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1、光电子技术学课件之十八光电子技术学课件之十八：等离子体显示等离子体显示 制作者：制作者：赣南师范学院物理与电子信息学院：赣南师范学院物理与电子信息学院：王形华王形华 16.3 等离子体显示等离子体显示 一、一、什么是等离子体什么是等离子体?所谓等离子体就是被激发电离气体，达到所谓等离子体就是被激发电离气体，达到一定的电离度一定的电离度，气体处于导电状态，这种状态气体处于导电状态，这种状态的电离气体就表现出集体行为，即电离气体中的电离气体就表现出集体行为，即电离气体中每一带电粒子的运动都会影响到其周围带电粒每一带电粒子的运动都会影响到其周围带电粒子，同时也受到其他带电粒子的约束。由于电子，同时也
2、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，也就是离气体整体行为表现出电中性，也就是电离气电离气体内正负电荷数相等体内正负电荷数相等，称这种气体状态为，称这种气体状态为等离等离子体态子体态。由于它的独特行为与固态、液态、气。由于它的独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故称之为态都截然不同，故称之为物质第四态物质第四态。2固体 冰液体 水气体 水汽等离子体 电离气体温度00C1000C100000C3 看似看似“神秘神秘”的等离子体，其实是宇宙中的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的在等
3、离子体，它占了整个宇宙的99。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。等等离离子子体体是是一一种种很很好好的的导导电电体体，可可以以利利用用电电场场和和磁磁场场产产生生来来控控制制等等离离子子体体。等等离离子子体体物物理理的的发发展展为为材材料料、能能源源、信信息息、环环境境空空间间科科学学的的进一步发展提新的技术和工艺。进一步发展提新的技术和工艺。4 低低温温等等离离子子体体物物理理与与技技术术经经历历了了一一个个由由60年年代代初初的的空空间间等等离离子子体体研研究究向向80年年代代和和90年年代代以以材材料料为为导导向向研研究究领领域域的的大大转转变
4、变，高高速速发发展展的的微微电电子子科科学学、环环境境科科学学、能能源源与与材材料料科科学学等等，为为低低温温等等离离子子体体科科学学发发展展带带来了新的机遇和挑战。来了新的机遇和挑战。现现在在低低温温等等离离子子体体广广泛泛运运用用于于多多种种生生产产领领域域。例例如如：等等离离子子电电视视，婴婴儿儿尿尿布布表表面面防防水水涂涂层层，增增加加啤啤酒酒瓶瓶阻阻隔隔性性。更更重重要要的的是是在在电电脑脑芯芯片片中中的的蚀蚀刻刻运运用用，让让网络时代成为现实。网络时代成为现实。5二、二、等离子显示的原理等离子显示的原理 等离子体显示器等离子体显示器(Plasma Display Panel)缩写为
5、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似似，它它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、内内部部充充满满氦氦、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色荧荧光光粉粉。当当两两个个电电极极间间加加上上高高电电压压时时，引引发发惰惰性性气气体体放放电电，产产生生等等离离子子体体。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出不不同同分分量量的的
6、由由三三原原色色混混合合的的可可见见光光。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”汇汇集集而而成成的的。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差别，在结构和组成方面领先一步。的差别，在结构和组成方面领先一步。6 在技术性能上，由于在技术性能上，由于PDP屏中发光的等离子管在屏中发光的等离子管在平面中均匀分布，这样显示图像的中心和边缘完全一平面中均匀分布，这样显示图像的中心和边缘完全一致，不会
7、出现扭曲现象，实现了真正意义上的纯平面。致，不会出现扭曲现象，实现了真正意义上的纯平面。由于其显示过程中没有电子束运动，不需借助电磁场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，因此外界的电磁场也不会对其产生干扰，进行偏转，因此外界的电磁场也不会对其产生干扰，适于不同环境条件下使用。适于不同环境条件下使用。简单地说，简单地说，PDPPDP是在两片玻璃板之间注入电压，产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。因其可以挂在墙上，故又称壁挂式个原理呈现画面。因其可以挂在墙上，故又称壁挂式电视
8、。电视。71、交流等离子显示板交流等离子显示板（ACPDP，1966，美国）美国）放放电电气气体体与与电电极极由由透透明明介介质质层层相相隔隔离离，隔隔离离层层为为串串联联电电容容作作限限流流之之用用，放放电电因因受受该该电电容容的的隔隔直直通通交交作作用用，需需用用交交变变脉脉冲冲电电压压驱驱动动，为为此此无无固固定定的的阴阴极极和和阳阳极极之之分分，发发光光位位于于两两电电极极表表面面，且且为为交交替替呈呈脉脉冲冲式式发发光光。ACPDP因因其其光光电电和和环环境境性能优异，是性能优异，是PDP技术的主流。技术的主流。PDP的的分类：分类：8 2、直直流流等等离离子子体体显显示示板板（DC
9、PDP，1968，荷兰荷兰）放放电电气气体体与与电电极极直直接接接接触触，电电极极外外部部串串联联电电阻阻作作限限流流之之用用，发发光光位位于于阴阴极极表表面面，且且为与电压波形一致的连续发光。为与电压波形一致的连续发光。自自扫扫描描等等离离子子体体显显示示板板（SSPDP）属属于于DCPDP1970，美国美国。93、SMPDP以以金金属属荫荫罩罩代代替替传传统统的的绝绝缘缘介介质质障障壁壁。具具有有制制作作工工艺艺简简单单，易易于于实实现现大大批批量量生生产产；放放电电电压低，亮度高，响应频率快的优点。电压低，亮度高，响应频率快的优点。10等离子体显示具有以下一些特点：等离子体显示具有以下一
10、些特点：（1）等等离离子子体体显显示示为为自自发发光光型型显显示示，有有较较好的发光效率与亮度。好的发光效率与亮度。（2）适于大屏幕、高分辨率显示。）适于大屏幕、高分辨率显示。（3）等离子体显示单元具有很强的非线性。）等离子体显示单元具有很强的非线性。（4）存储特性。）存储特性。（5）PDP结结构构上上可可以以采采用用不不透透明明但但电电阻阻低低的金属电极的金属电极。11 （6）PDP有合适的阻抗特性。有合适的阻抗特性。（7）响响应应快快。PDP响响应应时时间间为为数数毫毫秒秒，使使显示电视图像时更新像素信号不成问题。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，）刚
11、性结构，耐振动，机械强度高，寿命长。寿命长。12三三、气体放、气体放电电基本知基本知识识 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)混混合合气体。气体。充电二极管的伏安特性充电二极管的伏安特性13 曲线曲线AC段属于非自持放电段属于非自持放电，在非自持放电时，在非自持放电时，参加导电的电子主要是由外界催离作用（如宇宙射参加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，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，电流也随之增加并趋于饱和，C点之前称为点之前称为暗放电区，暗放电区，放电气体不
12、发光。放电气体不发光。随着电压增加，到达随着电压增加，到达C点后，放电变为点后，放电变为自持放电自持放电，气体被击穿，电压迅速下降，变成稳定的自持放电气体被击穿，电压迅速下降，变成稳定的自持放电（图中（图中EF段），段），EF段被称为段被称为正常辉光放电区正常辉光放电区，放电，放电在在C点开始发光，不稳定的点开始发光，不稳定的CD段是段是欠正常的辉光放欠正常的辉光放电区电区，C点电压点电压Vf，称为称为击穿电压或着火电压、起辉击穿电压或着火电压、起辉电压，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。14阴极电流密度为常数是正常辉光放电的特点。阴极电流密度为常数是正
13、常辉光放电的特点。当放电电流更大时进入异常辉光放电当放电电流更大时进入异常辉光放电FG段，段，这时放电单元阻抗变大。这时放电单元阻抗变大。当电流进一步增大，放电进入弧光放电后，当电流进一步增大，放电进入弧光放电后，在在H点曲线变得平坦，压降小、电流大是弧光点曲线变得平坦，压降小、电流大是弧光放电的特点。放电的特点。实际的显示器件必须应用在正常或异常辉光实际的显示器件必须应用在正常或异常辉光放电区，这个区域放电稳定、功耗小。放电区，这个区域放电稳定、功耗小。15三个状态：三个状态：熄火态、过渡态和着火态熄火态、过渡态和着火态。氖气产生的可见光波长范围在氖气产生的可见光波长范围在400-700nm
14、，其中峰值波长为其中峰值波长为582 nm的光辐射占整个光强的光辐射占整个光强的的35-40%，因此氖气发橙红色光。，因此氖气发橙红色光。16四、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混合气体在一定电压下产生气体放混合气体在一定电压下产生气体放电，电，3.发射出发射出582nm橙色光。橙色光。17182.工作原理工作原理 19（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低低的的维维持持电电压压VS时时，单单元元中中气气体体不不会会着着火火，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
15、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、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、离离子子不不能能直直接接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，这时，放电空腔上的电压为外加电压和壁电压之和。这时，放电空腔上的电压为外加电压和壁电压之和。20（2）、此将小于维持电压，使放电空间电场减弱，此将小于维持电压，使放电空间电场减弱，致使
16、放电单元在致使放电单元在26微秒内逐渐停止放电，因介质微秒内逐渐停止放电，因介质电阻很高，壁电荷会不衰减地保持下来，当反向的电阻很高，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，上一次放电形成的壁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性的下一个相反极性的 脉冲的到来脉冲的到来。因此，单元。因此，单元一旦
17、由书写脉冲电压引燃，只需要维持电压脉冲就一旦由书写脉冲电压引燃，只需要维持电压脉冲就可维持脉冲放电，这个特性称为可维持脉冲放电，这个特性称为AC-PDP单元的单元的存存储特性储特性。21 （3）、要使已放电的单元熄灭，只要在下一个维持）、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（脉宽约电压脉冲到来前给单元加一窄幅（脉宽约1微妙微妙）的）的放电脉冲，使单元产生一次微弱放电，将储留的壁电放电脉冲，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，单元将中止放电荷中和，又不形成新的反向壁电荷，单元将中止放电发光。发光。（4）、PDP单单元元虽虽是是脉脉冲冲
18、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度度通通常常510微微妙妙，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。以以上上工作方式为工作方式为AC-PDP的存储模式。的存储模式。223.AC-PDP的驱动的驱动 由由驱动电路、显示控制电路和电源组成。驱动电路、显示控制电路和电源组成。23五、彩色等离子体显示五、彩色等离子体显示 24PDP一一般般采采用用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。
19、“子场扫描法子场扫描法”256.4 电致发光显示电致发光显示 电致发光（电致发光（Electro luminescence,EL）是将电能直接转换成光能的一种物理现象。是将电能直接转换成光能的一种物理现象。电致发光按激发过程不同可分为两大类：电致发光按激发过程不同可分为两大类：注入电致发光注入电致发光在半导体在半导体PN结加正偏压结加正偏压时产生少数载流子注入，与多数载流子复时产生少数载流子注入，与多数载流子复合发光合发光。26 高场电致发光高场电致发光将发光材料粉末与介质的将发光材料粉末与介质的混合体或单晶薄膜夹持于透明电极板之间，混合体或单晶薄膜夹持于透明电极板之间，外施电压，由电场直接激
20、励电子与空穴复合外施电压，由电场直接激励电子与空穴复合而发光，高场电致发光又分交流和直流两种，而发光，高场电致发光又分交流和直流两种，如粉末型交流电致发光与粉末型直流电致发如粉末型交流电致发光与粉末型直流电致发光。光。27一、注入电致发光显示一、注入电致发光显示 发光二极管（发光二极管（Light Emitting Diode,简称简称LED）是是注入电致发光显示器件的代表。发光二极管是利用少注入电致发光显示器件的代表。发光二极管是利用少数载流子流入数载流子流入PN结直接将电能转换为光能的半导体发结直接将电能转换为光能的半导体发光元件。光元件。LED构造的核心是用磷化镓或砷化镓等半导体发构造的
21、核心是用磷化镓或砷化镓等半导体发光材料晶片做成的光材料晶片做成的PN结，晶片的大小约结，晶片的大小约0.30.30.2 mm3，晶片外用透明度高和折射率高的材料（一般用晶片外用透明度高和折射率高的材料（一般用环氧树脂）包封，树脂外观视应用要求做成各种形式。环氧树脂）包封，树脂外观视应用要求做成各种形式。也可以在也可以在LED的底座上安置两枚或两枚以上晶片，各的底座上安置两枚或两枚以上晶片，各晶片材料不同，发出不通的色光，当各晶片发不同强晶片材料不同，发出不通的色光，当各晶片发不同强度的光时，它们将产生不同混色，使发光二极管显示度的光时，它们将产生不同混色，使发光二极管显示不同色光。不同色光。2
22、8二、高场电致发光显示二、高场电致发光显示 1.交流薄膜电致发光显示（交流薄膜电致发光显示（ACTFEL）292.交流粉末电致发光显示交流粉末电致发光显示 交交流流粉粉末末电电致致发发光光板板的的发发光光粉粉用用铜铜、铝铝等等激激活活的的硫硫化化锌锌（ZnSZnS：CUCU，ALAL或或ZnSZnS：PbPb，CUCU，ALAL）与与树树脂脂等等透透明明有有机机介介质质混混合合后后，涂涂布布在在两两个个电电极极中中间间，厚厚度度为为1010100100，电电极极之之一一为为透透明明的的，这这就就构构成成了了电电致致发发光光板板，大大量量的的发发光光粉粉晶晶体体悬悬浮浮在在绝绝缘缘介介质质中中，
23、小小晶晶粒粒线线度度为为几几微微米米到到几几十十微微米米，由由于于发发光光层层中中介介质质是是绝绝缘缘的的，防防止止了了发发光光材材料料与与电电极极直直接接接接触触，当当外外加加电电压压后后，通通过过容容性性电电流流时时，发发现现晶晶粒粒内内呈呈线线状状发发光光，这这与与光光致致发发光光与与阴阴极极射射线线发发光光时时荧荧光光粉粉晶晶体体发发光光不不同同，线线状状发发光光在在多多数数情情况况下下呈呈现现尾尾对对尾尾的的慧慧星星形形。线线对对的的两两头头间间的的距距离离对对多多晶晶粉粉末末为为1 11010，对对单单晶晶可可大大于于100100，甚甚至至达达到到毫毫米米量量级级，发发光光线线直直径径0.1 0.1 ，亮亮度度可可高高达达3103105 5cdcdm m2 2，发发光光线线对对的的两两部部分分在在交交变变电电场场作作用用下下交交替替发发光光，而而场场强强总总是是从从其其头头部部指指向向尾尾部部，发发光光线线长长度度随随电电场场在在线线方方向向的的分分量量增增强强而而变变长长，但但线线对的头之间距离保持不变。对的头之间距离保持不变。3031