材料科学和人类文明第6章信息材料精选课件.ppt

1、Wu Jin-Ming 第六章第六章信息材料信息材料Wu Jin-Ming 本章主要内容本章主要内容 信息简介信息简介 信息处理技术和材料信息处理技术和材料 信息传递技术和材料信息传递技术和材料 信息存储技术和材料信息存储技术和材料 信息显示技术和材料信息显示技术和材料Wu Jin-Ming 信息简介信息简介信息处理技术和材料信息处理技术和材料信息传递技术和材料信息传递技术和材料信息存储技术和材料信息存储技术和材料信息显示技术和材料信息显示技术和材料Wu Jin-Ming 信信 息息 烽火、信件、电话、电报、翻译、烽火、信件、电话、电报、翻译、e-mail、internet信息既非物质也非能量

2、，却是构成世界的要素信息既非物质也非能量，却是构成世界的要素信息的作用？信息的作用？极大提高劳动生产率极大提高劳动生产率当前的信息发展以当前的信息发展以多媒体化多媒体化（数据、文字、声音、图像）和（数据、文字、声音、图像）和数字化数字化为主要特征为主要特征1995 1996 1997 1998 1999 2000050010001500200025003000Amounts/PBYear全球信息量全球信息量增长趋势增长趋势(1PB=106GB)2121世纪进入世纪进入3T3T时代时代 太位信息量太位信息量(1Tb=10(1Tb=101212b)b)每秒太位信息流每秒太位信息流(Tb/s)(Tb

3、/s)太赫兹太赫兹(THz)(THz)高频响应高频响应Wu Jin-Ming 信信 息息 烽火、信件、电话、电报、翻译、烽火、信件、电话、电报、翻译、e-mail、internet信息的含义信息的含义在自然界，宇宙中的射电源不停地向宇宙空间发射电波。这种电波是射电源在自然界，宇宙中的射电源不停地向宇宙空间发射电波。这种电波是射电源存在的信息存在的信息花卉的应季荣衰是寒暑交替的信息花卉的应季荣衰是寒暑交替的信息人们通过电视、电话、报刊等各种媒体，每时都在获取、加工、传递、利用人们通过电视、电话、报刊等各种媒体，每时都在获取、加工、传递、利用大量的信息大量的信息通过天气预报获取气象信息，可以合理地

4、安排生产、生活通过天气预报获取气象信息，可以合理地安排生产、生活在行政工作中，看材料、学文件是获取信息；作决策、批文件是处理信在行政工作中，看材料、学文件是获取信息；作决策、批文件是处理信息；作指示是传递信息息；作指示是传递信息可见，可见，信息来源于客观世界，范围广大，具有一定的利用价值，信息来源于客观世界，范围广大，具有一定的利用价值，可通过载体为人们所获知，用来指导人类认识世界、改造世界可通过载体为人们所获知，用来指导人类认识世界、改造世界Wu Jin-Ming 信信 息息 烽火、信件、电话、电报、翻译、烽火、信件、电话、电报、翻译、e-mail、internet信息的含义信息的含义人类认

5、知世界、改造人类认知世界、改造世界，世界，就是获取信息、加工信息、发送信息的过程就是获取信息、加工信息、发送信息的过程牛津辞典牛津辞典：信息就是谈论的事情、新闻和知识：信息就是谈论的事情、新闻和知识”韦氏字典韦氏字典：“信息，就是在观察或研究过程中获得的数据、新闻和知识信息，就是在观察或研究过程中获得的数据、新闻和知识”广广 辞辞 苑苑：“信息是所观察事物的知识信息是所观察事物的知识”辞海辞海19891989：“信息是通信系统传输和处理的对象，泛指消息和信号的具信息是通信系统传输和处理的对象，泛指消息和信号的具体内容和意义，通常需通过处理和分析来提取体内容和意义，通常需通过处理和分析来提取”广

6、义上，广义上，信息是可通过文字、图像、声音、符号、数据等为人类获知的知识信息是可通过文字、图像、声音、符号、数据等为人类获知的知识本质上，本质上，信息是反映现实世界的运动、发展和变化状态及规律的信号与消息信息是反映现实世界的运动、发展和变化状态及规律的信号与消息Wu Jin-Ming 信信 息息 烽火、信件、电话、电报、翻译、烽火、信件、电话、电报、翻译、e-mail、internet（1 1）普遍性和无限性）普遍性和无限性 （2 2）可传递性和共享性）可传递性和共享性 （3 3）必须依附于某种物体之上）必须依附于某种物体之上 （4 4）是可以加工处理的）是可以加工处理的 信息与数据不是同一个

7、概念信息与数据不是同一个概念 信息与信号不同信息与信号不同“信息信息”的主要特征的主要特征 Wu Jin-Ming 信息技术信息技术获取获取处理处理存储存储显示显示传输传输电子学微电子学光电子学光子学20 世纪21 世纪信息载体：信息载体：电子光子电子、光子信息技术很大程度上依赖材料和元器件的发展信息技术很大程度上依赖材料和元器件的发展信息材料是信息技术发展的基础和先导信息材料是信息技术发展的基础和先导Wu Jin-Ming 信息技术信息技术 信息技术是信息技术是收集、处理、存储和传递信息收集、处理、存储和传递信息的技术，的技术，是扩展人类信息器官功能的一类技术是扩展人类信息器官功能的一类技术

8、 信息器官信息器官 人体信息器官的功能人体信息器官的功能 拓展信息器官功能的信息技拓展信息器官功能的信息技术术 感觉器官感觉器官 获取信息获取信息 感测技术感测技术 神经系统神经系统 传递信息传递信息 通信技术通信技术 思维器官思维器官 加工加工/再生信息再生信息 信息处理技术信息处理技术 效应器官效应器官 施用信息施用信息 控制技术控制技术Wu Jin-Ming 信息技术信息技术 每一项信息技术自问世起就一直在推动人类的每一项信息技术自问世起就一直在推动人类的发展发展 语言的产生语言的产生 文字的创造文字的创造 印刷术的发明印刷术的发明 微电子技术、现代通信技术和计算机技术微电子技术、现代通

9、信技术和计算机技术-进入新的信息技术革命的高潮进入新的信息技术革命的高潮 多媒体信息和网络化信息多媒体信息和网络化信息 在当今以数字化、网络化为主要特征的信息化社会中，信息有时比材料、能源更为重要从属地位从属地位 -主导地位主导地位Wu Jin-Ming 信息简介信息简介 信息处理技术和材料信息处理技术和材料 信息传递技术和材料信息传递技术和材料 信息存储技术和材料信息存储技术和材料 信息显示技术和材料信息显示技术和材料Wu Jin-Ming 半导体半导体动态随机存取器动态随机存取器(DRAM-dynamic random access memory)时时 间间1988201920002019

10、2019容容 量量(GB)0.128 0.2561-410-20256光刻线宽光刻线宽(m mm)0.30.180.150.10.01单晶硅直径单晶硅直径(mm)200300350400450缺陷尺寸缺陷尺寸(m mm)0.120.050.030.01表面粗糙度表面粗糙度(nm)10.50.3106 FET/芯片芯片Wu Jin-Ming 微电子芯片技术与材料微电子芯片技术与材料场效应管图片场效应管图片Wu Jin-Ming 微电子芯片技术与材料微电子芯片技术与材料转移特性曲线转移特性曲线栅电压栅电压V VGSGS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制特性的控制特性转移特性曲线的斜率gm反映了

11、栅电压对漏极电流的控制作用gm量纲为mA/V，也称跨导，定义式如下 gm=ID/VGSVDS=constID=f(VGS)VDS=constMOSFET金属金属(M)-氧化物氧化物(O)-半导体半导体(S)场效应晶体管场效应晶体管Wu Jin-Ming 微电子芯片技术与材料微电子芯片技术与材料衬底材料：单晶硅衬底材料：单晶硅绝缘介质绝缘介质电极材料电极材料互连材料互连材料工艺材料：磨料、光刻胶等工艺材料：磨料、光刻胶等触摸屏材料触摸屏材料Wu Jin-Ming 衬底硅掩模版衬底硅紫外光涂光致抗蚀剂曝光显影衬底硅腐蚀衬底硅去胶衬底硅SiO2IC工艺工艺光刻技术光刻技术光刻即光刻腐蚀光刻即光刻腐蚀

12、Wu Jin-Ming IC工艺工艺化学机械抛光技术化学机械抛光技术磨料组成磨料组成 氧化剂：氧化剂：H2O2、HNO3 摩擦剂：摩擦剂：Al2O3Wu Jin-Ming 1）体缺陷对器件成品率(Y)的影响 Y=e-DA D-Si中缺陷密度；A-芯片面积2）表面缺陷 I）外生粒子，表面尘埃 清洗、SCT II）晶生粒子衬底材料衬底材料Si、SOI(绝缘层附着硅)、GaN、SiGe对Si的要求 晶片直径大 缺陷密度小 几何精度（平整度）高Wu Jin-Ming 栅结构材料栅结构材料栅绝缘介质层栅绝缘介质层要求：要求：低缺陷和缺陷密度、低缺陷和缺陷密度、高介电常数、低漏电流密度、高抗老化抗高介电常

13、数、低漏电流密度、高抗老化抗击穿特性，击穿特性，与与Si具有良好的界面特性和低的界面态密度具有良好的界面特性和低的界面态密度材料：材料：SiO2(1.5 nm)、SiON(掺掺N氧化硅氧化硅)、Ta2O5、TiO2、(Sr,Ba)TiO3、Pb(Zr,Ti)O3(PZT)等等栅电极材料栅电极材料要求：与要求：与Si兼容、低电阻率兼容、低电阻率材料：材料：Al、多晶、多晶Si、GexSi1-x、W/TiNWu Jin-Ming 互连材料互连材料要求要求 低电阻率低电阻率 线宽（特征尺寸越小，线宽所占面积越大）线宽（特征尺寸越小，线宽所占面积越大）延迟（延迟（250 nm，pMOS门延迟门延迟=1

14、5 ps，而互连延迟，而互连延迟=100 ps 工艺性（易沉积、易刻蚀工艺性（易沉积、易刻蚀)与与Si衬底相容性（扩散等问题）衬底相容性（扩散等问题）材料：材料：Al(Al(传统材料传统材料)、Cu(Cu(新材料，电阻率更低新材料，电阻率更低)以以Cu代代Al的问题：的问题：容易向容易向Si或或SiO2中扩散中扩散(扩散阻挡层材料：扩散阻挡层材料：W、Ti、Ta等等)形成形成Cu-Si金属间化合物金属间化合物 粘附性差粘附性差 刻蚀困难刻蚀困难Wu Jin-Ming 触摸屏简单原理触摸屏简单原理 电阻技术触摸屏电阻技术触摸屏 电阻触摸屏的主要部分是与电阻触摸屏的主要部分是与显示器显示器表面非常

15、配合的表面非常配合的电阻薄膜屏电阻薄膜屏电阻薄膜屏电阻薄膜屏是一种多层复合薄膜，以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面是一种多层复合薄膜，以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属涂有一层透明氧化金属(ITO(ITO氧化铟，透明导电电阻氧化铟，透明导电电阻)导电层，上面在盖有一层外表导电层，上面在盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑料层、其内表面也涂有一层面硬化处理、光滑防擦的塑料层、其内表面也涂有一层ITOITO涂层、两层涂层、两层ITOITO涂层间有涂层间有许多细小许多细小(小于小于1/10001/1000英寸英寸)的透明隔离点，将两层导电层隔开绝缘的透明隔离点，将两层导电层隔

16、开绝缘 当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，控制器侦测到这一接触当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，控制器侦测到这一接触并计算出并计算出(X,Y)的位置，再根据模拟鼠标的方式运作的位置，再根据模拟鼠标的方式运作ITO透明导电层透明导电层硬塑料或玻璃基板硬塑料或玻璃基板外表硬化处理塑料层外表硬化处理塑料层电阻薄膜屏结构示意图电阻薄膜屏结构示意图Wu Jin-Ming 触摸屏简单原理触摸屏简单原理 表面声波技术触摸屏表面声波技术触摸屏 声波可在物体表面传输声波可在物体表面传输手触摸到手触摸到触摸屏触摸屏表面时，可阻碍声波的传输。换能器侦测表面时，可阻碍声波的传输。换

17、能器侦测到这个变化，反映给计算机，进而进行鼠标模拟到这个变化，反映给计算机，进而进行鼠标模拟 Wu Jin-Ming 触摸屏简单原理触摸屏简单原理 电容技术触摸屏电容技术触摸屏 利用人体的电流感应进行工作利用人体的电流感应进行工作 用户触摸屏幕时，人体电场使用户和触摸屏表面形成耦合电容用户触摸屏幕时，人体电场使用户和触摸屏表面形成耦合电容电容是高频电流的直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电电容是高频电流的直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流流这个电流分从触摸屏四角上的电极中流出这个电流分从触摸屏四角上的电极中流出流经四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器对四个电流经四个电

18、极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器对四个电流的比例进行精确计算，得出触摸点的位置流的比例进行精确计算，得出触摸点的位置 Wu Jin-Ming 信息简介信息简介 信息处理技术和材料信息处理技术和材料 信息传递技术和材料信息传递技术和材料 信息存储技术和材料信息存储技术和材料 信息显示技术和材料信息显示技术和材料Wu Jin-Ming 信息传递技术和材料信息传递技术和材料以光子为信息载体，用光纤通信替代电缆和微波通信，以光子为信息载体，用光纤通信替代电缆和微波通信，是是2020世纪通信技术的重大进步！世纪通信技术的重大进步！光纤通信历史进展光纤通信历史进展20 世纪世纪 70年代年代 低损

19、耗石英光纤、长寿命半导体激光器低损耗石英光纤、长寿命半导体激光器第一代光纤通信第一代光纤通信 1978年，光缆长年，光缆长10 km，传输率，传输率100 km)无中继传输无中继传输Wu Jin-Ming 光纤发展阶段光纤发展阶段发展阶段发展阶段波长波长(m mm)模数模数 衰耗衰耗(dB/km)中继距离中继距离(Km)第一阶段第一阶段0.85多模多模1.510第二阶段第二阶段1.30单模单模0.860第三阶段第三阶段1.55单模单模0.16500第四阶段第四阶段 253 x 10-42500一条光纤带宽所容纳信息量相当于全世界无线电带宽的一条光纤带宽所容纳信息量相当于全世界无线电带宽的100

20、0倍倍(25 Tb/s vs 25 Gb/s)信息传递技术和材料信息传递技术和材料Wu Jin-Ming 信息传递技术和材料信息传递技术和材料l1l2l3lnl1l2l3ln波分复用光纤通信网示意图波分复用光纤通信网示意图1-外调制分布反馈激光器，2-光纤宽带偶合器，3-传输光纤，4-光纤光栅滤光器，5-检波器光缆中心能量密度很高，导致布里渊散射、拉曼散射、四波混频等非线性现象光缆中心能量密度很高，导致布里渊散射、拉曼散射、四波混频等非线性现象对器件和材料的要求：对器件和材料的要求：新型光纤新型光纤(true wave fiber,leaf fiber)、半导体激光器、高速光调制器、光滤波器、

21、半导体激光器、高速光调制器、光滤波器Wu Jin-Ming 光纤材料光纤材料 石英玻璃石英玻璃 SiOSiO2 2、SiOSiO2 2-GeO-GeO2 2、SiOSiO2 2-B-B2 2O O3 3-F-F 多组分玻璃多组分玻璃 SiOSiO2 2-GaO-Na-GaO-Na2 2O O、SiOSiO2 2-B-B2 2O O3 3NaNa2 2O O 红外玻璃红外玻璃 重金属氧化物、卤化物重金属氧化物、卤化物 掺稀土元素玻璃掺稀土元素玻璃 ErEr、Nd Nd 多模：小容量、近距离多模：小容量、近距离(40 Km,100 Mb/s)单模：单模：40 Gb/s、200 Km，不需信号放大，

22、不需信号放大Wu Jin-Ming 光纤结构光纤结构芯芯 部部光传输通道光传输通道包覆层包覆层保护芯部，折射率匹配保护芯部，折射率匹配保护套保护套尼龙，保护光纤尼龙，保护光纤芯芯包覆层包覆层 n%掺杂掺杂主要组成主要组成掺杂掺杂主要组成主要组成P2O5SiO2B2O3SiO20.8GeO2SiO2B2O3SiO21.2GeO2、B2O3SiO2B2O3SiO21.3Wu Jin-Ming 光纤分类光纤分类按折射率分布分类：阶跃型、渐变型按折射率分布分类：阶跃型、渐变型按材料分类：玻璃光纤、塑料光纤按材料分类：玻璃光纤、塑料光纤Wu Jin-Ming 信息简介信息简介信息处理技术和材料信息处理技

23、术和材料信息传递技术和材料信息传递技术和材料 信息存储技术和材料信息存储技术和材料信息显示技术和材料信息显示技术和材料Wu Jin-Ming 信息存储技术和材料信息存储技术和材料 硬磁盘技术的发展硬磁盘技术的发展时间19922019201920002019储存容量(GB)0.60.95-101050储存密度(Gb/in2)0.10.84620数据率(Mb/s)16100150350500存取时间(ms)30201065数字信息存储要求：高密度、高传输率、长寿命、高擦写次数、低价格数字信息存储要求：高密度、高传输率、长寿命、高擦写次数、低价格提高存储密度主要依赖于磁介质材料！提高存储密度主要依赖

24、于磁介质材料！Wu Jin-Ming 磁介质材料磁介质材料磁介质材料磁介质材料 磁性氧化物磁性氧化物(氧化铁氧化铁)涂在塑料涂在塑料/金属薄片上金属薄片上(70)超细磁性氧化物粉末、磁性氧化物薄膜超细磁性氧化物粉末、磁性氧化物薄膜(80)连续磁性介质连续磁性介质CoCrPt、CoCrTa薄膜薄膜(90)Co/Sm钐、钐、Fe/Pt、Fe/Cr、Co/Cu多层膜多层膜磁记录磁记录 记录传感元件是磁头在21世纪初仍有很强的生命力，利用垂直磁记录、纳米单磁畴技术，再加先进磁头的采用，可能使记录密度达100Gb/in2，所用介质为氧化物磁粉(-Fe2O3、加 Co-Fe2O3、CrO2)、金属磁粉、钡

25、铁氧体粉Wu Jin-Ming 磁盘结构示意图磁盘结构示意图Liquid lubricant 1-2 nm类金刚石碳类金刚石碳(DLC)10-15 nmMagnetic coating 25-75 nmAl-Mg/10 m mm NiP or Glass-ceramic 0.78-1.3 mm5mm磁盘存储材料磁盘存储材料Wu Jin-Ming 光盘存储材料光盘存储材料高密度光盘存储材料高密度光盘存储材料 磁光存储介质磁光存储介质Pt/Co、MnBiAl 稀土掺杂钇铝石榴石稀土掺杂钇铝石榴石YIG(yttrium aluminum garnet)相变型存储介质相变型存储介质Ge锗锗-Te碲碲-

26、Sb锑锑,In铟铟-Sb-Ag-Te等等 有机存储介质有机存储介质菁化合物、酞菁化合物、螺环化合物等菁化合物、酞菁化合物、螺环化合物等磁光记录磁光记录 记录传感元件是光头磁光盘介质主要是稀土-过渡族金属，如TbFeCo、GdTbFe、NdFeCo最新的是Pb/Co多层调制膜或Bi石榴石薄膜磁光盘的特点在于可重写，可交换介质Wu Jin-Ming 光、磁存储性能比较光、磁存储性能比较光盘光盘硬盘硬盘磁带磁带中等性能中等性能0.252 Gb/in225 Mb/s随机存取随机存取高容量高容量低价格低价格可移动可移动长寿命长寿命(10年)高性能高性能24 Gb/in2150 Mb/s随机存取随机存取高

27、容量高容量价格合理价格合理不可移动不可移动寿命较短寿命较短中等性能中等性能0.81 Gb/in240 Mb/s序列存取序列存取高容量高容量低价格低价格可移动可移动长寿命长寿命(3-5年)Wu Jin-Ming 光、磁存储性能比较光、磁存储性能比较与磁存储技术相比，光盘存储技术的特点为1 非接触式读/写、擦2 信息的载噪比(SNR，signal-to-noise ratio)高3 信息位价格低，只读式光盘可大量复制Wu Jin-Ming 高分子液晶信息存储示意图高分子液晶信息存储示意图信息存储高分子液晶信息存储高分子液晶侧链型高分子液晶通常具侧链型高分子液晶通常具有较高的玻璃化转变温度有较高的玻

28、璃化转变温度利用这一特性，可使它在利用这一特性，可使它在室温下保存一定工作条件室温下保存一定工作条件下记录的信息下记录的信息首先将存贮介质制成透光的向列型晶体首先将存贮介质制成透光的向列型晶体用一束激光照射，用一束激光照射，高分子液晶高分子液晶局部温度升高，熔融成各向同性液体，失去有局部温度升高，熔融成各向同性液体，失去有序度序度激光消失后，激光消失后，高分子液晶高分子液晶凝结为不透光的固体，记录结构被冻结，所记录的凝结为不透光的固体，记录结构被冻结，所记录的信息在室温下将被永久保存信息在室温下将被永久保存Wu Jin-Ming 信息存储高分子液晶信息存储高分子液晶同光盘相比，采用同光盘相比，

29、采用热致性侧链高分子液晶热致性侧链高分子液晶为基材制作信息贮存介为基材制作信息贮存介质，由于其记录的信息是材料内部特征的变化，因此质，由于其记录的信息是材料内部特征的变化，因此 可靠性高可靠性高 不怕灰尘和表面划伤不怕灰尘和表面划伤 适合重要数据的长期保存适合重要数据的长期保存Wu Jin-Ming 信息简介信息简介信息处理技术和材料信息处理技术和材料信息传递技术和材料信息传递技术和材料信息存储技术和材料信息存储技术和材料 信息显示技术和材料信息显示技术和材料Wu Jin-Ming 信息显示技术和材料信息显示技术和材料 阴极射线管显示阴极射线管显示(CRT-cathode ray tube)场

30、致发射显示场致发射显示(FED-field effect display)发光二极管显示发光二极管显示(LED-light emitting diode)等离子体显示等离子体显示(PDP)液晶显示液晶显示(LCD-liquid crystal display)Wu Jin-Ming 光电显示技术发展历史光电显示技术发展历史 100多年前，多年前，德国布朗发明了阴极射线管，开始了光电显示德国布朗发明了阴极射线管，开始了光电显示 20世纪世纪60年代，液晶显示年代，液晶显示 20世纪世纪70年代，扭曲向列液晶显示（年代，扭曲向列液晶显示（TN-LCD）20世纪世纪80年代，超扭曲向列液晶显示（年代

31、，超扭曲向列液晶显示（STN-LCD）20世纪世纪90年代，薄膜晶体管有源矩阵液晶显示年代，薄膜晶体管有源矩阵液晶显示(TFT-LCD)近年来，近年来，彩色等离子体显示彩色等离子体显示Wu Jin-Ming 显示器件性能评价显示器件性能评价 亮度亮度 垂直于光束传播方向单位面积发光强度垂直于光束传播方向单位面积发光强度 发光效率发光效率 显示器件辐射出的单位能力所发出的光通量显示器件辐射出的单位能力所发出的光通量 对比度对比度 显示部分和非显示部分的亮度之比显示部分和非显示部分的亮度之比 分辨率分辨率 单位长度像元数量；显示器件含有的像元数量单位长度像元数量；显示器件含有的像元数量 灰度灰度

32、亮度等级，灰度越高，图像层次越分明，颜色越丰富亮度等级，灰度越高，图像层次越分明，颜色越丰富 响应时间响应时间 从施加电压到显示图像所需时间从施加电压到显示图像所需时间余辉时间余辉时间 从切断电压到图像消失所需时间从切断电压到图像消失所需时间 寿命、稳定性寿命、稳定性 色彩色彩 视角视角 工作电压和功耗工作电压和功耗Wu Jin-Ming 工作原理工作原理电子枪发射高速电子，采用垂直电子枪发射高速电子，采用垂直偏转线圈偏转线圈、水平偏转线圈控制高速电子的偏转角、水平偏转线圈控制高速电子的偏转角度，高速电子击打屏幕上的磷光物质使其发光度，高速电子击打屏幕上的磷光物质使其发光采用电压调节电子束功率

33、，在屏幕上产生明暗不同的光点，形成各种图案和文字采用电压调节电子束功率，在屏幕上产生明暗不同的光点，形成各种图案和文字阴极射线管阴极射线管(CRT)工作原理工作原理电子枪电子枪加速器加速器 偏转线圈偏转线圈电压控制电压控制Wu Jin-Ming 屏幕上每一像素点都由红屏幕上每一像素点都由红(R)、绿、绿(G)、蓝、蓝(B)三种涂料组合而成，三束电子束可分别激三种涂料组合而成，三束电子束可分别激活这三种颜色的磷光涂料活这三种颜色的磷光涂料以不同强度的电子束调节三种颜色的明暗程度，就可得到所需的颜色以不同强度的电子束调节三种颜色的明暗程度，就可得到所需的颜色倘若电子束瞄准不够精确，就可能打到邻近的

34、磷光涂层，产生不正确的颜色或轻微的倘若电子束瞄准不够精确，就可能打到邻近的磷光涂层，产生不正确的颜色或轻微的重像。因此，重像。因此，必须对电子束进行精确的控制必须对电子束进行精确的控制荫罩式显像管荫罩式显像管 荫栅式显像管荫栅式显像管 阴极射线管阴极射线管(CRT)工作原理工作原理Wu Jin-Ming 阴极射线管阴极射线管(CRT)发光材料发光材料组分发光色主波长nm发光效率lm/W余辉时间*用途ZnS:Ag蓝45021S彩色CRTZnS:Cu,Al黄绿53017，23S彩色CRTY2O2S:Eu3+红62613M彩色CRTZn2SiO4:Mn2+绿5258M雷达Y3(Al,Ga)5O12:

35、Tb3+黄绿544-M投影管Y2O3:Eu3+红6268.7M投影管Zn2SiO4:Mn2+,As绿525-L微机*余辉时间余辉时间用发光强度最大值降至用发光强度最大值降至10%的时间的时间S:1 m ms1 ms;M:1 ms30 ms;L:30 ms1 sWu Jin-Ming 阴极射线管阴极射线管(CRT)的优缺点的优缺点 分辨率高，亮度高，视角大，色彩范围宽 性能价格比较高耗电量大尺寸大，重量大无法制造较大面积的显示屏 技术上的困难：较大真空玻璃外壳容易破裂 显示面积较大时，扫描频率降低，无法显示运动影像受电磁场影响，容易发生线性失真存在辐射，影响使用者身体健康CRT缺点CRTCRT优

36、点优点Wu Jin-Ming FED结构：阴极板、肋状隔离器和阳极板结构：阴极板、肋状隔离器和阳极板场致发射显示场致发射显示(FED)工作原理工作原理微尖阴极微尖阴极形成强电场并发射电子形成强电场并发射电子带能量电子穿过带能量电子穿过真空管真空管，撞击，撞击阳极阳极屏幕屏幕的的荧光屏阳极荧光屏阳极，产生形成图像，产生形成图像的光的光所用荧光层与所用荧光层与CRT相同或类似相同或类似Wu Jin-Ming 场致发射显示场致发射显示(FED)材料材料发光材料发光材料类似于类似于CRT发光材料，但要求更高，发光材料，但要求更高，因为因为FED大电流并长时间寻址，发光大电流并长时间寻址，发光粉库仑负载

37、大粉库仑负载大冷阴极材料冷阴极材料微尖密度：微尖密度：106109/cm2材料要求：功函数低、稳定性好、材料要求：功函数低、稳定性好、热导率高、击穿电压高热导率高、击穿电压高主要材料：金刚石、硅单晶、主要材料：金刚石、硅单晶、金属钼、碳纳米管阵列金属钼、碳纳米管阵列支撑间隔材料支撑间隔材料通常是涂有特殊涂层的工程陶瓷通常是涂有特殊涂层的工程陶瓷 耐强电场耐强电场 二次电子发射系数低二次电子发射系数低 对沉积电荷的消除能力对沉积电荷的消除能力Wu Jin-Ming 发光二极管显示发光二极管显示(LED)工作原理工作原理发光二极管是一种把电能转换成光能的固态发光二极管是一种把电能转换成光能的固态发

38、光器件发光器件(晶体管晶体管)一般用半导体材料一般用半导体材料在正、负极间加上适当正向电压后，二极管在正、负极间加上适当正向电压后，二极管导通，半导体晶片便发光，在透明或半透明导通，半导体晶片便发光，在透明或半透明的塑料外壳显示出来的塑料外壳显示出来Wu Jin-Ming LED半导体材料是由半导体材料是由III-IV族化合物，如族化合物，如GaAs(砷化镓砷化镓)、GaP(磷化镓磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓磷砷化镓)等半导体制成的，其等半导体制成的，其核心是核心是PN结结，在一定条件下具有发，在一定条件下具有发光特性光特性在正向电压下，电子由在正向电压下，电子由N区注入区注入P区，空穴由区

39、，空穴由P区注入区注入N区。进入对方区域的区。进入对方区域的少数载流子（少子）的一部分与多数载流子（多子）复合而发光少数载流子（少子）的一部分与多数载流子（多子）复合而发光半导体材料半导体材料Eg=3.261.63eV，产生可见光，产生可见光(波长波长380nm紫光紫光780nm红光红光)现有红外、红、黄、绿、蓝发光二极管现有红外、红、黄、绿、蓝发光二极管蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍 发光二极管显示发光二极管显示(LED)工作原理工作原理Wu Jin-Ming 基本要求基本要求材料导电性易控制材料导电性易控制对发射光透明性好对发射光透明性好发光跃迁几

40、率高发光跃迁几率高发光二极管显示发光二极管显示(LED)材料材料常见材料常见材料GaP:ZnO 红光红光LEDGaP:N 绿光绿光LEDGaAsP 红光红光LEDInGaAlP系系 橙、黄光橙、黄光LEDGaN系系 蓝光蓝光LEDWu Jin-Ming 等离子体等离子体(电离气体)显示技术显示技术(PDP)基本原理基本原理 PDPPDP显示器的工作原理与日光灯相似显示器的工作原理与日光灯相似PDPPDP显示屏上安装数以十万计的等离子管，为发显示屏上安装数以十万计的等离子管，为发光体光体(像素像素)每个发光管有两个玻璃电极，内部充满氦、氖每个发光管有两个玻璃电极，内部充满氦、氖等惰性气体，其中一

41、个玻璃电极上涂有三原色等惰性气体，其中一个玻璃电极上涂有三原色荧光粉荧光粉两个电极间加上高电压时，惰性气体放电而形两个电极间加上高电压时，惰性气体放电而形成等离子体成等离子体PDP显示原理图（剖面结构）显示原理图（剖面结构）惰性气体放电时产生紫外光，激发显示屏上的红、绿、蓝三原色惰性气体放电时产生紫外光，激发显示屏上的红、绿、蓝三原色荧光粉，发出可见光荧光粉，发出可见光Wu Jin-Ming 优点优点：亮度高、色彩还原性好、灰度丰富、画面响应速亮度高、色彩还原性好、灰度丰富、画面响应速度快度快 视野开阔、视角广视野开阔、视角广(高达高达160度度)能提供亮丽、均匀、平滑的画面能提供亮丽、均匀、

42、平滑的画面缺点缺点：每一个像素都独立发光，每一个像素都独立发光，耗电量大耗电量大(相比相比CRT电子枪而言电子枪而言)等离子体显示技术等离子体显示技术(PDP)的优缺点的优缺点 Wu Jin-Ming 等离子体显示技术等离子体显示技术(PDP)材料材料气体材料气体材料 惰性气体、惰性气体、Hg蒸汽蒸汽三基色荧光粉材料三基色荧光粉材料 要求紫外激发高效发光、余辉时间短、抗紫外线要求紫外激发高效发光、余辉时间短、抗紫外线基板材料基板材料 基板玻璃制备过程必须经过厚膜印刷和基板玻璃制备过程必须经过厚膜印刷和高温高温烧结烧结性能参数日本硝子公司PD200美国康宁公司CS25标准碱性玻璃热膨胀系数(10

43、-7 K-1)838485密度(g/cm3)2.772.882.49退火温度(C)620654545软化温度(C)830848726Wu Jin-Ming LCDLCD工作原理工作原理利用液晶的光电效应，通过电场控制像素的明暗来显示图像利用液晶的光电效应，通过电场控制像素的明暗来显示图像液晶液晶(LCD)显示技术显示技术Wu Jin-Ming LCDLCD工作原理工作原理液晶显示液晶显示(LCD)技术技术把液晶放在两个偏振片之间，在向列型液晶中，棒状分子的排把液晶放在两个偏振片之间，在向列型液晶中，棒状分子的排列是彼此平行的列是彼此平行的如果上下两偏振片定向是彼此垂直的，液晶分子将采取如果上下

44、两偏振片定向是彼此垂直的，液晶分子将采取逐渐过逐渐过渡的方式渡的方式被扭转成螺旋状被扭转成螺旋状Wu Jin-Ming LCDLCD工作原理工作原理液晶显示液晶显示(LCD)技术技术光线通过第光线通过第1 1个偏振片后，被液个偏振片后，被液晶分子逐渐改变偏振方向。光线晶分子逐渐改变偏振方向。光线沿着分子排列方向传播，最终从沿着分子排列方向传播，最终从第第2 2个偏振片射出个偏振片射出若两玻璃板间施加电压，液晶分若两玻璃板间施加电压，液晶分子沿电场方向排列，光线不能扭子沿电场方向排列，光线不能扭转，不会通过第转，不会通过第2 2个极板个极板Wu Jin-Ming LCDLCD工作原理工作原理液晶

45、显示液晶显示(LCD)技术技术LCDLCD显示器利用这一特性显示器利用这一特性，在两片相互垂直的偏，在两片相互垂直的偏光板间充满液晶，利用光板间充满液晶，利用电场控制液晶的转动电场控制液晶的转动不同的电场大小就会形不同的电场大小就会形成不同的灰阶亮度成不同的灰阶亮度Wu Jin-Ming 液晶显示液晶显示(LCD)技术技术液晶显示器是由上下两片导电玻璃制成的液晶盒，盒内充有液晶显示器是由上下两片导电玻璃制成的液晶盒，盒内充有液晶，四周用胶框密封，盒的两个外侧贴有偏光片液晶，四周用胶框密封，盒的两个外侧贴有偏光片液晶显示器结构液晶显示器结构Wu Jin-Ming 液晶显示液晶显示(LCD)技术技

46、术TN-LCD(Twisted Nematic-LCD 扭曲向列型扭曲向列型液晶显示器）液晶显示器）常用于电子手表、计算器常用于电子手表、计算器常见的三种液晶显示器常见的三种液晶显示器STN-LCD(Super Twisted Nematic-LCD 超扭曲向列型超扭曲向列型液晶显示器）液晶显示器）常用于手机显示屏、游戏机屏常用于手机显示屏、游戏机屏TFT-LCD(Thin Film Transistor-LCD 薄膜型薄膜型液晶显示器）液晶显示器）常用于液晶显示屏、数码照相机常用于液晶显示屏、数码照相机Wu Jin-Ming TFT-LCD液晶显示器液晶显示器在玻璃基片上沉积一层硅，通过印刷

47、光刻工序作成晶体管阵列，在玻璃基片上沉积一层硅，通过印刷光刻工序作成晶体管阵列，每个像素都设每个像素都设有一个半导体开关有一个半导体开关。把液晶灌注在两片玻璃之间。把液晶灌注在两片玻璃之间每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而，每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而，每个节点都相对独立，并可以进每个节点都相对独立，并可以进行连续控制，行连续控制，这样的设计不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显这样的设计不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示灰度，所以示灰度，所以TFT-LCDTFT-LCD的色彩更逼真，称为的色彩更逼真，称为真彩真彩 Wu Jin-Ming 彩色滤光片彩色滤光

48、片对于对于TFT-LCD而言，彩色滤光片是很重要的而言，彩色滤光片是很重要的利用红，绿，蓝三原色，可混合出各种不同的颜色，很多平面显示器就利用红，绿，蓝三原色，可混合出各种不同的颜色，很多平面显示器就是利用此原理显示色彩是利用此原理显示色彩把三种颜色分成独立的三个点，各自拥有不同的灰阶变化，然后把临近把三种颜色分成独立的三个点，各自拥有不同的灰阶变化，然后把临近的三个的三个RGB显示的点当作一个像素显示的点当作一个像素Wu Jin-Ming Wu Jin-Ming 固态：固态：晶态晶态非晶态非晶态液态液态气态气态液晶态液晶态液液 晶晶某些物质受热熔融或被溶解后，获得了液态物质的流动性，但仍可保

49、留晶态某些物质受热熔融或被溶解后，获得了液态物质的流动性，但仍可保留晶态物质的分子有序排列，物理性质表现为各向异性，形成兼有晶体和液体部分物质的分子有序排列，物理性质表现为各向异性，形成兼有晶体和液体部分性质的过渡中间相态，即液晶态性质的过渡中间相态，即液晶态处于处于液晶态液晶态状态的物质称为液晶状态的物质称为液晶(liquid crystals)液晶的液晶的主要特征主要特征聚集状态在既类似于晶体，分子呈有序排列；又类似于液体，有流动性聚集状态在既类似于晶体，分子呈有序排列；又类似于液体，有流动性Wu Jin-Ming 液晶结构液晶结构 近晶型近晶型 向列型向列型 胆甾型胆甾型致晶单元的特点致

50、晶单元的特点分子的长分子的长/宽比宽比Rl，呈棒状或近似棒状构象，呈棒状或近似棒状构象由于强极性基团、高度可极化基团、氢键等，具有在液态下维持分子有序由于强极性基团、高度可极化基团、氢键等，具有在液态下维持分子有序排列所必需的凝聚力排列所必需的凝聚力形成液晶的物质通常具有形成液晶的物质通常具有刚性的分子结构刚性的分子结构导致液晶形成的刚性结构部分称为导致液晶形成的刚性结构部分称为致晶单元致晶单元3D有序有序1D有序有序2D有序有序Wu Jin-Ming 液晶分类液晶分类按液晶形成条件，分为按液晶形成条件，分为热致型热致型、溶致型溶致型两大类两大类热致型热致型液晶在某一温度范围形成的液晶态液晶在