場發(fā)射顯示器

場發(fā)射顯示器（FED）提綱一、場發(fā)射顯示器概述二、場發(fā)射理論三、微尖陣列場發(fā)射陰極四、場發(fā)射顯示的陰極材料五、FED中的發(fā)射均勻性和穩(wěn)定性問題六、聚焦型微尖陣列場發(fā)射陰極七、FED的主要制作材料和工藝八、FED中真空度的維持九、新型場發(fā)射顯示器十、FED的研究概況及發(fā)展前景一、場發(fā)射顯示器概述FED（FieldEmissionDisplay)與CRT的相同點(diǎn)：利用陰極電子經(jīng)電場加速而轟擊熒光材料發(fā)光的主動(dòng)發(fā)型顯示器件。因此，F(xiàn)ED具有與CRT相似的顯示品質(zhì)，如高亮度、高對(duì)比度、全彩色、高顯示容量及低功耗等性能。典型場發(fā)射顯示結(jié)構(gòu)原理CRT發(fā)射顯示結(jié)構(gòu)原理一、場發(fā)射顯示器概述FED與CRT的區(qū)別點(diǎn)：CRT采用熱陰極，通過加熱陰極材料使其表面電子獲得克服表面勢壘的能量從而發(fā)射出來；而FED采用冷陰極，采用表面功函數(shù)較低、電子勢很小甚至為負(fù)值得材料，使之在外加電場作用下逸出。因此，F(xiàn)ED不但降低了功耗，而且可以瞬時(shí)發(fā)射電子。（2）CRT的熱陰極為點(diǎn)發(fā)射源或線發(fā)射源，需要通過偏轉(zhuǎn)磁場的作用，才能在顯示屏幕上進(jìn)行掃描而產(chǎn)生顯示。因此，CRT難以實(shí)現(xiàn)平板化；而FED的冷陰極為面發(fā)射源，可以十分方便地實(shí)現(xiàn)平板化和矩陣驅(qū)動(dòng)，無論重量還是體積都大大降低。一、場發(fā)射顯示器概述（3）CRT的加速電場電壓通常在1330kV之間；而采用平板結(jié)構(gòu)的FED一般加速電壓小于10kV。另一方面，CRT的消耗電流很小，因此其功耗控制在可接受的范圍內(nèi)；而FED的加速電壓較低，要達(dá)到與CRT相當(dāng)?shù)亓炼?，必然需要較高的消耗電流。（4）陰陽極距離也是兩者的主要區(qū)別之一。CRT的陰陽極距離至少在1cm以上，大尺寸CRT甚至達(dá)到幾十厘米；而FED的陰陽極距離小于3mm。FED的優(yōu)點(diǎn)：（1）冷陰極發(fā)射；（2）低的工作電壓；（3）自發(fā)光和高亮度；（4）寬視角；（5）高速響應(yīng)；（6）很寬的環(huán)境溫度變化范圍。1968年斯坦福國際研究所的C.A.Spindt研制成功微尖陰極發(fā)射結(jié)構(gòu)的FED，后法國政府實(shí)驗(yàn)室LETI對(duì)Spindt的方法作了改進(jìn)并于1990年研制出第一個(gè)15cm單色顯示器。一、場發(fā)射顯示器概述在溫度T＝0K時(shí)，為了使金屬中具有最大能量的電子能夠克服表面勢壘而逸出，必須提供的最小能量叫做逸出功。=Wa—EF0電子發(fā)射方式：（1）熱電子發(fā)射；（2）光電子發(fā)射；（3）二次電子發(fā)射；（4）場致發(fā)射。二、場發(fā)射理論金屬表面勢壘和內(nèi)部電子按能量分布金屬的熱電子發(fā)射理查遜—德施曼公式：二、場發(fā)射理論在加速場下金屬表面的勢壘曲線二、場發(fā)射理論金屬表面場致發(fā)射方程:—真空器件.—列陰極，行柵極.—行列電極交叉點(diǎn)有多于4500個(gè)微尖,微尖直徑150nm.—電流0.11A/microtip.陰極陣列

三、微尖陣列場發(fā)射陰極三、微尖陣列場發(fā)射陰極微尖形貌

微尖陣列場發(fā)射陰極（FEA）場致發(fā)射是在金屬尖端上進(jìn)行的。如果尖端曲率半徑為1m，尖端與陽極距離為1m左右，則當(dāng)極間加上幾十伏的電壓，就會(huì)在尖端表面上產(chǎn)生109V/cm數(shù)量級(jí)的強(qiáng)電場。在忽略極間空間電荷的情況下，陰極發(fā)面尖端處場強(qiáng)與陽極電壓Ua成正比。即

幾種典型的尖端形狀三、微尖陣列場發(fā)射陰極三、微尖陣列場發(fā)射陰極微尖電子發(fā)射

場發(fā)射陰極陣列面積240mm240mm，包含1.4x106個(gè)微尖。金屬微尖的伏安特性三、微尖陣列場發(fā)射陰極對(duì)陰極制造的要求：（1）在整個(gè)表面上具有均勻的電子發(fā)射；（2）提供充足的電流，以便在低電壓下獲得很高的亮度；（3）在微尖和柵極之間沒有短路。陰極微尖制作種類：（1）在金屬基體上沉積金屬形成金屬陰極尖。其特點(diǎn)工藝復(fù)雜，但可實(shí)現(xiàn)大電流，發(fā)射特性好，壽命長。（2）以硅片作基片，采用硅的各向異性腐蝕形成硅陰極尖。其特點(diǎn)是工藝較簡單，較易實(shí)現(xiàn)，但發(fā)射特性差，壽命短。FED顯示器的制作工藝三、微尖陣列場發(fā)射陰極金屬微尖FEA制作過程三、微尖陣列場發(fā)射陰極三、微尖陣列場發(fā)射陰極金屬微尖FEA的掃面電鏡照片Si微尖FEA制作過程三、微尖陣列場發(fā)射陰極Spindt尖錐型場發(fā)射平面顯示器件遇到的困難（1）大面積Spindt尖錐陣列制作大面積Spindt尖錐陣列制作是最大的難題。尤其是在追求尖錐形成的一致性時(shí),困難就更大。具體的難點(diǎn)在于要求有龐大的工藝設(shè)備。（2）封接、排氣和消氣技術(shù)的突破

在大面積顯示器制作的過程中,必須解決封接、排氣和消氣的技術(shù)問題。（3）發(fā)射穩(wěn)定性和均勻性差三、微尖陣列場發(fā)射陰極（4）器件的打火、亮度問題

器件的間距很小僅為200μm左右。少量橫向初速度較大的電子還會(huì)打到隔離柱(支撐墻)上使之荷電。一般講隔離柱是用絕緣體制作的,荷電后其電位是懸浮的,可能很高,這就造成內(nèi)部打火。器件的間距小帶來兩個(gè)不利的因素:A.為防止發(fā)射體陣列板和熒光屏之間發(fā)生打火,熒光屏電位不能高,一般僅為幾百V。B.由于熒光屏電位不高,因此屏的亮度也低。三、微尖陣列場發(fā)射陰極克服困難的辦法:（1）加大場發(fā)射陰極板和陽極板之間的距離,從原來的200μm增加到1.5mm以上。所帶來的好處是:I.可以增加排氣的管導(dǎo),有利于排氣和去氣的處理;II.提高了陰極板和陽極板之間的耐壓,減少板間直接打火的可能性;III.由于板間耐壓的提高,可以采用高壓熒光粉,從而提高熒光粉的效率和屏的發(fā)光亮度,還可保持熒光粉的壽命。三、微尖陣列場發(fā)射陰極場發(fā)射陰極采用四極結(jié)構(gòu),即在每個(gè)像素上面再增加一個(gè)聚焦電極。所帶來的好處是:在加大場發(fā)射陰極板和陽極板之間的距離后,保證不降低分辨率;減少可能打到支撐墻上的電子,進(jìn)一步減少打火的可能性。使用高效消氣劑,且從整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上解決消氣技術(shù)難題。三、微尖陣列場發(fā)射陰極四、場發(fā)射顯示的陰極材料難熔金屬鎢、鉬等硅金剛石和類金剛石薄膜型，其中碳納米管薄膜是當(dāng)前熱點(diǎn)綜合型，比如在鉬或者硅等微尖上涂覆一層金剛石薄膜陰極材料要求：較低的功函數(shù)較高的電導(dǎo)率、熔點(diǎn)穩(wěn)定的表面物理化學(xué)性質(zhì)加工工藝簡單陰極材料種類：五、FED中的發(fā)射均勻性和穩(wěn)定性問題造成微尖發(fā)射不均勻性和不穩(wěn)定性的原因：

由于Spindt型工藝生成的陰極微尖是服從Gaussion分布,因此不可能使各發(fā)射體完全一樣。微細(xì)加工工藝難以達(dá)到大面積的均勻性,如陰極微尖、柵極孔幾何尺寸的離散及相對(duì)位置的偏差。發(fā)射電流決定于表面電場和陰極表面狀態(tài)。發(fā)射過程中受表面形態(tài)變化、離子轟擊、氣體吸附等多種因素影響，造成發(fā)射電流起伏不定。解決辦法：

增加串聯(lián)電阻，其作用為（1）限流作用，當(dāng)個(gè)別發(fā)射體發(fā)射過大時(shí)，由于電阻的分壓作用使電流受限，從而均衡了各發(fā)射體的發(fā)射能力；（2）當(dāng)個(gè)別發(fā)射微尖與柵極發(fā)生短路時(shí)，電阻承受了電壓降，其他微尖仍能正常工作。由于微尖數(shù)量極大，個(gè)別微尖的損失影響不大。五、FED中的發(fā)射均勻性和穩(wěn)定性問題發(fā)射電流與柵極電壓的關(guān)系場發(fā)射陣列限流電阻層的結(jié)構(gòu)：（1）縱向串聯(lián)電阻結(jié)構(gòu)由于電阻層位于所有微尖下,要有較大的壓降,就需把電阻層作得較厚,但這是有限的。因此個(gè)別發(fā)射體發(fā)射電流過大或與柵極短路時(shí),易造成電阻層的擊穿,失去抑制作用?？v向串聯(lián)電阻結(jié)構(gòu)及其等效電路五、FED中的發(fā)射均勻性和穩(wěn)定性問題（2）橫向串聯(lián)電阻結(jié)構(gòu)與縱向串連電阻結(jié)構(gòu)相比，耐擊穿能力和限流能力大大提高，缺點(diǎn)是中間部分的微尖陰柵極間電壓降比外側(cè)的低，因此發(fā)射也小。在極端情況下，外側(cè)微尖發(fā)射過大，甚至燒毀，而中間部分的微尖發(fā)射仍然很小，因此限制了總的發(fā)射電流。橫向串聯(lián)電阻結(jié)構(gòu)及其等效電路五、FED中的發(fā)射均勻性和穩(wěn)定性問題（3）網(wǎng)格狀串聯(lián)電阻結(jié)構(gòu)

網(wǎng)格狀電阻層把陰極分成網(wǎng)格狀陰極,在每個(gè)網(wǎng)格中央加上一個(gè)金屬島電極作為等勢體。電流經(jīng)橫向電阻渡越到金屬島上,在其上各微尖均勻發(fā)射,橫向電阻承受較大的壓降而縱向電阻起到均勻電流的作用,這樣以較薄的電阻層就起到均勻發(fā)射電流的作用,提高了發(fā)射的一致性。網(wǎng)格狀串聯(lián)電阻結(jié)構(gòu)及其等效電路五、FED中的發(fā)射均勻性和穩(wěn)定性問題（4）分布式橫向串聯(lián)電阻結(jié)構(gòu)網(wǎng)格狀串聯(lián)電阻結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是，當(dāng)?shù)任惑w薄膜上的任何一個(gè)微尖發(fā)生短路擊穿時(shí)，該等位體薄膜上的所有微尖都失效。改進(jìn)措施是使每個(gè)像素都包含多個(gè)這樣的單元，即使個(gè)別單元失效，對(duì)該像素影響也有限。分布式橫向串聯(lián)電阻結(jié)構(gòu)及其等效電路五、FED中的發(fā)射均勻性和穩(wěn)定性問題六、聚焦型微尖陣列場發(fā)射陰極優(yōu)點(diǎn)：減小電子束的發(fā)散度，實(shí)現(xiàn)高陽極電壓工作。聚焦極共面聚焦型柵極豎直同軸聚焦型六、聚焦型微尖陣列場發(fā)射陰極聚焦型微尖照片兩組常用高、低壓熒光粉的性能

低壓熒光粉存在的問題：色飽和度低，可見光轉(zhuǎn)換效率低，亮度低，壽命短。七、FED的主要制作材料和工藝隔離柱材料要求：（1）隔離柱很薄，尺寸均勻；（2）具有一定的剛度、強(qiáng)度；（3）具有一定的電阻率，同時(shí)又不能產(chǎn)生過大的漏電流；（4）放氣量小。

七、FED的主要制作材料和工藝隔離柱材料：熱壓氮化硅、氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、石英玻璃。陰極材料尖錐型陰極，如鉬、硅。薄膜型陰極，如多晶金剛石薄膜、非晶金剛石薄膜、類石墨、碳納米管。七、FED的主要制作材料和工藝FED制作工藝：七、FED的主要制作材料和工藝FED屏內(nèi)殘氣的來源：（1）蒸發(fā)和分解蒸發(fā)現(xiàn)象是屏內(nèi)產(chǎn)生氣體的主要原因在排氣時(shí)，擴(kuò)散泵油的蒸氣會(huì)污染屏內(nèi)的各種材料，在高速電子或離子的轟擊下，會(huì)放出大量的氣體；真空衛(wèi)生不嚴(yán)格，有機(jī)物、脂肪、汗脂、清洗殘液等污染物均可帶入屏內(nèi)，在真空條件下，會(huì)產(chǎn)生大量的氣體；在熒光屏烘烤時(shí)，如果有機(jī)膜未充分分解，在電子轟擊下也會(huì)分解出大量氣體。

八、FED中真空度的維持（2）熱解析FED基板玻璃在制造加工過程中，由于在大氣中存放時(shí)間太長，玻璃內(nèi)部溶解了大量氣體，在它表面也吸附著大量氣體。（3）電子誘導(dǎo)解析電子束不斷地轟擊熒光屏和電極也會(huì)引起氣體的釋放。電子誘導(dǎo)解析主要是電子與固體表面的分子或表面吸附的氣體分子產(chǎn)生非彈性碰撞，使這些分子產(chǎn)生激發(fā)或離解，再從表面釋放出來。八、FED中真空度的維持殘余氣體對(duì)屏性能影響1、對(duì)場發(fā)射陰極的損傷場發(fā)射陰極是FED顯示屏內(nèi)最具活性的部件，F(xiàn)ED顯示器件的壽命主要是由場發(fā)射陰極的壽命所決定的。陰極電子發(fā)射是一種表面現(xiàn)象，而表面最容易受殘余氣體分子的損傷。八、FED中真空度的維持2、對(duì)熒光屏的損傷殘余氣體分子和低速電子發(fā)生碰撞時(shí)，將俘獲電子而形成負(fù)離子。這種負(fù)離子受陽極正電位的吸引而轟擊陽極，使陽極上熒光屏受到灼傷而形成離子斑，隨著時(shí)間的積累將造成熒光粉脫落。3、對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的影響器件內(nèi)殘余氣體壓力愈大，則其產(chǎn)生的電離噪聲也越大。電離產(chǎn)生的電子在陽極電場的作用下飛向陽極，使陽極的電流增大，通常氣體分子電離幾率不是常數(shù)，增加的陽極電流也是起伏不定的，從而產(chǎn)生電流噪聲。八、FED中真空度的維持FED中消氣劑的使用1、物理作用當(dāng)氣體分子和消氣劑表面相碰撞時(shí)，氣體分子有可能淀積在消氣劑表面而被吸附，并形成單分子或數(shù)個(gè)分子的薄層。因消氣劑表面組織疏松，表面粗糙，故對(duì)氣體分子有很大的吸附能力。2、化學(xué)作用氣體和消氣劑之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成新的固態(tài)化合物，從而使屏內(nèi)的氣體減少，提高真空度。八、FED中真空度的維持九、新型場發(fā)射顯示器1、碳納米管（CNT）場發(fā)射顯示器九、新型場發(fā)射顯示器

CNT曲率半徑極小而密度極高,能在較低的施加電場下維持較高的發(fā)射電流密度,并且仍具有較高的機(jī)械強(qiáng)度與化學(xué)穩(wěn)定性,十分適合用作FED的發(fā)射體九、新型場發(fā)射顯示器CNT的伏安特性九、新型場發(fā)射顯示器碳納米管的制備方法：?電弧法使用兩個(gè)石墨電極在He氣氛中加高壓放電。放電后陰極上會(huì)產(chǎn)生排列整齊的碳質(zhì)的絲狀物質(zhì)和小顆粒的混合體,其中的絲狀物質(zhì)即為兩端封閉的MWNT。如果在石墨電極中混進(jìn)金屬塊(Fe,Co等),金屬就會(huì)在放電過程中蒸發(fā),起到某種催化作用,生成單壁碳納米管(SWNT)。?激光熔融法可用于單壁碳納米管的大量生產(chǎn)。將激光打在已被加熱的、摻有Co或Ni的石墨靶上,產(chǎn)生石墨蒸氣,同時(shí)用Ar氣將凝結(jié)成的CNT吹出。成品呈網(wǎng)狀,混有大量雜質(zhì)。九、新型場發(fā)射顯示器?化學(xué)氣相淀積法使用顆粒狀的薄膜作為生長核,高溫加熱并通入碳源氣體,氣體在加熱區(qū)碳化沉積并在生長核的作用下形成密度和直徑與生長核相當(dāng)?shù)腃NT。ＣＶＤ法的主要缺陷是加熱溫度高。近年來,生長溫度已經(jīng)可以控制在600℃以下。九、新型場發(fā)射顯示器2、金屬-絕緣體-金屬(