精心整理的PDP讲义(来源于互联网)课件.ppt
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1、2022-7-241第四章 等离子体显示n引言n气体放电的基础性质n交流等离子体显示器n自扫描等离子体显示板n直流等离子体显示器2022-7-242玩具玩具 电光球电光球 利用高压电能气体放电发光(等离子利用高压电能气体放电发光(等离子体)创造奇幻光感!体)创造奇幻光感!2022-7-243图1 辉光放电_辉光球 操作:用手指轻触玻璃球的表面,球内产生彩色的辉光。原理:玻璃球内充有某种单一气体或混合气体,球内电极接高频高压电源,手指轻轻触摸玻璃球表面,人体即为另一电极,气体在极间电场中电离、复合,而发生辉光。玻璃球内所充的气体不同,球内压强不同(即不同的真空度),所产生的辉光的颜色也不同。而“
2、辉光球”是低压气体(或叫稀疏气体)在高频强电场中的辉光放电现象。2022-7-244在物理学中指正、负电荷正、负电荷浓度处于平衡状态的体系,即等离子体就是一种被电离,并处于电中性的气体状处于电中性的气体状态。态。由于电离气体整体行为表现出电中性,也就是电离气由于电离气体整体行为表现出电中性,也就是电离气体内正负电荷数相等,因此称这种气体状态为等离子体内正负电荷数相等,因此称这种气体状态为等离子体态。体态。在近代物理学中把电离度大于 1的电离气体都称为等离子体。什么是等离子体(什么是等离子体(plasma)?4.1 引言2022-7-245等离子体的形成等离子体的形成任何不带电的普通气体受到外界
3、高能作用后(如高能粒子束轰击、强激光照射、气体放电、高温电离等方法),部分原子中的电子吸收足够的能量成为自由电子,同时原子由于失去电子成为带正电的离子。这样原来中性的气体就因为电离成为由大量自由电子、正电离子和部分中性原子组成的物质,即等离子体。2022-7-246固体 冰液体 水气体 水汽等离子体 电离气体温度00C1000C100000C 高温产生等离子体2022-7-247 气体放电产生等离子体气体放电产生等离子体在通常情况下,气体是不导电的。但是,在适当的条件下,组成气体的分子可能发生电离,产生可自由移动的带电粒子,并在电场作用下形成电流,这种电流通过气体的现象称为气体放电。电源R阴极
4、阳极当电极间的电压足够高时,就使电极间气体击穿而产生放电。2022-7-248气体中的带电粒子,在电场加速下获得足够高的速度(动能),再与中性气体原子碰撞,使其释放出另一个电子,失去一个电子的气体原子形成带正电的离子。离子带正电后受阴极的吸引,而与电子的运动方向相反,也会与电子一样获得加速运动。最后撞击阴极,使其发射电子。这样气体中产生大量带电粒子,形成电流,即气体放电。电源R阴极阳极2022-7-249电离气体是一种常见的等离子体 放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式,等离子体 电离气体,但是需要有足够电离度的电离气体才具有等离子体性质。2022-7-2410 等离子体具有准中性2022
5、-7-2411定义:等离子体是一种高度离化的气体状态,被称物质的第四态。正负离子电荷相等,对外呈电中型。特点:极高的电导率 是一个完整的体系 是宏观中性物质态 2022-7-2412n电离气体按电离程度可分为弱电离气体(只有很少的原子或分子被电离)、部分电离气体(部分原子或分子被电离)和完全电离气体(几乎所有的原子或分子被电离)三种。弱电离气体主要由中性粒子组成,它与完全电离气体在基本机理和行为方面的区别很大。2022-7-2413看似看似“神秘神秘”的等离子体,其实是宇宙中一种常见的的等离子体,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。物质,在太阳、恒星、闪电中都存在等
6、离子体。等离子体可分为两种:等离子体可分为两种:高温和低温等离子体高温和低温等离子体。等离子体是一种很好的导电体,可以利用电场和磁场等离子体是一种很好的导电体,可以利用电场和磁场来控制等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、来控制等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间科学的进一步发展提提供了新的技术。信息、环境空间科学的进一步发展提提供了新的技术。2022-7-2414n在研究和分析气体放电时,重要的是要了解和分析气体放电中所涉及的大量粒子和它们的状态。气体放电实际上是一个复杂的粒子运动体系,所以首先要讨论气体放电中的粒子以及各种粒子间的相互作用。n气体放电过程中一般存在着
7、六种基本粒子:光子、电子、基态原子(或分子)、激发态原子(或分子)以及正离子和负离子。2022-7-24151、对等离子体的研究是从气体放电现象开始的2、其应用:离子管、气体放电灯(霓虹灯)、气体激光器和等离子体显示等方面2022-7-2416PDP的发展历史 美国是PDP的发明国。1964年美国的伊利诺斯大学的D.L.Bitzer和Slottow发明了AC-PDP;1968年,美国Burroughs公司发明了自扫描等离子体显示板(SS-PDP);同年,荷兰Philip公司研制成功直流等离子体显示板(DC-PDP);彩色PDP是利用气体放电产生紫外线(127nm)激发三基色荧光粉而实现彩色显示
8、的。1971年,具有实用价值的计算机用等离子体显示屏问世。2022-7-2417 进入80年代,美国IBM和Burrough等一些大公司相继生产了各种各样的等离子体显示器,但是当时市场没有打开,PDP驱动电压比较高(约250V),几十千Hz的交流驱动集成块没有专用的标准和大量生产,寿命短,价格高。许多公司放弃了对PDP的开拓,只有少数几家公司幸存下来,如Plasmaco公司和Photonices,Imaging公司。2022-7-2418 进入90年代,美国PDP出现了根本性的改变,PDP 的应用范围不断扩大,成本也随着大规模集成电路的发展不断下降。1992年,日本富士通公司批量生产53cm
9、VGA产品后,获得迅速发展;1996年,有6家日本公司展出了107cm PDP彩色电视机样品,日本显示界将1996年称作彩色PDP电视元年。促进PDP突飞猛进的根本原因是大屏幕壁挂和高分辨率电视HDTV的兴起。2022-7-2419 彩色PDP作为大屏幕图像显示的优势较多,如气体放电响应速度快,非线性强,具有存储特性等,这些使得PDP再成为高信息容量的显示方面独具魅力。在工艺技术上,彩色PDP用厚膜技术制作,工艺成本相对较低,需要27道工艺,与TFT-LCD需要65道工序相比大大降低生产成本。因而可以预言PDP极具竞争力。本章着重介绍气体放电物理,交流等离子体显示器的原理、制作工艺及应用和发展
10、。2022-7-24204.2 气体放电的基本性质 气体放电是指在一封闭的气体容器两端,加上一定的电压,引起气体媒质电离,产生的正负离子在电场作用下又去碰撞其他气体分子,而引起放电的现象 在气体放电器件中常充有惰性气体或金属蒸汽,器件工作时,这些气体原子部分转变为带电粒子,这些粒子对气体放电现象和器件的特性起决定性的作用2022-7-2421 在气体中的两电极间施加电压,在一定条在气体中的两电极间施加电压,在一定条件下,会产生气体辉光放电。凡是电流通过气件下,会产生气体辉光放电。凡是电流通过气体的现象即为气体放电。日光灯、体的现象即为气体放电。日光灯、PDPPDP也是利也是利用气体放电而发光的
11、。按用气体放电而发光的。按辉光放电辉光放电的外貌及微的外貌及微观过程,从阴极到阳极大致可分为观过程,从阴极到阳极大致可分为等几个区域。等几个区域。2022-7-2422电子从阴极出来立刻进入场强很大的电子从阴极出来立刻进入场强很大的区域而被电场加速,但在阴极附近电子速度很小。由于电区域而被电场加速,但在阴极附近电子速度很小。由于电子能量小于最低激发电位,还不能产生激发,因此该区域子能量小于最低激发电位,还不能产生激发,因此该区域是暗的。是暗的。该区域电子能量达到激发电位,产生一层很薄很弱的发光层。从阴极光层起的电子具有更大的能量,从阴极光层起的电子具有更大的能量,甚至超过激发几率,因此激发减少
12、,发光强度变弱。该区甚至超过激发几率,因此激发减少,发光强度变弱。该区域中,电子能量已超过电离电位,产生大量的碰撞电离,域中,电子能量已超过电离电位,产生大量的碰撞电离,雪崩放电集中在这个区域发生雪崩放电集中在这个区域发生。4 4.2.1.2.1 低压气体放电的基本特性低压气体放电的基本特性2022-7-2423进入负辉区的多数电子,经过了多次非弹性碰撞,其能量虽比电离能小,但是大于或接近激发能,从而产生许多激发碰撞,因而产生明亮的辉光。大部分电子在负辉区经历了多次碰撞损失了能量,不足以引起电离和激发,因此不发光。任何位置电子密度和正离子密度相等。放电电流主要是电子流。在不同的条件下,它可表现
13、为均匀的光柱或明暗相间的层状光柱。该区有时可以看见阳极暗区,在阳极暗区之后是紧贴在阳极上的阳极辉光。4 4.2.1.2.1 低压气体放电的基本特性低压气体放电的基本特性2022-7-24241)是一种稳态的自持放电;2)放电电压明显低于着火电压,而后者由后面谈到的帕邢定律决定;3)放电时,放电空间呈现明暗相间的、有一定分布的光区;4)严格地讲,只有正光柱部分属于等离子区,其中正负电荷密度相等,整体呈电中性;5)放电主要依靠二次电子的繁流来维持。气体导电的现象。又称气体导电。气体通常由中性分子或原子组成,是良好的绝缘体,并不导电。气体的导电性取决于其中电子、离子的产生及其在电场中的运动。加热、照
14、射(紫外线、X射线、放射性射线)等都能使气体电离,这些因素统称电离剂。一旦撤除电离剂,气体中离子很快消失,电流中止。这种完全靠电离剂维持的气体导电称为被激导电或非自持导电。4 4.2.1.2.1 低压气体放电的基本特性低压气体放电的基本特性2022-7-2425正常辉光放电区有4个明显的发光区域,即阴极光层、负辉区、正光柱区和阳极光层。阴极光层和阳极光层对发光的贡献远小于负辉区和正光柱区。负辉区的发光强度最大,但发光区域较小。正光柱区的发光区域最大,对光通量的贡献也最大。4.2.1 低压气体放电的基本特性2022-7-2426但是气体放电时,以上4个区域并不一定全部出现。当电极间距逐渐缩短时,
15、正光柱区也逐渐缩短并首先消失,然后是法拉第暗区和负辉区相继消失。当负辉区的左端与阴极重合时,放电就会停止。阴阳极之间的电位降主要发生在负辉区之前;维持辉光放电所必需的电离大部分发生在阴极暗区。也就是说,阴极位降区(包括阿斯顿暗区、阴极光层和阴极暗区)是维持辉光放电必不可少的部分。4 4.2.1.2.1 低压气体放电的基本特性低压气体放电的基本特性2022-7-24274 4.2.1.2.1 低压气体放电的基本特性低压气体放电的基本特性2022-7-2428 发光效率低,放电间距只有几十到几百纳米,日光灯的光发光效率低,放电间距只有几十到几百纳米,日光灯的光效率达效率达80 lm80 lmW W
16、,而目前,而目前PDPPDP的光效率只有的光效率只有 12 lm12 lmW W。主要是。主要是因为日光灯放电时其正光柱区长,而因为日光灯放电时其正光柱区长,而PDPPDP发光的主要贡献者是负发光的主要贡献者是负辉区,放电时,正光柱区非常短甚至消失。辉区,放电时,正光柱区非常短甚至消失。:表面放电型表面放电型ACAC型型PDPPDP存在一个分辨率的理论极限。提高分辨率就存在一个分辨率的理论极限。提高分辨率就意味着缩小放电电极间距。而从辉光放电的特性来看,当充气气意味着缩小放电电极间距。而从辉光放电的特性来看,当充气气压一定、电极间距缩小到一定数值时,在两个电极间不会形成正压一定、电极间距缩小到
17、一定数值时,在两个电极间不会形成正常的辉光放电,从而产生击穿(即打火)现象。常的辉光放电,从而产生击穿(即打火)现象。极限分辨率与充气压力成正比。充气气压越高,极限分辨率也越极限分辨率与充气压力成正比。充气气压越高,极限分辨率也越高。高。4.2.1 低压气体放电的基本特性2022-7-2429 图313表示利用正光柱部分的10英寸彩色PDP放电胞的结构及放电区的电位分布。如图中所示,若阳极部分向左移动,正光柱的长度将缩短,而负辉光部分不变。从图中还可以看出,电位下降主要发生在负辉光区以左很窄的部分,并由此基本上决定PDP的工作电压。若图中的阳极向左挪动1mm,则不会出现正光柱,对应的放电电压大
18、约为250V。此时从负辉光区发出的光可为PDP所利用。4 4.2.1.2.1 低压气体放电的基本特性低压气体放电的基本特性2022-7-2430 对于实用的对于实用的PDP来说,希望尽量降低工作电来说,希望尽量降低工作电压并设法提高画面的显示精细度。仅利用负辉压并设法提高画面的显示精细度。仅利用负辉光的设计方案,既可降低工作电压,又因为其光的设计方案,既可降低工作电压,又因为其放电胞的尺寸变小,有利于提高显示精细度,放电胞的尺寸变小,有利于提高显示精细度,显然十分理想。目前,达到实用化的显然十分理想。目前,达到实用化的PDP正是采正是采用了这种方案用了这种方案4.2.1 低压气体放电的基本特性
19、2022-7-2431 彩色PDP虽然有多种不同的结构,但其放电发光的机理是相同的。彩色PDP的发光显示主要由以下两个基本过程组成:,即隋性气体在外加电信号的作用下产生放电,使原子受激而跃迁,发射出真空紫外线(200nm)的过程;,即气体放电所产生的紫外线,激发光致荧光粉发射可见光的过程。4 4.2.2.2.2 彩色彩色PDPPDP的发光机理的发光机理2022-7-2432 下面以充有NeXe混合气体的表面放电型AC型PDP为例,来说明PDP的发光机理,见图 414。4.2.2 彩色PDP的发光机理图 4142022-7-2433 NeNeXeXe混合气体在一定外部电压作用下产生气体放混合气体
20、在一定外部电压作用下产生气体放电时,气体内部最主要反应是电时,气体内部最主要反应是NeNe原子的直接电离反应原子的直接电离反应 其中其中NeNe为氖离子。由于受到外部条件或引火单元为氖离子。由于受到外部条件或引火单元激发,气体内部已存在少量的放电粒子。其中电子被极激发,气体内部已存在少量的放电粒子。其中电子被极间电场加速并达到一定动能时碰撞间电场加速并达到一定动能时碰撞NeNe离子,使其电离而离子,使其电离而导致气体内部的自由电子增殖,同时又重复(导致气体内部的自由电子增殖,同时又重复(4 4l l)式)式反应致使形成反应致使形成电离雪崩效应电离雪崩效应。这种电离雪崩过程中会大。这种电离雪崩过
21、程中会大量产生以下的两体碰撞反应量产生以下的两体碰撞反应4.2.2 彩色PDP的发光机理2022-7-2434e+NeNe+2e(电子碰撞电离)(电子碰撞电离)(4-1)e+NeNem+e(亚稳激发)(亚稳激发)(4-2)e+XeXe+2e(电子碰撞电离)(电子碰撞电离)(4-3)其中 Nem为Ne的亚稳激发态。由于Nem的亚稳能级(l6.62eV)大于 Xe的电离能(12.127eV),寿命长达0.110ms,因此,亚稳原子Nem与Xe原子碰撞的过程为Nem+Xe=Ne+Xe+e (4-4)4 4.2.2.2.2 彩色彩色PDPPDP的发光机理的发光机理2022-7-2435 人们称此为,这
22、种反应产生的几率极高,从而提高了气体的电离截面,加速了Nem的消失和Xe原子的电离雪崩。此外,这种反应的工作电压比直接电离反应的要低,因此也降低了显示器件的工作电压。与此同时,被加速后的电子也会与Xe+发生碰撞。形成Xe的激发态:e+Xe+Xe*(2P5或或 2P6)+hv (4-5)由于Xe原子2p5,2p6能级的激发态Xe*很不稳定,极易由较高能级跃迁到较低的能级,产生逐级跃迁Xe*(2P6或或 2p5)Xe*(1s4或或 1s5)+hv(823nm,828nm)(4-6)4.2.2 彩色PDP的发光机理2022-7-2436 Xe*(1s5)与周围的分子相互碰撞,发生能量转移,但并不产生
23、辐射,即发生碰撞转移 式中,1s4是Xe原子的谐振激发能级。Xe原子1s4能级的激发态跃迁至Xe的基态时,就发生共振跃迁,产生使PDP放电发光的147nm紫外光 Ne,Xe原子的能级与发光光谱如图415所示;Penning电离反应与Xe*逐级跃迁的示意见图416。4.2.2 彩色PDP的发光机理2022-7-24374.2.2 彩色PDP的发光机理图图 4162022-7-2438(2)(2)荧光粉发光过程荧光粉发光过程 由于147nm的真空紫外光能量大,发光强度高,所以大多数PDP都利用它来激发红、绿、蓝荧光粉发光,实现彩色显示。一般称这种发光为光致发生。真空紫外光激发荧光粉发光的原理如图4
24、17所示。荧光粉是一种粉末状结晶物质,由基质和激活剂组成。通常表示为:基质:激活剂4.2.2 彩色PDP的发光机理2022-7-2439当真空紫外光照射到荧光粉表面时,一部分被反射,一部分被吸收,另一部分则透射出荧光粉层。当荧光粉的基质吸收了真空紫外光能量后,基质电子从原子的价带跃迁到导带,价带中因为电子跃迁而出现一个空穴。空穴因热运动而扩散到价带顶,然后被掺人到荧光粉中的激活剂所构成的发光中心俘获。4 4.2.2.2.2 彩色彩色PDPPDP的发光机理的发光机理图图 4172022-7-2440 例如,红粉Y2O3:Eu中的銪是激活剂,它是红粉的发光中心。没有掺杂的荧光粉基质Y2O3是不具有
25、发光本领的。另一方面,获得光子能量而跃迁到导带的电子,在导带中运动,并很快消耗能量后下降到导带底,然后与发光中心的空穴复合,放出一定波长的光。同一种基质的荧光粉,由于掺杂元素不同,构成的发光中心的能级也不同,因此产生了不同颜色的可见光。4.2.2 彩色PDP的发光机理2022-7-2441 1、气体放电的伏安特性曲线 上述发光并非凭空产生,而是必须要满足气体放电的条件。对于一定的放电胞尺寸和一定的气体压力,两电极之间要施加一定的电压。首先要使气体击穿,气体放电开始,而后要以一定的电压来维持,使上述Xe原子处于激发状态,不断发射紫外光。那么气体是如何被击穿,气体放电又是如何来维持的呢?4.2.2
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