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1、1 等 离 子 体 显 示 26.3 等离子体显示 一、什么是等离子体?被激发电离气体，达到确定的电离度，气体处于导电状态，这种状态的电离气体表现出集体行为：电离气体中每一带电粒子的运动都会影响到其他四周带电粒子，同时也受到其他带电粒子的约束。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，称这种气体状态为等离子体态。由于它的独特行为与固态、液态、气态都迥然不同，故称之为物质第四态。3固体 冰液体 水气体 水汽等离子体 电离气体温度00C1000C100000C4 等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子
2、、原子和分子。人们对等离子体现象并不生疏。在自然界里，炙热烁烁的火焰、光辉夺目的闪电、以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用的结果。对于整个宇宙来讲，几乎99.9以上的物质都是以等离子体态存在的，如恒星和行星际空间等都是由等离子体组成的。用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。5 分子或原子的内部结构主要由电子和原子核组成。在通常状况下，即固、液、气前三种物质的形态，电子与核之间的关系比较固定，即电子以不同的能级存在于核场的四周，其势能或动能不大。等离子体是由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态。一般气体温度上升时，气体粒子的热运动加剧，使粒子
3、之间发生猛烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开到1亿开，全部气体原子全部电离。电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等。这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体。6 等离子体和一般气体性质不同。一般气体由分子构成，分子之间相互作用力是短程力，仅当分子碰撞时，分子之间的相互作用力才有明显效果，理论上用分子运动论描述。在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果：等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场。电场和磁场要影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的
4、热辐射和热传导；等离子体能被磁场约束作回旋运动等。等离子体的这些特性使它区分于一般气体被称为物质的第四态。7 等离子体可分为两种：高和顺低温等离子体。等离子体可分为两种：高和顺低温等离子体。高温等离子体只有在温度足够高时发生。太阳和恒星不断地发出这种等离子体。低温等离子体是在常温下发生的等离子体（虽然电子的温度很高）。低温等离子体物理与技术阅历了一个由60年头初的空间等离子体探讨向80年头和90年头以材料为导向探讨领域的大转变，高速发展的微电子科学、环境科学、能源与材料科学等，为低温等离子体科学发展带来了新的机遇和挑战。现在，低温等离子体广泛运用于多种生产领域。例如：等离子电视，婴儿尿布表面防
5、水涂层，增加啤酒瓶阻隔性。更重要的是在电脑芯片中的蚀刻运用，让网络时代成为现实。8二、等离子显示的原理 等离子体显示器等离子体显示器(Plasma Display Panel)缩写为缩写为PDP。等等离离子子体体显显示示器器的的工工作作原原理理与与一一般般日日光光灯灯原原理理相相像：像：在在显显示示平平面面上上安安装装数数以以十十万万计计的的等等离离子子管管作作为为发发光光体体（象象素素）。每每个个发发光光管管有有两两个个玻玻璃璃电电极极、内内部部充充溢溢氦氦、氖氖等等惰惰性性气气体体，其其中中一一个个玻玻璃璃电电极极上上涂涂有有三三原原色荧光粉。色荧光粉。当当两两个个电电极极间间加加上上高高
6、电电压压时时，引引发发惰惰性性气气体体放放电电，产生等离子体。产生等离子体。等等离离子子产产生生的的紫紫外外线线激激发发涂涂有有荧荧光光粉粉的的电电极极而而发发出不同重量的由三原色混合的可见光。出不同重量的由三原色混合的可见光。每每个个等等离离子子体体发发光光管管就就是是我我们们所所说说的的等等离离子子体体显显示示器器的的像像素素，我我们们看看到到的的画画面面就就是是由由这这些些等等离离子子体体发发光光管管形形成成的的“光光点点”汇汇合合而而成成的的。等等离离子子体体技技术术同同其其它它显显示示方方式式相相比比存存在在明明显显的的差差别别，在在结结构构和和组组成成方方面面领领先一步。先一步。9
7、 由于由于PDP屏中发光的等离子管在平面中匀整分布，屏中发光的等离子管在平面中匀整分布，这样显示图像的中心和边缘完全一样，不会出现扭曲这样显示图像的中心和边缘完全一样，不会出现扭曲现象，实现了真正意义上的纯平面。由于其显示过程现象，实现了真正意义上的纯平面。由于其显示过程中没有电子束运动，不需借助电磁场进行偏转，因此中没有电子束运动，不需借助电磁场进行偏转，因此外界的电磁场也不会对其产生干扰，适于不同环境条外界的电磁场也不会对其产生干扰，适于不同环境条件下运用。件下运用。PDP是在两片玻璃板之间注入电压，产生气体及肉眼看不到的紫外线使荧光粉发光，利用这个原理呈现画面。101、沟通等离子体显示板
8、（ACPDP，1966，美国）放电气体与电极由透亮介质层相隔离，隔离层为串联电容作限流之用，放电因受该电容的隔直通交作用，需用交变脉冲电压驱动，为此无固定的阴极和阳极之分，发光位于两电极表面，且为交替呈脉冲式发光。ACPDP因其光电和环境性能优异，是PDP技术的主流。PDP的分类：11 2、直流等离子体显示板（DCPDP，1968，荷兰）放电气体与电极干脆接触，电极外部串联电阻作限流之用，发光位于阴极表面，且为与电压波形一样的连续发光。自扫描等离子体显示板（SSPDP）属于DCPDP1970，美国。123、荫罩式等离子体显示器（SMPDP）以金属荫罩代替传统的绝缘介质障壁。具有制作工艺简洁，易
9、于实现大批量生产；放电电压低，亮度高，响应频率快的优点。13等离子体显示具有以下一些特点：（1）等离子体显示为自发光型显示，有较好的发光效率与亮度。（2）适于大屏幕、高辨别率显示。（3）等离子体显示单元具有很强的非线性。（4）存储特性。（5）PDP结构上可以接受不透亮但电阻低的金属电极。（6）PDP有合适的阻抗特性。（7）响应快。PDP响应时间为数毫秒，使显示电视图像时更新像素信号不成问题。（8）刚性结构，耐振动，机械强度高，寿命长。14三、气体放电基本学问三、气体放电基本学问 平板电极间充有：平板电极间充有：氖气氖气(Ne)或氖或氖(Ne)+0.1%氩氩(Ar)混合混合气体。气体。充气二极管
10、的伏安特性充气二极管的伏安特性15 曲线AC段属于非自持放电，在非自持放电时，参与导电的电子主要是由外界催离作用（如宇宙射线、放射线、光、热作用）造成的，当电压增加，电流也随之增加并趋于饱和，C点之前称为暗放电区，放电气体不发光。16 随着电压增加，到达随着电压增加，到达C点后，放电变为自持放点后，放电变为自持放电，气体被击穿，电压快电，气体被击穿，电压快速下降，变成稳定的自持速下降，变成稳定的自持放电（图中放电（图中EF段）。段）。EF段被称为正常辉光段被称为正常辉光放电区，放电在放电区，放电在C点起先点起先发光，不稳定的发光，不稳定的CD段是段是欠正常的辉光放电区，欠正常的辉光放电区，C点
11、电压点电压Vf，称为击穿电压，称为击穿电压或着火电压、起辉电压，或着火电压、起辉电压，EF段对应的电压段对应的电压VS称为称为放电维持电压。放电维持电压。17 阴极电流密度为常数是阴极电流密度为常数是正常辉光放电的特点。正常辉光放电的特点。当放电电流更大时进入当放电电流更大时进入异样辉光放电异样辉光放电FG段，这时段，这时放电单元阻抗变大。放电单元阻抗变大。当电流进一步增大，放当电流进一步增大，放电进入弧光放电后，在电进入弧光放电后，在H点点曲线变得平坦，压降小、电曲线变得平坦，压降小、电流大是弧光放电的特点。流大是弧光放电的特点。实际的显示器件必需应实际的显示器件必需应用在正常或异样辉光放电
12、区，用在正常或异样辉光放电区，这个区域放电稳定、功耗小。这个区域放电稳定、功耗小。18静态的伏安特性分成三个状态：熄火态、过渡态和着火态。氖气产生的可见光波长范围在400-700nm，其中峰值波长为582 nm的光辐射占整个光强的35-40%，因此氖气发橙红色光。19气体放电机理 气体放电是气体中带电粒子的不断增殖过程：由外界催离作用或上一次放电残存下来的原始电子从外电场得到能量并电离气体粒子，新产生的电子又参与电离过程，使电子、离子不断增加。初始自由电子对引起放电是不行少的，为了产生稳定牢靠的放电，在实际器件中常接受附加的稳定帮助放电源。20电极间两个重要发光区负辉区：发光紧靠阴极，比正柱区
13、强。正柱区：气体放电光源常利用该区发光照明。PDP放电单元特殊之处在于放电间隙小，因此，放电常常不能显现正柱区而只利用了负辉区的发光。维持放电的基本过程都在阴极位降区，电极间压降几乎都集中在这里，限制放电气压、电压和间隙大小可确定是负辉区还是正柱区发光为主。负辉区内电场较弱，自由电子不具备足够的能量使多数气体原子电离，但能使经过该区的多数气体原子的能量从基态跃迁到激发态，这些激发态寿命只有10-8s，当原子复原到基态时，这些能量的全部或部分便以光子形式释放出来。21四、单色等离子体显示四、单色等离子体显示 1.基本结构基本结构2.Ne-Ar混合气体在确定电压下产生混合气体在确定电压下产生气体放
14、电，气体放电，放射出放射出582nm橙色光。橙色光。图6-31 AC-PDP和DC-PDP结构比较22DC-PDP由于无固有的存储特性，全靠刷新方式工作，因此亮度比较低，目前已不大流行。AC-PDP用电容限流，其电极通过介质薄层以电容的形式耦合到气隙上，因此只能工作在沟通状态，它没有电极溅射的问题，寿命很长。它有固定的存储特性，所以亮度可以做得很高，是目前等离子体显示技术的主要发展方向。23图6-32 单色AC-PDP的典型结构在研磨过的两块平板玻璃上用光刻或真空镀膜的方法制作电极，矩阵型的条形电极彼此正交，交点处构成一个放电单元。电极材料接受金、银、铬合金或透亮的氧化锡。AC-PDP的介质层
15、材料、厚度对显示质量和放电的稳定性都有较大的影响。通常在电极表面沉积一层约10um-50um的介质层。在介质表面沉积一层MgO疼惜层。两块玻璃的间隙约为80um-120um，经密封、排气、烘烤后冲入Ne-Ar混合气。242.工作原理工作原理 图 6-33 AC-PDP的维持、书写和擦除脉冲工作方式25 （1）当当放放电电单单元元的的电电极极加加上上比比着着火火电电压压Vf低低的的维维持电压持电压VS时，单元中气体不会着火。时，单元中气体不会着火。假假如如在在维维持持电电压压间间隙隙加加上上幅幅度度高高于于Vf的的书书写写电电压压Vwr，单单元元将将放放电电发发光光，放放电电形形成成的的电电子子
16、、离离子子在在电电场场作作用用下下分分别别向向该该瞬瞬时时加加有有正正电电压压和和负负电电压压的的电电极极移移动。动。由由于于电电极极表表面面是是介介质质，电电子子、离离子子不不能能干干脆脆进进入入电电极极而而在在介介质质表表面面累累积积起起来来，形形成成壁壁电电荷荷，在在外外电电路路中中，壁壁电电荷荷形形成成与与外外加加电电压压极极性性相相反反的的壁壁电电压压，这这时时，放电空腔上的电压为外加电压和壁电压之和。放电空腔上的电压为外加电压和壁电压之和。26图 6-33 AC-PDP的维持、书写和擦除脉冲工作方式27 （2）放电空腔上的电压将小于维持电压，使放电空间电）放电空腔上的电压将小于维持
17、电压，使放电空间电场减弱，致使放电单元在场减弱，致使放电单元在26us内渐渐停止放电。因为介质内渐渐停止放电。因为介质电阻很高，壁电荷会不衰减地保持下来。电阻很高，壁电荷会不衰减地保持下来。当反向的下一个维持电压脉冲到来时，上一次放电形当反向的下一个维持电压脉冲到来时，上一次放电形成的壁电压与此时的外加电压同极性，叠加电压峰值大于成的壁电压与此时的外加电压同极性，叠加电压峰值大于Vf，单元再次着火发光并在放电腔的两壁形成与前半周期，单元再次着火发光并在放电腔的两壁形成与前半周期极性相反的壁电荷，并再次使放电熄灭直到下一个相反极极性相反的壁电荷，并再次使放电熄灭直到下一个相反极性的性的 脉冲的到
18、来脉冲的到来。因此，单元一旦由书写脉冲电压引燃，只须要维持电因此，单元一旦由书写脉冲电压引燃，只须要维持电压脉冲就可维持脉冲放电，这个特性称为压脉冲就可维持脉冲放电，这个特性称为AC-PDP单元的存单元的存储特性。储特性。28图 6-33 AC-PDP的维持、书写和擦除脉冲工作方式29 （3）要使已放电的单元熄灭，只要在下一个维持电压脉冲到来前给单元加一窄幅（脉宽约1us）的放电脉冲，使单元产生一次微弱放电，将储留的壁电荷中和，又不形成新的反向壁电荷，单元将中止放电发光。（4）PDP单单元元虽虽是是脉脉冲冲放放电电，但但在在一一个个周周期期内内它它发发光光两两次次，维维持持电电压压脉脉冲冲宽宽
19、度度通通常常510us，幅幅度度90100V，主主要要工工作作频频率率范范围围3050kHz，因因此此光光脉脉冲冲重重复复频频率率在在数数万万次次以以上上，人人眼眼不不会会感感到到闪闪烁烁。以以上上工工作作方式为方式为AC-PDP的存储模式。的存储模式。303.AC-PDP的驱动的驱动 由驱动电路、显示限制电路和电源组成。由驱动电路、显示限制电路和电源组成。31x、y方向驱动电路可接受专用集成块，在限制电路的限制下产生PDP所须要的维持、书写和擦除脉冲，扫描部分工作在浮地上。显示限制电路以单片微处理器为核心，在系统软件的协调下，供应驱动限制电路所须要的各种信号。电源部分供应整个系统所需的多组电
20、压，并依据驱动限制电路供应的信号产生一个合适的复合波形作为显示屏的浮地信号。“地”是电子技术中一个很重要的概念。“地”的分类与作用有多种。“接地”有设备内部的信号接地和设备接大地，两者概念不同，目的也不同。“地”的经典定义是“作为电路或系统基准的等电位点或平面”。浮地，即该电路的地与大地无导体连接。（虚地:没有接地，却和地等电位的点。）其优点是该电路不受大地电性能的影响。浮地可使功率地（强电地）和信号地（弱电地）之间的隔离电阻很大，所以能阻挡共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰。其缺点是该电路易受寄生电容的影响，而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰。一个折衷方案是在浮地与公共地之间跨
21、接一个阻值很大的泄放电阻，用以释放所积累的电荷。留意限制释放电阻的阻抗，太低的电阻会影响设备泄漏电流的合格性。33整个系统除扫描电路及扫描限制电路工作在浮地外，其余均工作在系统地上。驱动电压的幅度对显示器亮度有影响，但曲线比较平缓且很快趋于饱合。驱动电压的频率对亮度影响很大，在确定范围内跟亮度有线性关系，因为频率越高，单位时间内发光的次数增多。但频率高时PDP功耗也增加，器件的温升明显，现在最高的维持频率一般在60kHz。34单色PDP单元中，氖气放电只能产生橙红色单色光，不能产生多色或全色显示的彩色光。彩色PDP中，利用气体放电产生的电子或紫外光激发低压荧光粉或光致发光荧光粉发出彩色光，实现
22、彩色图像显示。目前，彩色PDP主要接受紫外光激发发光的方式。五、彩色等离子体显示 35对向放电式AC-PDP表面放电式AC-PDP两种实现彩色显示的沟通PDP36对向放电式AC-PDP与单色结构相同，两个电极分别在相对放置的底板上，在MgO层上涂覆荧光粉，当等离子体放电时，荧光粉受离子轰击会使发光性能变差，因此难以好用化。表面放电式AC-PDP避开了上述缺点，显示电极位于同一侧的底板上，放电也在同侧进行。现在上市的大多数商品都接受表面放电式结构，是彩色PDP的主流技术。37等离子体显示板可工作在刷新工作方式或存储工作方式。刷新工作方式一行显示单元被按依次点亮时，前面各行已不再发光，这样，显示板
23、的平均亮度随着显示板行数增加而成比例地下降，因此，刷新方式只适于扫描行数少于100行的中小容量显示板。存储工作方式：当一行显示单元被书写时，其他行的显示信号仍被保持，单元在一帧时间内持续发光，显示板的亮度比刷新方式高得多。38PDP一一般般接接受受时时间间调调制制技技术术实实现现有有灰灰度度层层次次的的图图像像显示。显示。放电单元的时间调制技术通常接受放电单元的时间调制技术通常接受“子场扫描法子场扫描法”。3916级灰度的显示：将一帧时间分成4个子场，每个子场都由写入脉冲、维持脉冲和熄火脉冲组成，写入脉冲使放电单元发光，而4个子场的维持脉冲数各不相同，脉冲数与1，2，4，8之比成比例，即K子场的发光时间是K+1子场发光时间的一半，单元相应的平均亮度也减半。当在帧周期内选用不同子场波形驱动时，单元发光时间长短有别，一帧时间内被寻址4次，由4个子场组合可得24即16种不同的发光时间，对应单元有16种不同的平均亮度。40如一帧周期内包含8个子场，它们具有的维持脉冲数与1，2，4，8，16，32，64，128之比成比例，用这种波形扫描显示单元，可得到256级灰度的图像显示。