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1、光电子技术(2)(光电子发光与显示技术),6 场致发射显示（FED）,光电子技术精品课程,Comparison between CRT and FED.Both displays are vacuum displays and have phosphors on the face plate.,1.什么是场致发射显示,光电子技术精品课程,定义：场发射显示器（FED），即场致发射阵列平板显示或称为真空微尖平板显示器（MFD)，是一种新型的自发光平板显示器件。,光电子技术精品课程,FED的结构,组成：场发射阵列阴极（FEAC)和显示荧光屏示意图：,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,Field
2、 Emission Display,Gate,Cathode,Anode,e,e,e,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,On Nov.23,1999 PixTech,Inc.announced the delivery of the first 12.1-inch Field Emission Display(FED)to the U.S.Army,First Delivery of 12.1”FED,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,FED的优点：图像质量好、视角宽（1800）功耗
3、低（13w）、寿命长无偏转线圈，无X射线辐射响应速度快（2 us）体积小，重量轻工作温度范围宽制作工艺比较简单（与LCD及其它FPD比）总之，FED集中了CRT和LCD的优点，摒弃了它们的缺点，性能优良，极具竞争力的新一代显示器。,光电子技术精品课程,Compare of Different Display,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,FED的应用领域：6英寸的FED，替代CRT,作头盔显示可以放在武器上作定位显示器摄像器上的取景器汽车的导航系统显示终端电子照相机的显示器仿真技术方面便携式计算机显示屏用作可视电话的显示器 FED主要用途在军事领域方面,光电子技术精品课程,1961年
4、，Shouledrs.K.R提出用场发射电子源的纵向和横向真空微电子三极管的概念1968年，斯坦福研究所的Spindt.C.A，利用薄膜技术和微电子工艺研制成钼微尖锥场发射阵列阴极。1985年，Meyer.R，微尖锥型阴极的矩阵选址阴极发光平板显示器1988年，美国首届国际真空微电子学会议，标志真空微电子学的正式诞生1989年，单色FED研制成功1997年，全色FED研制成功2001年，Sony公司13.2英寸全色FED2004年，彩色40英寸碳纳米管FED样机2005年，彩色36英寸SED电视展示,2.发展简史,光电子技术精品课程,Field Emission Display(or Fiel
5、d Effection Display)所谓电子发射是指电子从阴极逸出进入真空或其它气体媒质中的过程。所有物体都含有大量的电子，常态下不逸出物体，当电子获得足够的能量，足以克服阻碍其逸出物体表面的力时，便产生了电子发射。电子发射按照其获得外加能量的方式，即电子的受激发方式分为以下四种：热电子发射，光电子发射，次级电子发射及场致电子发射。热电子发射：电子靠加热物体提供能量，当温度升高，电子的无序热运动的能量随之增大，直致电子能够克服阻碍它逸出固体表面的阻力而逸出物体的发射；光电子发射：即外光电效应，与电子没有逸出物体表面的内光电效应有区别，电子靠光辐射吸收光量子能量而逸出物体产生的发射；次级电子
6、发射：外界获得能量的电子穿入物体内部，把能量传递给物体内部的电子，使之逸出的发射方式；场致电子发射：也称自电子发射、冷发射，在物体表面加强电场以削弱阻碍电子逸出物体的力，利用隧道效应而产生的发射。,3、FED的场发射理论,光电子技术精品课程,场致电子发射现象是在强外加电场作用下固体表面发生的发射电子的现象。它与热电子发射、光电子发射和二次电子发射的不同之处在于：热电子、光电子和二次电子的发射是由于固体内部电子获得外部给予的能量而被激发、当被激发的电子具有高于表面逸出势垒的动能时就逸出固体表面的电子发射，场致电子发射是利用加在物体表面的强电场束削弱阻碍电子逸出物体的力，并利用隧道效应使固体向真空
7、发射出电子，由于外加强电场使表面势垒高度降低，宽度变窄，电子穿透势垒的几率增加，因而发射电流随之迅速增加，其电子主要来自费米能级附近较窄范围的能带上。,光电子技术精品课程,3.1电子发射与表面势垒,金属能带如图所示，费米能级在导带中，因此即使在低温下，金属中的电子也是可以自由运动的。从金属的费米能级激发一个电子跃迁到真空能级所需要的能量称为逸出功，这是表征金属发射电子能力的一个重要参数。,电子发射,光电子技术精品课程,根据固体物理原理，金属内部的电子可以在由原子核组成的周期势场中自由的运动，即金属内部各处电子的位能可以近似的认为是均匀相同的。在金属和真空的界面外，金属结构的周期性受到破坏，表面
8、每个晶胞都将具有偶极矩，对欲逸出的电子产生吸引力。金属表面附近电子所受的阻力是复杂的，但当电子距离金属表面大于1nm后，可将金属表面看成是光滑的良导体，电子所受的力可用镜像力来描述。因此，电子在由金属逸出的过程中，宏观地看到克服两部分力对它所做的功：（1）金属表面外的“电子云”层与晶格表面离子层构成的偶电层对经过电子所做的功；（2）电子受到的镜像力（即将电子拉回金属表面的作用力）,光电子技术精品课程,电子在金属表面逸出过程中所受的作用力与金属表面势垒分布如上图。逸出功的严格定义是：在T=0K的金属中，为了使具有最大能量的电子克服表面势垒逸出表面，所必须给予电子的最小能量；上图中：x0是偶电层的
9、厚度；xm是镜像力和外场作用力-eE的平衡位置,光电子技术精品课程,不同外电场强度下，金属表面势垒形状变化如上图，曲线a为无外电场时的势垒形状，无场致发射产生；曲线b为外电场达108V/cm时的势垒形状，此时隧道效应起到主要作用，出现可观的场致发射电流；曲线c为外电场极强，势垒高度已经低于金属的费米能级，这时场致发射与热电子发射都变得十分明显，由于外加电场太强，实际中很难实现，往往未达到这种电场时已经被击穿。,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子
10、技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,An electron at an energy E i is free to move inside the solid.When it reach the surface it tries to move away and out of the surface.The solid then lacks a negative charge and the resulting Cou
11、lomb force attracts the electron back into the solid.The potential energy is Fs.If an applied electric field directed toward the emitting surface.The electron will experience an additional potential energy.FeThe total potential energy is Ft.,Ec,Ef,Ei,Fm,Fs(x),Ft(x),Fe(x),+,-,F(x),Field Emission,光电子技
12、术精品课程,光电子技术精品课程,Simply summing up the energies graphically yields the qualitative energy curve for an electron at the edge of a crystal as shown below.,光电子技术精品课程,Lets look at the extremes of the Schottky effect.For really high field strengths the potential barrier gets even lower and thinner,it may
13、look somewhat like this:,光电子技术精品课程,为了获得可利用的场致发射电流，阴极表面必须有相当高的加速电场强度。,如何获得如此高的场强呢？,联想到“尖端放电”！只要将场致发射体（阴极）做成曲率半径很小的针尖。,电场强度E可以用以下经验公式估算：,光电子技术精品课程,要实现显示器件的平板化，必须去掉传统CRT显示器的聚焦偏转部分。,场致发射显示器（FED）基本模型已建立。,光电子技术精品课程,The cathode/backplate is a matrix of row and column traces.Each crossover lays the foundati
14、on for an addressable cathode emitters.Each crossover has up to 4,500 emitters,150 nm in diameter.This emitter density assures a high quality image through manufacturing redundancy,and long-life through low operational stress.,Cathode,光电子技术精品课程,Emitters generate electrons when a small voltage is app
15、lied to both row(base layer)and column(top layer).,Emission,光电子技术精品课程,Pixels,Faceplate picture elements(pixels)are formed by depositing and patterning a black matrix,standard red,green,and blue TV phosphors and a thin aluminum layer to reflect colored light forward to the viewer.,光电子技术精品课程,Focusing
16、Grid,A focusing grid is layered on the cathode,collimating electrons to strike the corresponding subpixel,ensuring color purity and power efficiency,光电子技术精品课程,Thin CRT Assembly,Thin CRT is completed when cathode and faceplate are aligned,sealed and driver electronics are attached.Total display thick
17、ness is less than 8 millimeters.,光电子技术精品课程,4.微尖发射材料及阵列制作,微尖发射材料的选择对于场致发射显示是非常重要的：微尖型场发射阵列有两种材料：钼微尖和硅微尖，这两种材料比较容易制造，而且其逸出功较低、耐溶性高等优点近年来，纳米技术的发展，像碳纳米管等碳材料具有低逸出、硬度大、化学稳定以及高的热传导、容易制作等优点被用来作为高性能的微尖材料。,4.1微尖发射材料,光电子技术精品课程,Field Emission Display,Mo or Si tips are used for the cathode materials.ProblemsDiff
18、icult ProcessLimited Lifetime Chemical reaction with residual gasesBack sputtering,Search for New Cathode Materials,光电子技术精品课程,Metal Tips,光电子技术精品课程,Metal Tips,光电子技术精品课程,I-V of Metal Tip,Typical field emission characteristics of the FEA pixel with an area of 240 mm x 240 mm containing 1.4x10 6 tips:,光
19、电子技术精品课程,Si and DLC Coated Si Tips,光电子技术精品课程,Carbon Nanotube,Carbon nanotubes are known for their superior mechanical strength and low weight,good heat conductance,varying electronic properties.Their ability to emit a cold electron at relatively low voltages due to high aspect ratios and nanometer s
20、ize tips.Therefore,carbon nanotubes can be applied to field emitters for flat panel displays,光电子技术精品课程,I-V of Carbon Nanotube Tip,光电子技术精品课程,GaN Tips,A GaN field emitter is expected to exhibit a high emission current and a long lifetime,because it has the low electron affinity as well as high chemica
21、l and mechanical stability.,光电子技术精品课程,GaN tips,光电子技术精品课程,I-V of GaN Tips,光电子技术精品课程,4.2场发射阵列阴极（FEAC),光电子技术精品课程,How the FEA works,光电子技术精品课程,根据使用的材料不同，主要有四种FEAC：1、钼锥薄膜场发射阴极（Spindt型阴极）,光电子技术精品课程,制作工艺流程：Si基底氧化光刻蒸发Mo膜光刻栅极沉积收缩栅孔材料（Al、Al2O3、Ni、Cu等）垂直蒸发MoMo尖锥形成刻蚀收缩栅孔材料尖锥阴极,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,根据场发射理论（Fowle-N
22、ordheim公式）,光电子技术精品课程,栅极的驱动特性如图所示,光电子技术精品课程,2、硅尖锥型阴极类似Spindt型阴极，差异在材料和制作工艺上。工艺流程：Si氧化 SiO2刻蚀图形刻蚀Si Si氧化沉积SiO2和金属栅Si尖阴极,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,注意：SiO2是在Si（100）晶面氧化而成，氧化时温度要均匀腐蚀过程中，存在着温度变化，需要超声震荡腐蚀过程中，多加培片,光电子技术精品课程,3、非晶态金刚石薄膜型阴极AD膜,类金刚石薄膜,玻璃,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,4、混合型及改进型在前两种微尖锥阴极表面再沉积一层低功函数的材料薄
23、膜，如Cs、Ta、Pd、Pt/Ta类金刚石或掺磷金刚石等。可以降低发射尖锥的表面逸出功，提高发射能力，降低栅极电压，增强抗中毒能力改进：减小栅极孔径，改善栅极及尖锥现状，降低控制电压，提高发射电流和耐用性,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,索尼Spindt式FED,物理分辨率1280960，亮度400cd/m2，对比度20000：1，像素点距0.306mm,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,4.3 其它的新型FED阴极,1.碳纳米管阴极（CNT）2.弹道电子表面发射阴极（BSD）3.表面传导发射阴极（SED）4.MIM阴极,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程
24、,1 碳纳米管阴极（CNT）,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,弹道电子表面发射型（BSD）显示原理是用含有纳米硅结晶的多孔多晶硅层以及表面氧化层制成阴极，当外加电压时，阴极电子注入多孔性多晶硅层，并且进入微结晶之间，得到更高的能量从氧化层表面释放出，并在加速电压作用下撞击磷光粉发光。,2 弹道电子表面发射阴极（BSD）,光电子技术精品课程,3 表面传导发射阴极（SED）,表面传导发射显示（surface conduction electron-emitter display，SED）属于薄膜场致发射显示，其特点是发射电子的阴极与栅极在同一个平面内，制造工艺相对简单。,光电子技术精品课程
25、,电子源横向发出电子，穿越两个电极之间形成的非常窄的间隙。电极之间的这个间隙虽然小，只有数个纳米数量级，但仍是真空间隙，需要施加一定的电位才能将电子从一个电极提取出来，并穿过真空隧道屏障到达另外一个电极。穿越电极空隙的电子流遵循Fowler-Nordheim定律，因此具有高度非线性，并允许后文要讨论到的矩阵可寻址方式。,光电子技术精品课程,穿越间隙并撞击对面电极的电子要么被吸收进对面电极(因此只产生热量，不发光)，要么被散射出来，再被阳极电位建立的电场所捕获，并加速撞击某个精确荧光点，从而产生红、绿或蓝光点。这种组合式电子发射加电子束散射过程如图7所示，其中Va代表阳极电位，Vf是跨越间隙的驱
26、动电位。,光电子技术精品课程,SED电视技术原理 由佳能与东芝联合开发的SED是Surface Conduction Electron Emitter Display的缩写，中文解释为表面传导电子发射显示技术，在目前的FED体系中最接近商品化，属于“场发射显示”FED中的一类。其计划推出的第一代50英寸的SED电视机，其解析度可达到Full HD级（19201080）。不仅如此，东芝还将为未来的家庭设计“SED电视HD DVD”的模式，将基于蓝光技术的HD DVD影碟机与SED电视“捆绑”起来，提前进入“1080p”的高清时代。,光电子技术精品课程,SED显示原理 与其它平板显示器的不同，SE
27、D制作了采用传统晶体管的光刻工艺和液晶电视制作工艺，即先用光刻法在底层基板上制造出电极，然后以喷墨技术同时生成一批PdO象素膜，再施加“通电成形处理”。这种工艺比只用喷墨技术形成的单元模的均匀性好。只用喷墨技术时一边要控制厚度等误差，同时还要抑止象素膜上形成的龟裂大小误差，较难操作精确。比起生产碳纳米管工艺技术，SED要简单得多。佳能、东芝公司的SED技术结构大致如下：在两层玻璃基板之间时是真空，前玻璃基板内侧制作有均匀排列的红、绿、蓝三色荧光粉像素点，并涂镀金属膜，形成阳极板；后玻璃基板内侧制作有荧光粉点对应的电极单元组，单元组中相邻的一对单元互相隔离，表面覆有称为“点子放出素子膜”的材料，
28、这种材料很容易发射电子束。当相邻电极单元间加上10几伏的电压后，由于二电极单元之间仅有纳米级的微小距离，因而其间电场较强，由于隧道效应作用使“点子放出素子膜”表面发射出电子；而电子发射后，却会被加有更高电压的上玻璃基板所吸引而形成“点子线”在电场吸引下使电子飞向上基板，打击荧光粉素而发光。这也是SED与其它的场致发射显示器（FED）的区别所在,光电子技术精品课程,SED性能优异SED的显示性能兼顾CRT与液晶技术所长，画质超越液晶和等离子电视。1、对比度高。SED的解析力如同液晶电视，而色彩、对比度层次的表现则胜过高级的CRT电视。与等离子和液晶电视比，暗室对比度高达8600：1（等离子最高为
29、5000：1，液晶仅为600：1）。在今年“2005东京平板显示器展”会上，佳能与东芝展示的SED电视对比度又有新的突破，对比度竟高达100000：1，比以前提高了十多倍，这应该是目前显示器对比度参数的顶峰了！SED与CRT显示原理对比 2、具有CRT的一切优点。SED电视的响应速度和CRT电视相当，动态画面全然没有残影；显示像素采用等间距均匀分布，画面无几何失真，不需要电子束扫描，不会产生闪烁和聚焦不良；其色彩表现力也和CRT一样，色彩、色温的准确性很高。初期试SED显示器样品，可实现每通道10位色（可显示10.7亿色彩），并可增加到每通道11-12位色的高水准。SED与LCD和PDP性能比
30、较 3、具有平板电视的一切优势。,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,4 MIM阴极,光电子技术精品课程,各种FED平面显示器的动作原理与特性,光电子技术精品课程,1.支撑结构的必要性 3”以上尺寸FED器件：小尺寸FED器件：FED真空条件下，压力为10吨/平方米,5.阳极支柱,光电子技术精品课程,制作工艺材料采用耐高温、高绝缘性的聚酰亚胺（Polymide）PI膜制作工艺：（室温21，相对湿度28）将硅片浸入胶液，垂直取出，直至胶液不下滴将硅片水平放置，让溶剂均匀挥发水平放入80洁净烘箱，进行不完全前烘重复上述步骤，获得足够厚度的PI膜水平放入120烘箱，烘1h置入
31、300炉管中，亚胺化1.5h，炉管通N2气,光电子技术精品课程,1、贴近聚焦结构的FED：是一种实用场发射彩色平板显示器件，其中单个发射阵列结构剖视图如图所示,6.实用的彩色FED,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,屏的分辨率随着象素尺寸变化还与阴极屏的距离有关,光电子技术精品课程,束宽度于阴屏间距的关系,光电子技术精品课程,2、通断屏结构的FED屏由三组隔开而不是紧邻的R、G、B粉条带组成，同种颜色的彩条互连,光电子技术精品课程,3、膜孔聚焦结构的FED在贴近聚焦结构中附加了一绝缘金属层作为聚焦电极,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,4、同轴聚焦结构的FED在
32、贴近聚焦结构的栅极平面内加一同轴聚焦电极构成聚焦极截获电流极小，驱动电压比贴近聚焦结构高，,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,FED使用的荧光粉是在低电压（300V10kV），大电流密度（100mA/cm2)电子束激发下工作，属于低压阴极射线发光荧光粉。但是，色饱和度差，转换效率低，亮度和寿命不尽人意。借鉴传统的CRT荧光粉，加以改进。下表给出了目前使用的几种红、绿、蓝荧光粉的主要性能。注：表中的流明效率是在400V，75mA/cm2，1/240占空比情况下测得,7.FED使用的荧光粉,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,可能存在的问题1、显示
33、图像亮度的均匀性亮度不均匀可能与下面的结构特性有关发射尖锥头曲率一致性差门孔电极半径大小的一致性差FEA与阳极（荧光屏）间距的一致性差阵列电极引线电阻引起的图像亮度不均匀,8、存在的问题及展望,光电子技术精品课程,2、去气、排气、消气FED真空内的体积与面积之间的比例关系远小于CRT器件，排气时内部真空度下降严重，管阻大，没有多余的空间安排消气剂。通过优化器件结构设计，改进工艺技术和工艺设备的途径加以解决3、封接技术由于FED采用选址型器件，利于条形电极引出，真空密封造成困难，107Pa下，引线与低玻是否浸润有待解决,光电子技术精品课程,展望可以应用在壁挂电视、微显示（MDT)等领域微显示（MDT):摄录仪录相仪(CVF)头盔显示(HMD)虚拟现实头盔(VRH),光电子技术精品课程,虚拟现实主要应用于以下几个方面：仿真模拟虚拟原型遥控操作和遥控显示建筑设计游戏历史建筑物的重建艺术,光电子技术精品课程,作业：1.什么是场致发射显示技术？2.什么是逸出功?3.列举四种新型的FED显示器，并就其中一种进行原理解释。,
