电光信息转换课件.ppt

1、1第第2章章 电光信息转换电光信息转换 2.1 发光二极管发光二极管 2.2 半导体激光器半导体激光器 2.3 液晶显示器液晶显示器 2.4 阴极射线管阴极射线管 2.5 等离子显示等离子显示固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光。它是固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光。它是将电能直接转换为光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电将电能直接转换为光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件致发光器件22.1 发光二极管发光二极管n2.1.1 半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础n2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动发光二极管的工作原理、结构及驱动 n

2、2.1.3 LED的物理特性的物理特性n2.1.4 LED的特点及应用的特点及应用 3 2.1 发光二极管n2.1.1 半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础（1）受激吸收）受激吸收E2E1hv（2）自发辐射）自发辐射E2E1hv（3）受激辐射）受激辐射E2E1hvhvhv电子在低能级与高能级之间可以有3种跃迁，下面以E1与E2能级为例进行介绍。n在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4)称为激发态激发态。42.1 发光二极管发光二极管 n在热平衡状态下，总是有 。受激吸收几率大于受激辐射几率。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质

3、称为吸收吸收物质物质。n如果 ，即受激辐射几率大于受激吸收几率，当光通过这种物质时，就会产生放大作用，这种物质称为增益介质（或激活介增益介质（或激活介质）质）。21NN 12NN kTEEENN1212expKJ/10381.123k式中，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。n设在单位物质内，处于低能级E1和处于高能级E2的粒子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，原子分布遵循玻耳兹曼统计分布玻耳兹曼统计分布52.1 发光二极管发光二极管 n本征半导体的能带结构n在热平衡状态下，电子在能带中的分布不再服从波尔兹曼分布，而是费米分布费米分布，能级E被电子占据的几率为:n式中，为玻耳兹曼常数，T

4、为热力学温度，叫做费米能级。KJ/10381.123k1()1FnE EkTfEeFEn费米能级费米能级并非实在的可由电子占据的能级，而是半导体能带的一个特征参量。它由半导体材料的掺杂浓度和温度决定，反映电子在半导体内能带上的分布情况。对于本征半导体，费米能级在禁带的中间位置，价带能级低于费米能级同时导带能级高于费米能级。62.1 发光二极管发光二极管 n杂质半导体的费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。n半导体中产生光放大的的条件是：在半导体中存在双简并能带且入射光的频率满足nPN结在扩散运动和漂移运动达到平衡时，P区和N区的费米能级达到同一水平gFFEhEE72.1 发光二极管发光

5、二极管 n外加电压产生的载流子注入使作用区的导带电子和价带空穴造成复合跃迁，辐射光子。这种过程产生的是非相干光，自发辐射的跃迁几率与电子在作用区的平均寿命成反比。n当在PN结上加正向电压V时，外电场部分抵消自建场的作用，使PN结的势垒下降，N区的费米能级相对于P区升高eV。此时非平衡状态下形成两个准费米能级，形成双简并能带结构82.1 发光二极管发光二极管 n产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。n考虑激光器工作在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率可以用N区的准费米能级来计算 价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算 n价带顶电子占据几率则为 n在结

6、区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是 n因此结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是N区和P区的准费米能级之差大于禁带的宽度。221()1FNEEkTfEe111()1FPEEkTfEe1111()1()1FNPEEkTfEfEe 21()()NNfEfEgFFEEEEE1292.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动发光二极管的工作原理、结构及驱动一、工作原理一、工作原理 发光二极管发光二极管（light emitting diode，LED），是利用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射

7、的是非相干光。PNP-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光输出图2.1.2-1双异质结半导体发光二极管的结构示意图 反型异质结同型异质结102.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动n二、基本结构1、面发光二极管有源区 圆形金属触点SiO2绝缘层SiO2绝缘层金属化层热沉双 异 质 结层衬底限制层接合材料金属化层光纤圆形蚀刻孔 图2.1.2-2 面发光二极管的结构示意图 112.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动n2、边发光二极管 金属化层(用于电接触)SiO2绝缘层双异质结热沉衬底导光层金属化层(用于电接触)条形接触(确定有源区)有源区图2.1.2-3边发光型LED

8、的结构示意图 122.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动LED的供电电路一般要加限流电阻要加限流电阻以限定其最大工作电流限定其最大工作电流。三、驱动电路三、驱动电路1、直流驱动、直流驱动2、交流驱动、交流驱动+5VLEDReRb2Rb1Vin图2.1.2-4 LED驱动电路3、发光二极管接入线性放大电路中、发光二极管接入线性放大电路中13 2.1.3 LED的特性的特性二、光谱特性二、光谱特性描述光谱分布的两个主要参量是峰值波长与半强度宽度。其峰值波长由材料的禁带宽度决定。发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽，如图2.1.3-1所示。1300 波长/nm=70nm

9、相对光强图2.1.3-1 LED光谱U(V)I(mA)一、伏安特性一、伏安特性伏安特性即电流电压特性，是发光二极管的基本特性。下图是LED的伏安特性图142.1.3 LED的特性四、四、输出光功率特性输出光功率特性LED实际输出的光子数远远少于有源区产生的光子数，一般量子效率小于10%。发光二极管的输出光功率特性如图2.1.3-2所示。驱动电流较小时，P-I曲线的线性较好；电流过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P-I曲线的斜率减小。边发光 0 200 400 电流I/mA 发 射 光 功率P/mW 面发光 15105 0图2.1.3-2 LED 的P-I曲线3525120/120cos)(

10、0PP三、三、光束的空间分布光束的空间分布在垂直于发光平面上，面发光LED辐射图呈朗伯分布即 ，半功率点辐射角 。边发光型LED，。五、五、温度特性温度特性六、六、寿命寿命15 2.1.4 LED的特点及应用n一、特点一、特点 1、LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。2、LED的发光颜色非常丰富，通过选用不同的材料，可以实现各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAsP材料的红色LED，GaAsP材料的橙色、黄色LED，以及GaN蓝色LED等。而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。3、LED的单元体积小。在其他显示器件不能使用的极小的范围内也可使用，再加上低电压、低电流驱动的

11、特点，作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用范围还会进一步扩大。4、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场地面的信号光源，是一个新的应用领域。16n二、应用2.1.4 LED的特点及应用n1、指示灯n2、数字、文字及图像显示 1)最简单的七段式数码管最简单的七段式数码管2)14列字码管列字码管3)在文字显示上，通常是把二极管作矩阵排列在文字显示上，通常是把二极管作矩阵排列n3、光源 LED除用做显示器件外，还可用做各种装置、系统的光源。17 2.2半导体激光器 2.2.1 光学谐振腔与激光器的阈值条件 2.2.2 半导体激光器的结构 2.2.3 半导体激光器特性 2.2.4

12、 LD的应用 182.2.1光学谐振腔与激光器的阈值条件光学谐振腔与激光器的阈值条件 一、粒子数反转与光放大一、粒子数反转与光放大全反射半反射工作物质电流1、激光器、激光器 一般是由工作物质、谐振腔和泵浦一般是由工作物质、谐振腔和泵浦 源组成。如图所示。源组成。如图所示。2.2半导体激光器半导体激光器半导体激光器也称为激光二极管(Laser Diode,LD)，是一种光学振荡器。普通的光源的发光都是自发发射，但激光却是一种受激发射光。3、粒子数反转分布也称为、粒子数反转分布也称为“负负”温度分布温度分布kTEEENN1212exp2、粒子数反转分布是产生激光的必要条件、粒子数反转分布是产生激光

13、的必要条件192.2.1 光学谐振腔与激光器的阈值条件光学谐振腔与激光器的阈值条件 二、激光介质的增益二、激光介质的增益1、激光介质的增益系数、激光介质的增益系数G若入射光强为I0，在激光介质内传播至z处的光强为I，传播至z+dz处的光强为I+dI，则我们定义激光介质的增益系数G为：G=dI/(Idz)因此激光介质的增益系数就是光通过单位长度激光介质后光强增激光介质的增益系数就是光通过单位长度激光介质后光强增长的百分数长的百分数。2、激光介质的损耗、激光介质的损耗在光增益的同时，激光介质也有一定的光损耗。实际上，介质的光损耗就是对光的负增益。因此激光介质的损耗系数就是光通过单位激光介质的损耗系

14、数就是光通过单位长度激光介质后光强衰减的百分数长度激光介质后光强衰减的百分数。只有当增益等于总损耗时，才只有当增益等于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益阈值增益。为达到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流阈值电流。3、如果粒子数不随传播距离z而变化，则增益系数G是一个常数，并 称为小信号增益系数小信号增益系数。则 I=I0eGz 可见激光介质中的光强是随传播距离按指数规律增长。202.2.1 光学谐振腔与激光器的阈值条件 三、谐振腔概述三、谐振腔概述1、理论上讲，如激光介质的增益很高且有足够的增益长度，则在激励光的作用下，激光介质可以产生激光。

15、而一般激光介质的增益总是有限的，因此产生激光所需要的介质长度就必须很长。但无限增加增益介质的长度是不可取的。为了解决增益长度的问题，采用两个按光学要求相向设置的反射镜来使光线在腔内来回振荡。2、无源谐振腔和有源谐振腔、无源谐振腔和有源谐振腔3、激光在有源谐振腔内振荡的模型、激光在有源谐振腔内振荡的模型图中谐振腔由两个平行平面镜构成谐振腔由两个平行平面镜构成。增益介质的激光能级是在外界能源的泵浦之下实现粒子数反转的。如图只有那些传播方向垂直于镜面的自发发射光诱发的受激发射光才能在腔内长时间来回反射，并反复受到激光介质的雪崩式放大，直到增益饱和。212.2.1 光学谐振腔与激光器的阈值条件 4、产

16、生激光的阈值条件、产生激光的阈值条件激光器由增益介质以及谐振腔组成激光器由增益介质以及谐振腔组成。要产生激光，激光介质必须实现粒子数反转。但是粒子数反转的激光介质能否在谐振腔内形成稳定的激光场，还取决于介质增益与激光器损耗的关系。在稳定工作时，平面波在腔内往返一次应保持不变。即波长为的光在腔长为L的谐振腔内维持振荡，必须满足自再生的驻波条件：n L=m /2式中n为腔内介质的折射率；m是驻波的波腹数且是正整数，常称为纵模序数。根据波长和频率的关系，可得到谐振腔的谐振频率m为：m=m c/(2nL)式中c为真空光速。这些频率对应于纵向模式（简称纵模纵模）。相邻两个谐振频率的间隔称为纵模间隔：m=

17、c/(2nL)222.2.1 光学谐振腔与激光器的阈值条件光学谐振腔与激光器的阈值条件 一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器多纵模激光器。通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为单纵模激光器单纵模激光器。c/(2nL)纵模分布综上所述，要得到激光必须满足三个基本要求综上所述，要得到激光必须满足三个基本要求（总结激光产生的全过程）（总结激光产生的全过程）1、需要泵源、需要泵源 2、大量的粒子数反转、大量的粒子数反转 3、要有一个共振腔提供正反馈以及增益、要

18、有一个共振腔提供正反馈以及增益I工作模式增益曲线损耗232.2.2 半导体激光器的结构半导体激光器的结构 最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1m）、P型 和N型限制层构成，如图2.2.2-1所示。解理面金属接触电流有源层P型N型300m100m200m图2.2.2-1 大面积半导体激光器这样的激光器面积大，称为大面积激光器大面积激光器。由于在平行于结平面的侧向无光限制结构，沿激光器的整个宽度上都存在光辐射，损耗太大，阈值电流较高，这是大面积激光器的主要缺点。为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采用了增益导引型和折射率导引型结构增益导引型和折射率导引型结构。242.2.2 半导体

19、激光器的结构半导体激光器的结构 一、增益导引型半导体激光器解决光限制问题的一种简单方案是将注入电流限制在一个窄条里，这样的激光器称为条形半导体激光器条形半导体激光器，将一绝缘层介质(SiO2)淀积在P层上，中间敞开以注入电流。这导致了在侧向的载流子密度的空间分布，光增益在带的中间最高，而在中间带区外有源层具有高吸收，光被限制在条形区域。由于光限制是借助中间条形区的增益来实现的，这样的激光器称为增益导引型半导体激光器增益导引型半导体激光器。P-InPInGaAsPN-InPN+-InP衬底P-InGaAsP绝缘介质 增益导引型半导体激光器 252.2.2 半导体激光器的结构 二、折射率导引型半导

20、体激光器通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引入折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题，这种激光器称为折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器。P-InPInGaAsP有源层N-InPN+-InP衬底接点SiO2SiO2图2.2.2-3 折射率导引型半导体激光器将P型层的 一部分腐蚀掉，然后在两边沉积一层折射率比P区的折射率低得多的SiO2层以阻截电流流动。262.2.3 半导体激光器特性 波长取决于激光器的光学腔长，称为激光器的纵模。纵模。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，称为静态单纵模激光器。静态单纵模激光器。驱动电流增大 832 830 828 826 824832

21、830 828 826 824832 830 828 826 824图2.2.3-1 GaAIAs双异质结激光器的光谱特性示意图图2.2.3-1为GaAIAs双异质结激光器的光谱特性。一、光谱特性一、光谱特性 在直流驱动下，发射光具有一定的波长，谱线具有一定的模式结构，这是由于导带与价带都是由许多连续能级组成的有一定宽度的能带，两个能带中不同的能级之间电子的跃迁会产生连续波长的辐射光。其中只有符合谐振腔谐振频率的波长才能产生稳定的激光光场。272.2.2 半导体激光器的特性 式中，P和I分别为激光器的输出光功率与驱动电流，Pth和Ith分别为对应的阈值，hf与e分别为光子能量与电子电荷。hfe

22、IPeIIhfPPd/)(/)(thth2.2.3-1由此得到 )(ththIIehfPPd2.2.3-2 d二、转换效率与输出光功率特性 激光器的电光转换效率用外微分量子效率量子效率 表示，其定义为在阈值在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数电流以上，每对复合载流子产生的光子数 282.2.2 半导体激光器的特性 激光器的输出光功率通常用P-I曲线表示，图2.2.3-3为典型LD的光功率特性曲线。当 时，激光器发出的是自发辐射光，当 时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。thII thII 543210 0 50 100 I/mA 发 射 光 功率P/mW 图2.2.3-

23、3典型LD的光功率特性曲线 292.2.2 半导体激光器的特性 三、温度特性 温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：一是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分量子效率随温度升高而减小。图2.2.3-4 给出了LD的P-I曲线随温度变化的实例。543210 0 50 100 I/mA 发射 光功 率P/mW 22 50 70 图2.2.3-4 LD的P-I曲线随温度的变化 30 2.2.4 LD的应用 一、光纤通信系统的光源 二、光学测量系统的光源 三、其他应用 312.3液晶显示器液晶显示器 2.3.1 液晶显示器原理液晶显示器原理 2.3.2 液晶显示器的构造液晶显示器的构造

24、2.3.3 液晶显示器的驱动液晶显示器的驱动 2.3.4 液晶显示器的特点及应用液晶显示器的特点及应用32n2.3.1液晶显示器原理液晶显示器原理一、液晶一、液晶液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)的主要构成材料为液晶。最早报告发现液晶的是奥地利植物学家。一般来说，液晶是指在某一温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，但同时又是具有光学双折射性的晶体。1、液晶的概念、液晶的概念“液晶”包含两种含义，一是指处于固体相与液体相中间状态的液晶相，二是指具有上述液晶相的物质。液晶可以分为两种：1）溶致液晶 2）热致液晶。液体加热冷却冷却加热液液 晶晶 的的 显显 微微

25、织织 构构342.3.1 液晶显示器原理液晶显示器原理 2、液晶物质分子的排列结构、液晶物质分子的排列结构层列液晶中的棒状分子排列成层状结构，构成分子相互平行排列，与层面近似垂直。这种分子层的结合较弱，层与层之间易于相互滑动。其显示出二维液体的性质。(b)向列液晶(a)层列液晶向列液晶的棒状分子都以相同的方式平行排列，每个分子在长轴方向可以比较自由地移动。因此，富于流动性粘度较小。n层状液晶层状液晶按层状排列，由棒状或条状分子呈二维有序排列按层状排列，由棒状或条状分子呈二维有序排列组成。层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面或组成。层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面或与层面成倾斜排

26、列。层与层之间的作用较弱，容易滑动，与层面成倾斜排列。层与层之间的作用较弱，容易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶相液晶的粘度与表面张力因此具有二维的流动特性。近晶相液晶的粘度与表面张力都较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温都较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正的双折射性。度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正的双折射性。n向列型液晶向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，

27、所以像液体一样富于流动性。正由于向轴方向自由移动，所以像液体一样富于流动性。正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。372.3.1 液晶显示器原理液晶显示器原理(c)胆甾相液晶胆甾相液晶与层列液晶一样形成层状结构，分子长轴在层面内与向列液晶相似成平行排列。但相邻层面间分子长轴的取向方位多少有些差别，整个液晶形成螺旋结构。而液晶的各种光学性质如旋光性等

28、等都是基于这种螺旋结构。382.3.1 液晶显示器原理液晶显示器原理 3、液晶与显示、液晶与显示液晶分子的排列结构并不象晶体结构那样坚固，因此在电场、磁场、温度、应力等外部刺激的影响下，其分子容易发生再排列。由此液晶的各种光学性质发生变化。液晶所具有的这种柔软的分子排列正是其用于显示器件、光电器件、传感器等的基础在用于液晶显示的情况下，液晶的特定的初始分子排列在电压以及热的作用下，其分子排列发生变化。伴随这种分子排列的变化，液晶盒的双折射性、旋光性、光散射性等各种光学性质的变化可以转变为视觉变化，即液晶显示是利用液晶盒的光变换进行显示，属于非主动发液晶显示是利用液晶盒的光变换进行显示，属于非主

29、动发光型（受光型）显示光型（受光型）显示。39二、液晶的物理性能二、液晶的物理性能/nn/液晶物质的折射率，介电常数，磁化率，电导率，粘度等各种物理性质，在液晶分子的长轴方向（）和与其垂直的方向（）有很大的不同，即存在各向异性。液晶分子的排列的有序程度直接决定其各向异性（，）。液晶分子xyazon2.3.1-2 液晶方向与分子取向的空间关系 参照图2.3.1-2（图中n为着眼于全体液晶分子时，分子长轴的择优取向方向的单位矢量），液晶分子排列的有序程度，由下式所定义的分子排列的有序化参数来表征1cos3212S2.3.1 液晶显示器原理液晶显示器原理 光学各向光学各向异性介质异性介质中，光的中，

30、光的行进方向行进方向不同行进不同行进速度也不速度也不同。同。41/eonnnn2、折射率的各向异性液晶具有与光学单轴性晶体同样的各向异性折射率，显示出双折射性。单轴性晶体具有两个不相同的主折射率no和ne，分别代表电矢量的振动方向相对于晶体光轴呈垂直的寻常光及呈平行的异常光的折射率。/nn对于向列液晶和层列液晶，液晶取向n的方向相当于单轴晶体的光轴，因此，对于与取向n分别呈垂直和呈平行关系的振动光的折射率取 ，而且，其折射率的各向异性可由下式给出nnnnn/oenne=n/no=n光轴(a)层列液晶和向列液晶(光学正液晶)这两种液晶三维空间的折射率如图所示。向列液晶和层列液晶称为光学正液晶光学

31、正液晶。2.3.1 液晶显示器原理液晶显示器原理 42nnnnne2/122/o)(21在胆甾相液晶的情况下，与取向n垂直的螺旋轴相当于光轴，其主折射率no，ne可由下式给出胆甾相液晶称为光学负液晶。对于通常光和异常光，其折射率大小的空间分布如图所示。螺旋轴ne=n光轴(b)胆甾相液晶(光学负液晶)2.3.1 液晶显示器原理液晶显示器原理 43(1)光的行进方向会偏向取向（分子长轴）的方向；3、各种光学性质、各种光学性质基于折射率的各向异性，液晶具有以下光学性质，这些性质是LCD工作原理的基础。(2)偏光的状态及偏光的振动方向会发生变化；(3)根据入射偏光的左、右旋光性，可使其反射或透射。nn

32、e=n/no=n光轴解释：光速v=c/nv=c/n而nnv v2.3.1 液晶显示器原理液晶显示器原理 44入射直线入射直线偏光偏光xyzn液晶液晶偏光方向偏光方向=0=/4=/2图2.3.1-4 入射直线偏光在液晶中偏光状态及偏光方向的变化 偏光的状态及偏光的振动方向的变化2.3.1 液晶显示器原理液晶显示器原理 45三、三、扭曲向列型显示原理扭曲向列型显示原理1）图表示在垂直偏振片间设置TN排列液晶盒的场合，基于电气光学效应，TN型显示方式的原理。在这种情况下，不施加电压时使光透过，而施加电压时使光遮断。在平行偏振片间，这种光的透过或遮断关系是可逆的。目前广泛普及的LCD的一种就是基于这种

33、TN方式，在白的背景下可以显示黑，在黑的背景下可以显示白。(a)未施加电压时 入射光偏振片偏振片光透过TN排列盒入射光偏振片偏振片光遮断TN排列盒 (b)施加电压时2.3.1 液晶显示器原理液晶显示器原理 462.3.1 液晶显示器原理 2）TN-LCD的特性阈值电压：定义为透射率为器件最大透射率的90(对常白型)或10(对常黑型)所对应的电压有效值。它是一个与液晶材料有关的参数。对比度和视角：对比度是在恒定环境照明下显示部分亮态与暗态的亮度之比；由于偏离显示板法线方向不同角度入射到液晶盒的光，遇到不同的液晶分子排列造成有效光学延迟量的不同，因此不同视角下对比度就不同。响应速度：LCD的响应时

34、间通常用它的上升时间和下降时间之和来衡量。一般情况下，下降时间要大于上升时间；随着温度的下降，液晶变得更加粘稠，低温时响应速度明显下降。47玻璃基板透明电极外周封接剂分子取向层偏振片偏振片分子取向层液晶透明电极 玻璃基板 反射板 反射式TN型LCD的端面结构图为用于仪表数字显示的反射式TN型LCD的端面结构。n对于不需要偏振片的显示方式及透射型LCD要去掉偏振片及反射板。透射型LCD需要附加背面照明光源。而且，对于彩色显示LCD，一般要在透明电极与玻璃基板之间增设多色滤波器层。2.3.2液晶显示器的构造液晶显示器的构造 482.3.2 液晶显示器的构造 n透明电极基板可以采用涂覆有氧化铟及氧化

35、锡透明导电膜的玻璃板、塑料片或塑料膜。一般要求其透光率在90%以上，表面电阻从10到数百欧姆。封接材料一般使用热硬化性环氧树脂封接剂，但对可靠性要求特别高的场合，也有时采用玻璃封接剂等。大部分LCD所必需的偏振片，是用碘及二色性染料染色的延伸聚乙烯醇膜与醋酸纤维素保护膜做成的夹层结构，且多为片状，其透光率为40%50%，偏光度一般为98%左右。而且，光反射板与偏振片往往做成一体结构。TFT液晶材料液晶材料液晶与薄膜晶体管液晶与薄膜晶体管TFT（Thin Film Transistor）组成的有源矩阵方式已成为液晶显示的主流。组成的有源矩阵方式已成为液晶显示的主流。502.3.3液晶显示器的驱动

36、液晶显示器的驱动 n一、各种驱动电极的结构一、各种驱动电极的结构n液晶显示器驱动用电极结构及其用途：n1、段电极，主要用于数字显示、拼音字母显示；n2、固定图案电极，用于显示固定符号和图案；n3、矩阵电极，除显示数字、字母、中文外，还可显示图表、曲线和图像。不同的电极型式有不同的驱动方式，例如段式电极一般用静态驱动或简单的多路驱动；矩阵式电极一般用矩阵寻址驱动。512.3.1 液晶显示器的驱动液晶显示器的驱动 段电极公共电极 在各种段电极中，典型的是图所示的7段 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Ym 信号（列）电极X 1 X 2 X 3 X 4 X5 Xn扫描（行）电极图为矩阵电极结构示意图，利

37、用这种电极可以显示任意图案。522.3.1 液晶显示器的驱动液晶显示器的驱动 n二、二、驱动特点驱动特点液晶驱动有以下特点：1）直流电压会使液晶材料发生不可逆的电化学反应，缩短使用寿命，因此必须用交流驱动必须用交流驱动，同时防止交流波形的不对称产生直流分量。2）驱动时LCD象素是一个无极性的容性负载。532.3.1 液晶显示器的驱动液晶显示器的驱动 n三、三、驱动方式驱动方式 段 段 OFF 显示(ON)非显示(OFF)ON公共电极驱动波形段电极驱动波形施 加 在 液 晶上 的 电 压 波形V0V0V0-V静态驱动波形的实例n1、静态驱动n静态驱动是指在需要显示的时间里对要显示的各个段电极分别

38、、且同时加上驱动电压，直到不需要显示的时刻为止的驱动方法。因此全体段电极中的每一个电极都需要有各自独立的驱动电路元件，在显示期间，公共电极都要施加连续的电压。静态驱动的对比度较高，但使用的驱动元器件较多，因此只适用于电极数量不多的段式显示。542.3.1 液晶显示器的驱动液晶显示器的驱动 n2、多路传输驱动、多路传输驱动在多路数字显示等场合，需采用多路传输驱动方式，这种驱动方式适合于比较多的段电极的情况，为分时驱动或动态驱动。根据数字位数，将公用电极分成12份，并且与顺序排列的12个分时驱动的定时器相配合。同时全体段电极按7组连线。只要对各个需要显示的段电极进行选择性的驱动。位 电 极(Xi)

39、段 电 极(Yj)Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7X1X2X3X1255n3、矩阵寻址驱动、矩阵寻址驱动把液晶显示器上下基板上的电极做成条状图形，并相互正交构成简单的矩阵型液晶。行列电极交叉点为显示单元，称为象素。按时间顺序逐一给各行电极施加选通电压即扫描电压，选到某一行时各列电极同时施加相应于该行的信号电压，行电极选通一遍就显示出一帧信息。Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Ym 信号（列）电极X 1 X 2 X 3 X 4 X5 Xn扫描（行）电极设行电极数为N，每一行选通的时间只有一帧时间的1/N，称1/N为该矩阵寻址的占空比。2.3.1 液晶显示器的驱动 56n4、有源矩阵驱动、有源矩阵驱动 同

40、 步 电 路扫描 电 路 Y1 Y2 Y3 YmX1 X2 X3Xm漏极母线栅极母线电容器液晶FET信号有源矩阵驱动LCD的工作原理每个象素上都串入了一个三端器件(MOS场效应管)。其栅极G接扫描电压，漏极D接信号电压，源极S接象素电极，与液晶象素串联。液晶象素可以等效为一个电阻和一个电容并联。1）当扫描电压加到G上时，D-S导通，信号电压产生大的通态电流对电容充电2）当扫描电压移到下一行，D-S断开，电容电压通过电阻缓慢放电，只要选择电阻率很高的液晶材料，可维持此后的一帧时间里电容上的电压始终大于Vth2.3.1 液晶显示器的驱动 572.3.4液晶显示器的特点及应用液晶显示器的特点及应用

41、LCD的优点有：n1、由于低功耗（几微瓦几十微瓦/平方厘米）n2、低电压运行（几十伏）n3、元件为薄型（几毫米），而且从大型显示（对角线长几十厘米）到小型显示（对角线长几毫米）都可满足，特别适用于便携式装置。n4、属于非主动发光型显示，即使在明亮的环境，显示也是鲜明的。n5、容易实现彩色显示，因此便于显示功能的扩大及显示的多样化。n6、可以进行投影显示及组合显示，因此容易实现大画面（对角线为数米）显示。58n1、由于属于非主动发光型，在采用反射方式时，在比较暗的场所，显示不够鲜明。n2、在需要鲜明的显示及彩色显示的场合，需要背景光。n3、显示对比度与观察方向有关，视角受到限制。n4、响应时间与

42、环境温度有关，低温（-30-40）时工作不能充分保证。LCD也存在以下一些缺点：2.3.1 液晶显示器的特点及应用59LCD的主要应用有：n1、数字、字符显示n2、平面显示n3、光开关2.3.1 液晶显示器的特点及应用60 2.4 阴极射线管 2.4.1 基本结构与工作原理2.4.2 主要单元2.4.3 CRT的特点及应用612.4.1 基本结构与工作原理基本结构与工作原理图2.4.1-1 单色CRT 单色CRT(cathode ray tube)的结构。主要由4部分组成：圆锥形玻壳；玻壳正面用于显示的荧光屏；封入玻壳中发射电子束用的电子枪系统；位于玻壳之外控制电子束偏转扫描的磁轭。一、单色显

43、示用一、单色显示用CRTMDT工作原理：把加在电子枪栅极或阴极上得随时间变化得视频电信号变成荧光屏上按空间分布的亮度随电信号强弱而变化的相应光信号。从而得到与原被摄影物几何相似明暗对应的适合人眼视觉特性要求的光学图像。62防爆箍提耳阳极荧光体金属覆层（AI膜）屏幕玻璃偏转磁轭支持架颈部电子枪框架内部导电膜地磁场屏蔽罩阴罩（选色电极）PCMRGB 彩色CRT采用荫罩型结构，如图所示。彩色CRT是通过红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色组合（三基色图像叠加原理）产生彩色视觉效果。二、彩色显示用二、彩色显示用CRTCDT 荧光屏上的每一个像素由产生红(R)、绿(G)、蓝(B)的三种荧光体组成，同时电子

44、枪中设有3个阴极，分别发射电子束，轰击对应的荧光体。63玻壳内除设有荫罩之外还设有屏蔽磁场用的内屏敝罩，其作用是防止电子束受地磁场的干扰发生紊乱和偏离，使电子束不会射向其它颜色的荧光体。玻壳外侧装有偏转磁轭和色纯度会聚磁铁（PCM），偏转磁轭除了使电子束偏转扫描以外，通过其磁场分布设计，一般还具有使三个电子束完全集中于荧光屏画面的功能。PCM可调整电子束的会聚状态以及画面中心电子束的光斑。在荫罩型彩色CRT中，玻壳荧光屏的内面形成点状红、绿、蓝三色荧光体，荧光面与单色CRT相同，在其内侧均有AI膜金属覆层。在离荧光面一定距离处设置荫罩。荫罩焊接在支持框架上，并通过显示屏侧壁内面设置的紧固钉将荫

45、罩固定在显示屏内侧。642.4.2 主要单元 玻璃石墨层第二阳极第三阳极加速极阴极灯丝栅极(a)三极电子枪玻璃石墨层第 二、四阳极聚焦极加速极阴极灯丝栅极(b)四极电子枪一、电子枪一、电子枪电子枪用来产生电子束，以轰击荧光屏上的荧光粉。如果要在屏幕上得电子枪用来产生电子束，以轰击荧光屏上的荧光粉。如果要在屏幕上得到亮而清晰的图像，要求电子枪产生大的电子束电流，并能够在屏幕上到亮而清晰的图像，要求电子枪产生大的电子束电流，并能够在屏幕上聚成细小的扫描点。此外，电子束电流受电信号的调制，因此要求电子聚成细小的扫描点。此外，电子束电流受电信号的调制，因此要求电子枪应具有良好的调制特性。枪应具有良好的

46、调制特性。电子枪一般由五个或六个电极构成，分别为阴极（发射电子）、栅极电子枪一般由五个或六个电极构成，分别为阴极（发射电子）、栅极（也称调制极或控制极）（控制电流）、第一阳极（也称加速极）、第（也称调制极或控制极）（控制电流）、第一阳极（也称加速极）、第二阳极、第四阳极二阳极、第四阳极(联在一起联在一起)（也起加速作用）和第三阳极（聚焦级）。（也起加速作用）和第三阳极（聚焦级）。65二、荧光屏二、荧光屏一般荧光屏是由玻璃基板、荧光粉层和铝层（提高荧光屏的图像显示能一般荧光屏是由玻璃基板、荧光粉层和铝层（提高荧光屏的图像显示能力）构成。力）构成。v荧光粉的余辉特性（余辉时间）是指这样一种性质：电

47、子束轰击荧光荧光粉的余辉特性（余辉时间）是指这样一种性质：电子束轰击荧光粉时，荧光粉的分子受激而发光，当电子束的轰击停止后，荧光粉的光粉时，荧光粉的分子受激而发光，当电子束的轰击停止后，荧光粉的光亮并非立即消失，而是按指数规律衰减，这种特性称为亮并非立即消失，而是按指数规律衰减，这种特性称为余辉特性余辉特性。v目前人们还没有找到一种荧光粉能发自然白光（各种波长能量相同的目前人们还没有找到一种荧光粉能发自然白光（各种波长能量相同的白光），一般应用色光相加的原理将两种发光颜色互补的荧光粉（蓝与白光），一般应用色光相加的原理将两种发光颜色互补的荧光粉（蓝与黄黄55：45）混合起来，使眼睛的感觉近似标

48、准白光。）混合起来，使眼睛的感觉近似标准白光。对荧光粉的性能要求是：发光颜色满足标准白色（对黑白显象管来说）、对荧光粉的性能要求是：发光颜色满足标准白色（对黑白显象管来说）、发光效率高、余辉时间合适以及寿命长等。发光效率高、余辉时间合适以及寿命长等。662.4.3 CRT的特点及应用一、一、CRT的特点的特点二、二、CRT的应用的应用CRT的最大优势是可以在相对低的价格下获得所必需的各种功能和性能。而且可以进行大画面高密度显示。其显示亮度可以任意调节。CRT的主要缺点是尺寸和重量都难以降低，不能实现折叠化、便携使用不便。电视用CRT，显示器终端用CRT以及观测用CRT672.5.1等离子体显示

49、板的工作原理等离子体显示板的工作原理等离子体显示板等离子体显示板（plasma display panel，PDP）是利用气体放电发光进行显示的平面显示板，可以看成是由大量小型日光灯排列构成的。所谓等离子体所谓等离子体，是指正负电荷共存，处于电中性的放电气体的状态。一、什么是等离子体显示板（一、什么是等离子体显示板（PDP）放电区透明电极前玻璃基板 透明介电质层保护层壁障(隔断)荧光体选址电极后玻璃基板 发光区 紫外线放电胞的工作原理在PDP中，有数百万个如上所述的微小荧光灯，称为放电胞放电胞，其工作原理与结构如图所示。68行电极列电极放电胞电压2.5.1等离子体显示板的工作原理图为PDP整体

50、结构示意图。PDP整体结构示意图692.5.3 PDP的特征及应用2.5.2 PDP的特征及应用与其他显示器比较，PDP有以下优点：1、利用气体放电发光，与LCD比较，为自发光型，即主动发光型显示；2、其放电间隙为0.10.3mm，与CRT相比，便于实现薄型化；3、利用荧光体，可以实现彩色发光，与LCD相比，容易实现多色化、全色化；4、容易实现大画面平面显示。702.5.3 PDP的特征及应用其缺点是：1、功耗大，不便于采用电池电源（与LCD相比）；2、与CRT相比，彩色发光效率低；3、驱动电压高（与LCD相比）；基于上述特点，PDP的优势是薄型，大画面，自发光型，色彩丰富，大视角等。PDP在