱动方式。当前很多厂家生产的,LED,灯类产品都采用这种驱动方式，即采用阻、容降压，然后加上一个稳压二极管，向,LED,供电，如图,4.3,（,a,）所示。,由于,LED,器件的正向特性比较陡，以及器件的分散性，使得在电压和限流电阻相同的情况下，各器件的正向电流并不相同，从而引起发光强度的差异。以白光,LED,为例，白光,LED,需要大约,3.6 V,的供电电压才能实现合适的亮度控制。,大多数便携式电子产品都采用锂离子电池作电源，它们在充满电之后约为,4.2 V,，安全放完电后约为,2.8 V,，显然白光,LED,不能由电池直接驱动。如果能够对,LED,的正向电流直接进行恒流驱动的话，只要恒流值相同，各,LED,的发光强度就比较相近。考虑到晶体管的输出特性具有恒流的性质，所以可以用晶体管来驱动,LED,，如图,4.3,（,b,）所示。,此外，利用人眼的视觉暂留特性，采用反复通断电的方式使,LED,器件点燃的方法就是脉冲驱动法，如图,4.3,（,c,）所示。,脉宽调制（,Pulse-Width Modulation,，,PWM,）技术是一种传统的调光方式，它利用简单的数字脉冲，反复开关,LED,驱动器，系统只需要提供宽窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节,LED,的亮度。该技术的优点在于：能够提供高质量的白光、应用简单、效率高。但有一个致命的缺点是容易产生电磁干扰，有时甚至会产生人耳能听见的噪声。,光 电 显 示 技 术,图,4.3 LED,的,3,种不同驱动方式,4.1.4,发光二极管的特点及应用,1.LED,的主要特点：,(1)LED,为非相干光，光谱较宽，发散角大；,(2)LED,的发光颜色非常丰富；,红色：,GaP:ZnO,或,GaAaP,材料,橙色、黄色：,GaAaP,材料,蓝色：,GaN,材料,通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。,(3)LED,的辉度高，即使在日光下，也能视认；,(4)LED,的单元体积小；,(5),寿命长，基本上不需要维修。,LED,的其他特点：,机械强度大，耐振动和耐冲击能力；,使用低压电源，供电电压在,6-24V,之间，特别适用于公共场所；,功耗低，易于实现低压驱动；,体积小，重量轻，适用性强；,寿命长达,10,万小时，响应时间为纳秒级 ；,无有害金属汞，对环境无污染；,改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光；,LED,的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只,LED,的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由,300500,只二极管构成。,2.LED,的主要应用,:,LED,显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，早期开发的为普通型,LED,，是中、低亮度的红、橙、黄、绿,LED,已获广泛使用。近期开发的为新型,LED,，是指蓝光,LED,和高亮度、超高亮度,LED,。它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成在面积显示屏幕，使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。,指示灯：,LED,正在成为指示灯的主要光源,数字显示用显示器：点矩阵型和字段型两种方式,平面显示器：可进行电视画面显示,光源：电视机、空调等的遥控器的光源干涉仪的光源 低速率、短距离光纤通信系统的光源。,4.2,发光二极管显示器件,4.2.1 LED,显示器件的显示原理,LED,显示屏是通过一定的控制方式，用于显示文字、文本、图像、图形和行情等各种信息以及电视、录像信号并由,LED,器件阵列组成的显示屏幕。,LED,显示屏按使用环境分为室内屏和室外屏，室内屏基本发光点按采用的,LED,单点直径有,3,、,3.75,、,5,、,8,和,10,等几种规格，室外屏按采用的像素直径有,19,、,22,、,26,等规格。,LED,显示屏按显色分为单基色屏（含伪色彩屏，几在不通的区域安装不同颜色）屏；按灰度级又可分为,16,、,32,、,64,、,128,、,256,级灰度屏等。,LED,显示屏按显示性能分为文本屏、图文屏、计算机视频屏、电视视频,LED,显示屏和行情,LED,显示屏等，行情,LED,显示屏一般包括证券、利率、期货等用途的,LED,显示屏。,第,4,章 发光二极管,(LED),显示技术,图,4.3 LED,显示系统原理图,典型的,LED,显示系统一般由信号控制系统、扫描和驱动电路以及,LED,阵列组成,如图,4.3,所示。信号控制系统可以是嵌入式,LED,显示屏的单片机系统、独立的微机系统、传呼接收与控制系统等。其任务是生成或接收,LED,显示所需要的数字信号，并控制整个,LED,显示系统的各个不同部件按一定的分工和时序协调工作。,行扫描电路主要由译码器组成，用于循环选通,LED,阵列行。列驱动电路多分为三级管阵列，给,LED,提供大电流。移位寄存器,/,锁存器由传入并出寄存器和锁存器（或带所存功能的移位寄存器）构成。待显示数据就绪后，控制系统首先将第一行数据打入移位寄存器并锁存，然后由行扫描电路选通,LED,阵列的第一行，持续一定时间后，在用同样方法显示后续行，直至完成一帧显示，如此循环往复。,根据人眼视觉暂留时间，屏幕刷新速率每秒,25,帧以上就没有闪烁感。当,LED,显示屏面积很大时以提高视觉效果，可以分区并行显示。在高速动态显示时，,LED,的发光亮度与扫描周期内的发光时间成正比，所以，通过调制,LED,的发光时间与扫描周期的比值（占空比）可实现灰度显示，不同基色,LED,灰度组合后便调配出多种色彩。,4.2.3 LED,显示器件的技术指标,1.,室内屏系列,室内屏面积一般在十几平方米以下，点密度较高，在非阳光直射或灯光照明环境下使用，观看距离在几米以外，屏体不具备密封防水能力。,室内全彩色,视频屏主要技术参数：,基色,RGB,（全彩色）,像素直径（,mm,）,5.00 8.00,像素间距（,mm,）,7.62 10.00,像素组成,1R1G1B 2R1G1B,虚拟像素,单元面板点数（点）,3232 3216,单元面板尺寸（,mm,）,245245 320160,单元面板质量（,g,）,1100 850,物理像素密度（点,/m,2,）,17200 10000,虚拟像素密度（点,/m,2,）,16384 40000,峰值功耗（,W/m,2,）,850 750,平均功耗（,W/m,2,）,350 320,重量（,kg/m,2,）,36 ,36,水平可视角度,150,；垂直可视角度,150,最高亮度（,cd,/m,2,）,1700 800,光 电 显 示 技 术,室内双基色,视频屏主要技术参数：,基色,RG,（红、绿双基色）,像素直径（,mm,）,3.75 5.00,像素间距（,mm,）,4.75 7.62,像素组成,1R1G,1R1G,单元面板点数,6432,（或,8032,）,8032,单元面板尺寸（,mm,）,306153,（或,382153,）,612245,单元面板质量（,g,）,800 500,像素密度（点,/m,2,）,43000 17200,峰值功耗（,W/m,2,）,700 350,平均功耗（,W/m,2,）,300 200,可视角度,150,通信距离（,m,）,100,（无中继）,光 电 显 示 技 术,室内单色屏,主要技术参数：,基色 单色,像素直径（,mm,）,3.0 3.75 5.00,像素间距（,mm,）,4.0 4.75 7.62,像素组成,1R,1R,1R,单元面板点数,6432,6432,8032,单元面板尺寸（,mm,）,306153 612245,单元面板质量（,g,）,700 900 1500,像素密度（点,/m,2,）,62500 43000 17200,峰值功耗（,W/m,2,）,500 350 200,平均功耗（,W/m,2,）,350 200 100,可视角度,150,通信距离（,m,）,100,（无中继）,光 电 显 示 技 术,2.,半室外屏系列,半室外屏一般使用发光单灯组成发光点，适用于亮度较高又可以防水的环境，如房檐下、橱窗内、光线强烈的大厅等。点间距一般在,7.62,10 mm,；发光颜色一般为单红色或红,/,绿双基色；控制方式根据使用要求，有异步、同步图文、视频等。,半室外屏,主要技术参数,：,基色 单色,/,双基色,像素直径（,mm,）,5.00,5.00,像素间距（,mm,）,7.62 10.00,像素组成,1R,1R,单元面板点数,8032 3216,单元面板尺寸（,mm,）,612245 320160,单元面板质量（,g,）,1700 1000,像素密度（点,/m,2,）,17200 10000,峰值功耗（,W/m,2,）,400 300,平均功耗（,W/m,2,）,250 200,水平可视角度,60,70,；垂直可视角度,45,60,最高亮度（,cd,/m,2,）,3000 1800,3.,室外屏系列,室外屏面积一般在,10 m,2,以上，亮度较高，可以在阳光直射环境使用，观看距离一般在十几米以外，屏体具备密封防水能力。根据控制方式和显示颜色，又可分为以下几种。,室外全彩色视频屏,主要技术参数,：,基色,RGB,（全彩色）,像素直径（,mm,）,15.00 18.00,像素间距（,mm,）,20 25,像素组成,2R1G1B,2R1G1B,单元面板点数,3216,3216,单元面板尺寸（,mm,）,640320 800400,单元面板质量（,g,）,1500 1000,像素密度（点,/m2,）,2500 1600,峰值功耗（,W/m2,）,1000 800,平均功耗（,W/m2,）,380 350,重量（,kg/m2,）,42 40,水平可视角度,70,；垂直可视角度,45,最高亮度（,cd/m2,）,7000 800,光 电 显 示 技 术,室外双基色视频屏,主要技术参数：,基色,RG,（双基色）,像素间距（,mm,）,11.5 16.0 22.0,像素组成,2R1G,2R1G,2R4G,单元面板点数,3216,3216,3216,单元面板尺寸（,mm,）,368184 512256 704352,单元面板质量（,g,）,1000 1500 2300,像素密度（点,/m2,）,7600 4096 2048,峰值功耗（,W/m2,）,800 600 500,平均功耗（,W/m2,）,300 250 150,可视角度,70,通讯距离（,m,）,100,（无中继）,第,4,章 发光二极管,(LED),显示技术,4.3,有机发光二极管显示技术,4.3.1,有机发光二极管显示简介,有机发光二极管或有机发光显示器（,Organic Light Emitting Diode,，,OLED,）本质上属于电致发光（,EL,）显示器件。电致发光是在半导体、荧光粉为主体的材料上施加电而发光的一种现象。电致发光可分为本征型电致发光和电荷注入型电致发光两大类。本征型电致发光是把,ZnS,等类型的荧光粉混入纤维素之类的电介质中，直接或间接地夹在两电极之间，施加电压后使之发光；注入型电致发光的典型器件是发光二极管，在外加电场作用下使,P-N,结产生电荷注入而发光。,有机发光二极管是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件，是自,20,世纪中期发展起来的一种新型显示器技术，其原理是通过正负载流子注入有机半导体薄膜后复合产生发光。与液晶显示器件相比，,OLED,具有全固态、主动发光、高亮度、高对比度、超薄、低成本、低功耗、快速响应、宽视角、工作温度范围宽、易于柔性显示等诸多优点。,OLED,器件的结构如图,4.5,所示，在纳米铟锡金属氧化物（,Indium Tin Oxides,，,ITO,）玻璃上制作一层几十纳米厚的有机发光材料作发光层，发光层上方有一层金属电极。,OLED,属于载流子双注入型发光器件，其发光机理为：在外界电压的驱动下，由电极注入的电子与空穴在有机材料中复合而释放出能量，并将能量传递给有机发光物质的分子，后者受到激发，从基态跃迁到激发态，当受激分子从激发态回到基态时辐射跃迁而产生发光现象。为增强电子和空穴的注入和传输能力，通常又在,ITO,和发光层间增加一层有机空穴传输材料或在发光层与金属电极之间增加一层电子传输层，以提高发光效率。,光 电 显 示 技 术,图,4.5 OLED,器件的结构,为了形象说明,OLED,构造，可以做个简单的比喻：每个,OLED,单元就好比一块汉堡包，发光材料就是夹在中间的蔬菜。,发光过程通常由以下,5,个阶段完成：,（,1,）在外加电场的作用下载流子的注入：电子和空穴分别从阴极和阳极向夹在电极之间的有机功能薄膜注入。,（,2,）载流子的迁移：注入的电子和空穴分别从电子输送层和空穴输送层向发光层迁移。,（,3,）载流子的复合：电子和空穴复合产生激子。,（,4,）激子的迁移：激子在电场作用下迁移，能量传递给发光分子，并激发电子从基态跃迁到激发态。,（,5,）电致发光：激发态能量通过辐射跃迁，产生光子，释放出能量。,每个,OLED,的显示单元都能受控制地产生,3,种不同颜色的光。,OLED,与,LCD,一样，也有主动式和被动式之分，被动方式下由行列地址选中的单元被点亮。主动方式下，,OLED,单元后有一个薄膜晶体管（,TFT,），发光单元在,TFT,驱动下点亮；主动式的,OLED,比较省电，但被动式的,OLED,显示性能更佳。与,LCD,比较，会发现,OLED,优点不少，,OLED,可以自身发光，而,LCD,则不发光，所以,OLED,比,LCD,亮得多，对比度大，色彩效果好；,OLED,也没有视角范围的限制，视角一般可达到,160,，这样从侧面也不会失真；,LCD,需要背景灯光点亮，,OLED,只需要点亮的单元才加电，并且电压较低，所以更加省电；,OLED,的重量还比,LCD,轻得多；,OLED,所需材料很少，制造工艺简单，大量生产时的成本要比,LCD,节省,20%,。不过现在,OLED,最主要的缺点是寿命比,LCD,短，目前只能达到,5000 h,，而,LCD,可达,10000 h,。,4.3.2,有机发光显示器件的分类及特点,按照组件所使用的载流子传输层和发光层有机薄膜材料的不同，,OLED,可分为两种不同的技术类型：,一是以有机染料和颜料等为发光材料的小分子基,OLED,，典型的小分子发光材料为,Alq,（,8-,羟基喹啉铝）；,另一种是以共轭高分子为发光材料的高分子基,OLED,，简称为,PLED,，典型的高分子发光材料为,PPV,（聚苯撑乙烯及其衍生物）。,有机小分子,OLED,的原理是：从阴极注入电子，从阳极注入空穴，被注入的电子和空穴在有机层内传输。第一层的作用是传输空穴和阻挡电子，使得没有与空穴复合的电子不能进入正电极；第二层是电致发光层，被注入的电子和空穴在有机层内传输，并在发光层内复合，从而激发发光层中的分子产生激子，激子辐射跃迁而发光。,对于聚合物电致发光过程则解释为：在电场的作用下，将空穴和电子分别注入到共轭高分子的最高占有轨道（,HOMO,）和最低空轨道（,LUMO,），于是就会产生正、负极子，极子在聚合物链段上转移，最后复合形成单重态激子，单重态激子辐射跃迁而发光。,高分子聚合物,OLED,可以使用旋转涂覆、光照蚀刻，以及最终的喷墨沉积技术来制造。一旦喷墨沉积和塑料衬底技术得以成熟，,PLED,显示器件将可以被任意定制来满足各种尺寸的需求。,小分子聚合物,OLED,器件可以使用真空蒸镀技术制造。小的有机分子被装在,ITO,玻璃衬底上的若干层内。与基于,PLED,技术的器件相比，,SMOLED,不仅制造工艺成本更低，可以提供全部,262000,种颜色的显示能力，而且有很长的工作寿命。小分子聚合物,OLED,器件与聚合物相比，小分子具有两方面的突出优点：一是分子结构确定，易于合成和纯化；二是小分子化合物大多采用真空蒸镀成膜，易于形成致密而纯净的薄膜。小分子材料可以通过重结晶、色谱柱分离、分区升华等传统手段来进行提纯操作，从而得到高纯的材料。,总体来说，小分子材料器件的工艺较为成熟，有望近期进入产业化阶段，但是小分子材料的开发仍在继续，随着材料和工艺两方面的进步，小分子材料的器件性能会进一步提高；而聚合物作为很有前途的一个研究方向，相信在不久的将来会进入产业化的阶段，并且给有机电致发光的发展带来强有力地推进。,4.3.2,有机发光二极管前沿显示技术,有机发光二极管显示技术在显示领域具有光明的应用前景，被看作极富竞争力的未来平板显示技术。十几年来，有机电致发光的研究得到了飞速的发展，如今，无论以有机小分子还是以聚合物为发光材料的电致发光器件，现在都已经达到初步的产业化水平。产业化的发展对,OLED,技术不断提出新要求，,OLED,前沿显示技术发展很快。,从发光材料和器件结构考虑，,OLED,最新显示技术主要包括白光,OLED,、透明,OLED,、表面发射,OLED,、多分子发射,OLED,等；从器件的制备技术角度出发，除了常规真空蒸镀和旋涂制备技术之外，在,OLED,丝网印刷制备技术、喷墨打印技术上也不断出现新的突破；从应用领域角度考虑，基于柔性,OLED,、微显示,OLED,技术的相关研究也开始成为研究的热点。,习题四,1.,简述发光二极管的结构。发光二极管的驱动有几种方式？,2.,典型,LED,显示系统有哪几个单元组成？说明各单元作用。,3.LED,显示器件有哪些控制模式？,4.,电致发光有几种类型？有机发光显示器件有几种类型？,5.,新型,OLED,显示技术有哪些？,光 电 显 示 技 术,5.1,等离子体显示器件工作原理,5.1.1,等离子体基本知识,5.1.2,等离子体显示器件的显示原理,5.1.3,等离子体显示器件的特点,5.1.4,等离子体显示器件的性能指标,5.2,等离子体显示器件的驱动与控制,5.2.1,等离子体显示器件的电路组成,5.2.2,等离子体显示器件的驱动电路,5.2.3,等离子体显示器件的产业现状,习题五,第,5,章 等离子体显示技术,5.1.1,等离子体基本知识,1.,等离子体概述,等离子体（,plasma,）是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除去固、液、气态外，物质存在的第四态。,等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的,99,。在自然界里，炽热的火焰、光辉夺目的闪电、以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用的结果。用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。现在人们已经掌握利用电场和磁场产生来控制等离子体，如焊工们用高温等离子体焊接金属。,根据等离子体中各种粒子的能量分布情况，又可将等离子体分为等温等离子体和非等温等离子体两类。,1,）等温等离子体：所有的粒子都具有相同的温度，粒子依靠自己的热能作无规则的运动。,2,）非等温等离子体：又称气体放电等离子体，所有粒子都不具有热运动平衡状态。在组成这种状态的等离子体中，带电粒子要从外电场获得能量，并产生一定数目的碰撞电离来补充放电空间中带电粒子的消失。,普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开尔文到,1,亿开尔文，所有气体原子全部电离。电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体。,等离子体和普通气体性质不同，普通气体由分子构成，分子之间相互作用力是短程力，仅当分子碰撞时，分子之间的相互作用力才有明显效果，理论上用分子运动论描述。在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果，等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场。电场和磁场要影响其它带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和热传导；等离子体能被磁场约束作回旋运动等。等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第,4,态。,等离子体主要具有以下特征：,（,1,）气体高度电离。在极限情况下，所有中性粒子都被电离了。,（,2,）具有很大的带电粒子浓度，一般为 。由于带正电与带负电的 粒子浓度接近相等，因此等离子体具有良导体的特征。,（,3,）等离子体具有电振荡的特征。在带电粒子穿过等离子体时，能够产生等离子体激元，等离子体激元的能量是量子化的。,（,4,）等离子体具有加热气体的特征。在高气压收缩等离子体内，气体可被加热到数万度。,（,5,）在稳定情况下，气体放电等离子体中的电场相当弱，并且电子与气体原子进行着频繁的碰撞，因此气体在等离子体中的运动可看作是热运动。,表征等离子体的主要参量,（,1,）电子温度,Te,。在等离子体中，电子碰撞电离是主要的，然而电子碰撞是与电子能量有直接关系的，因此电子温度是等离子体的主要参量，是用来表征电子能量的。,（,2,）电离强度。表征等离子体中发生电离的程度。具体地说，就是一个电子在单位时间内所产生的电离次数。,（,3,）轴向电场强度,EL,。表征维持等离子体的存在所需要的能量。,（,4,）带电粒子浓度。即等离子体中带正电的和带负电的粒子浓度。,（,5,）杂乱电子流密度。表征在管壁限制的等离子体内，由于双极性扩散所造成的带电粒子消失的数量。,2.,等离子体显示技术,等离子体显示板（,Plasma Display Panel,，,PDP,）是一种新型显示器件，其主要特点是整体成扁平状，厚度可以在,10 cm,以内，轻而薄，重量只有普通显像管的,1/2,。由于它是自发光器件，亮度高、视角宽（达,160,），可以制成纯平面显示器，无几何失真，不受电磁干扰，图像稳定，寿命长。,PDP,可以产生亮度均匀、生动逼真的图像。,PDP,的主要优点可以概括为：,固有的存储性能，高亮度，高对比度，能随机书写与擦除，长寿命，大视角以及配计算机时优秀的相互作用能力。,3.PDP,显示屏基本结构,PDP,由前玻璃板、后玻璃板和铝基板组成。对于具有,VGA,显示水平的,PDP,，其前玻璃板上分别有,480,行扫描和维持透明电极，后玻璃板表面有,2556,（,8523,）行数据电极，这些电极直接与数据驱动电路板相连。根据显示水平的不同，电极数会有变化。,PDP,显示屏的组成和结构特征如图,5.1,所示。,光 电 显 示 技 术,第,5,章 等离子体显示技术,图,5.1 PDP,显示屏基本结构,后层玻璃板结构在后层玻璃板上有寻址电极，其上覆盖一层电介质。红、绿、蓝彩色荧光粉分别排列在不同的寻址电极上，不同荧光粉之间用壁障相间。,前玻璃板结构在前玻璃板上，成对地制作有扫描和维持透明电极，其上覆盖一层电介质，,MgO,保护层覆盖在电介质上。前、后玻璃板拼装，封口，并充入低压气体，在两玻璃板间放电。,4.PDP,应用领域,PDP,主要应用于办公自动化设备领域，同时在个人计算机领域也有一席之地。,PDP,已用于销售终端（,POS,）、银行出纳终端及室外显示屏。新研制成的大容量,PDP,已经在,OA,设备中大量采用，而且应用前景看好。,PDP,工作在全数字化模式，易于制成大屏幕显示，是数字电视（,Digital TV,，,DTV,）、高清晰度电视（,HDTV,）、计算机工程工作站（,Computer Engineering Work Station,，,CEWS,）及多媒体终端（,Multi media terminals,，,MMT,）理想的显示器件。,近,20,年来，彩色,PDP,研究取得了较大的进展，众多技术难点从机理上已得到解决。如,PDP,驱动电压原来很高，驱动电路成本约占整机的,75%,，而采用寻址显示技术可降低驱动电路的成本。虽然与,LCD,显示屏相比，,PDP,的驱动电压仍较高，驱动电路价格贵一些，但显示屏自身制作较为容易。如存储型,AC-PDP,，除荧光粉涂覆需用光刻工艺外，像素的精细制作大多采用厚膜印刷技术，这与有源矩阵液晶显示屏（,Active Matrix LCD,，,AM-LCD,）每个像素制作一个薄膜晶体管（,TFT,）元件相比容易很多，故相对来说成品率较高、成本较低。,LCD,显示屏自身的功耗显然比,PDP,低得多，但为了实现彩色显示的液晶显示器件，需采用荧光灯作背照光源，此时透过彩色滤光膜的光通量仅有百分之几，因此，两种平板显示器的总功耗相差无几。此外，,PDP,所用的,RGB,三基色荧光粉具有与彩色,CRT,三基色荧光粉同样良好的发光特性，这确保了彩色,PDP,具有颇佳的色纯，加上兼备良好的灰度显示能力，因此，彩色存储型,PDP,是最佳的实现直视型大屏幕壁挂式彩电的显示器件，同时它也是实现,HDTV,显示最有发展前途的平板显示器件。,由于集成电路技术的迅速发展，,PDP,显示器件已达到经久耐用及更高速的水平，并已研制出众多改进型应用产品。,PDP,的一个主要优点是易于增大屏幕尺寸。,PDP,不仅可挂于居室和酒吧的墙壁上，而且还有多种应用，如公共信息标牌、会议室演示系统、台式计算机监视器、证劵交易所金融行情显示终端、医疗诊断、直升机模拟显示及公共娱乐场所游戏机等。此种彩色,PDP,正从,54 cm,（,21,英寸）起步，迅速增大至面向彩电市场的,102 cm,（,40,英寸），然后再增大至,152 cm,（,60,英寸以上）。由此可见，彩色,PDP,最终将作为,HDTV,及多媒体显示而形成新兴的产业。,5.1.2,等离子体显示器件的显示原理,等离子体显示板是由几百万个像素单元构成的，每个像素单元中涂有荧光层并充有惰性气体。它主要利用电极加电压、惰性气体游离产生的紫外光激发荧光粉发光制成显示屏。,PDP,显示屏的每个发光单元工作原理类似于霓虹灯，在外加电压的作用下气体呈离子状态，并且放电，放电电子使荧光层发光，每个灯管加电后就可以发光，显示屏由两层玻璃叠合、密封而成。当上下玻璃板之间的电极施加一定电压，电极触电点火后，电极表面会产生放电现象，使显示单元内的气体游离产生紫外光（,ultraviolet,，,UV,），紫外光激发荧光粉产生可见光。一个像素包括红、绿、蓝,3,个发光单元，三基色原理组合形成,256,色光。,等离子体发光单元与荧光灯和显像管的比较如下：,荧光灯内充有微量的氩和水银蒸气，它在交流电场的作用下，发生水银放电发出紫外线，从而激发灯管上的荧光粉，使之发出白色的荧光。显像管是由电子枪发射电子射到屏幕荧光体而发光。等离子体发光单元内也涂有荧光粉，单元内的气体在电场的作用下被电离放电使荧光体发光。等离子体彩色显示单元是将一个像素单元分割为,3,个小的单元，并在单元内分别涂上红、绿、蓝,3,色荧光粉，每一组所发的光就是红、绿、蓝,3,色光合成的效果。,1.PDP,像素放电、发光单元结构,PDP,像素放电、发光单元结构如,图,5.2,所示。电极加电压，正负极间激发放出电子，电子轰击惰性气体，发出真空紫外线；真空紫外线射在荧光粉上，使荧光粉发光，进而实现,PDP,发光。,光 电 显 示 技 术,图,5.2 PDP,像素放电、发光单元结构,