《显示技术》课件第5章.ppt

1、第5章等离子体显示技术5.1等离子体的基本特征等离子体的基本特征5.2等离子体显示器等离子体显示器5.3等离子体显示的驱动与控制等离子体显示的驱动与控制习题习题5 5.1 等离子体的基本特征等离子体的基本特征气体电离后，整体仍表现出电中性，这是因为电离气体内正负电荷的数量是相等的，这些电离产生的正负电荷统称为等离子体（plasma），如图5-1所示。由于气体在等离子体状态下具有放电特性，因而广泛用于照明器具和显示器件中。图5-1 等离子物质第四态“plasma”一词最早在生物名词原生质（proto plasma）中出现。1839年，捷克生物学家浦基尼（Purkynie）最先将“原生质”的名词引

2、入科学词汇，它表示一种在其内部散布许多粒子的胶状物质，是组成细胞体的一部分，也称为“血浆”。1929年，朗缪尔（Langmuir）和托克斯（Tonks）在研究气体放电时首次将“plasma”用于物理学领域，用来表征所观察到的放电物质，该词来源于古希腊语，即为可塑物质或浆状物质之意，我们将其翻译成“等离子体”，而台湾学者翻译成“电浆”。5.1.1 等离子体的概念等离子体的概念所谓等离子体，指的是分子、原子及被电离后产生的正负电子组成的气体状物质，是一种拥有离子、电子和核心粒子的不带电的离子化物质，它包括有大量的离子和电子，如图5-2所示，是电的最佳导体，而且它会受到磁场的影响，当温度升高时，电子

3、便会从核心粒子中分离出来。图5-2 等离子体示意图1.粒子密度和电离度通常用ne、ni和ng来分别表示等离子体内的电子密度、离子密度和未电离的中性粒子密度，当neni时，则可用n来表示二者中任一个带电粒子的密度。然而，一般等离子体中可能含有不同价态的离子，也可能含有不同种类的中性粒子，因此电子密度与离子密度不一定总是相等的。对于主要是一阶电离和含有同一类中性粒子的等离子体来说，可以认为ne ni。对于这种情形，电离度定义为：=ne/(ne+ng)。电离度很小的等离子体称为弱电离等离子体；当电离度较大（约大于0.1）时，称为强电离等离子体；1时，则叫完全等离子体。在热力学平衡条件下，电离度仅仅取

4、决于粒子种类、粒子密度及温度。2.电子温度和粒子温度由于等离子体内不止有一种粒子，而且通常不一定有合适的形成条件和足够的持续时间来使各种不同的粒子达到统一的热平衡条件，因此，不能用一个统一的温度来对等离子体进行描述。根据弹性碰撞理论，离子离子、电子电子等同类粒子间的碰撞频率远大于离子电子间碰撞频率，而且同类粒子的质量相同，碰撞时能量交换最有效。通常，分别用Te、Ti和Tg来表示等离子体的电子温度、离子温度和中性粒子温度，当TeTi时，我们称这种情况为热平衡等离子体，这类等离子体不仅比电子温度高，比重粒子温度也高，因此，也叫高温等离子体。当TeTi时，我们称这种状态为非平衡态的等离子体。尽管这种

5、等离子体的电子温度高达104 K以上，但离子和原子之类的重粒子体温度却低到300500 K，因此按照其重粒子温度的特点也叫做低温等离子体。低温等离子体的特点表明，非平衡性对于等离子体化学和工艺具有十分重要的意义。一方面，等离子体中的电子具有足够高的能量，能够使得反应物分子实现激发、离解和电离；另一方面，由于反应物的能量是由电场通过电子提供的，能够在较低的温度下进行反应，使得反应体系可以保持低温。就等离子体本身而言，它具有变成电中性的强烈倾向，故离子和电子的电荷密度几乎相等，这种情况称为准中性，它是带相反电荷粒子间的强电作用的结果。等离子体中的电荷分离仅可能由外加电场或等离子体本身的内能（热能）

6、来维持，可由等离子体动力学温度维持的对电中性的最大偏离估算出来。通常，等离子体的偏离电中性为十万分之几。等离子体还是一种具有集体效应的混合气体。中性气体中粒子的相互作用是粒子间频繁的碰撞，两个粒子只有在碰撞的瞬间才有相互作用，除此之外没有相互作用。而等离子体中带电粒子之间的相互作用是长程库仑力作用，体系内的多个带电粒子均同时且持续地参与作用，任何带电粒子的运动状态均受到其他带电粒子（包括近处和远处）的影响。5.1.2 等离子体的发光机理等离子体的发光机理 对于CRT显像管来说，其显示屏上的红、绿、蓝发光点是由排列的红、绿、蓝荧光粉在显像管内部电子枪射出的高速电子流的轰击下发光，并形成图像。而对

7、于等离子显示屏来说，这一个个红、绿、蓝发光点类似于我们常用的日光灯管构造的发光体，也就是说等离子显示屏就是由千千万万个微型的“日光灯管”组合排列组成。图5-3给出了等离子屏结构示意图。图5-3 等离子屏结构示意图如图5-4所示，日光灯管中充入水银，管壁上所见的白色粉末为荧光粉。通电之后，管内的灯丝因为电阻产生热，提供能量让电子逸出。此时，管内的水银变为水银蒸气，弥漫在电子行径的路径上，部分电子会和水银产生碰撞，将汞原子中的电子由较低的能阶激发到较高的能阶，而这些具有较高能量的电子由高能阶掉下来的同时，会将能量以紫外线（UV）形式释放出来，这些紫外线的能量会被涂布在管壁上的荧光物质吸收，从而产生

8、可见光。图5-4 日光灯管发光原理图 5-5 等离子体发光单元的发光原理以充有Ne-Xe混合气体的AC-PDP为例，结合图 5-5 所示的等离子体发光单元的发光原理图，具体分析一下等离子体发光的两个基本过程：（1）气体放电过程，即惰性气体在外加电信号的作用下产生放电效应，使原子受激跃迁，发射出真空紫外线（波长小于200 nm）的过程。Ne-Xe混合气体在一定外部电压作用下产生气体放电时，气体内部最主要的反应是Ne原子的直接电离反应，即 e+Ne=Ne+2e（电子碰撞电离）（5-1）其中，Ne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。其中电子被极间电场加速并达到一定

9、动能时碰撞Ne原子，使其电离而导致气体内部的自由电子增殖，同时又重复式（5-1）反应致使形成电离雪崩效应。这种电离雪崩过程中会产生大量如式（5-1）、式（5-2）、式（5-3）所示的两体碰撞反应，即 e+NeNe+2e （逐次电离）（5-2）e+Ne=Nem+e （亚稳激发）（5-3）e+Xe+=Xe+2e （电子碰撞电离）（5-4）其中，Ne+表示Ne的激发态，Nem为Ne的亚稳激发态。由于Nem的亚稳能级（16.62 eV）大于Xe的电离能（12.127 eV），因此，亚稳原子Nem与Xe原子碰撞过程为：Nem+Xe=Ne+Xe+e (5-5）人们称此为潘宁电离反应，这种反应产生的几率极高

10、，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。碰撞发生后，激发态Xe*原子的外围电子，由较高能级跃迁到较低能级，产生碰撞跃迁，即 e+Xe+Xe*（2P2 或 2P6）+hv （5-6）由于Xe原子2P5、2P6能级的激发态Xe*2P2或2P6很不稳定，极易由较高能级跃迁到较低能级，产生逐级跃迁，即Xe*(2P2或2P6)Xe*(1S4或1S5)+hv(823 nm、828 nm)(5-7)Xe*（1S5）与周围的分子相互碰撞，发生能量转移，但并不产生

11、辐射，即只发生碰撞转移：Xe*（1S5）Xe*（1S4）（5-8）其中，1S4是原子Xe的谐振激发能级。Xe原子由能级的激发态跃迁到Xe的基态时，就发生共振跃迁，产生使PDP放电发光的147 nm紫外光，即 Xe*（1S4）Xe+hv（147 nm）（5-9）（2）荧光粉发光过程，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。由于147 nm的真空紫外光能量大，发光强度高，所以彩色PDP激发红、绿、蓝荧光粉发光，得到三基色，从而实现彩色显示，这种发光被称为光致发光。真空紫外光激发荧光粉的发光过程如图5-6所示。图 5-6 荧光粉的发光过程当真空紫外光照射到荧光粉表面时，一部分被反射

12、，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，基态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空穴。在价带中，因为电子跃迁而出现空穴在价带中，空穴因热运动而扩散到价带顶，然后被掺入到荧光粉中的激活剂所构成的发光中心所俘获。例如，红粉Y2O3：Eu中的Eu+是激活剂，一方面，它是红粉的发光中心，没有掺杂的荧光粉基质Y2O3是不具有发光本领的。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，很快在消耗能量后下降到导带底，然后与发光中心的空穴复合，发出一定波长的光。基质不同的荧光粉，由于掺杂元素不同，构成的发光中心能级也不同，因而产生不同颜色的可见光

13、。5.2 等离子体显示器等离子体显示器5.2.1 PDP的分类与特点的分类与特点PDP是由气体放电体作为像素单元组成的显示屏。它由前后两块平板玻璃组成，其间置有障壁隔离并使之平行，四周用低熔点玻璃密封，中间充以气体（Ne、Xe等惰性气体），电极间施加一定幅度的电压，引起气体击穿产生放电。单色PDP通常直接利用气体放电发出的可见光来实现单色显示。放电气体一般选择纯氖气（Ne)或氖氩（Ne-Ar）混合气体。彩色PDP则通过气体放电产生的真空紫外线（VUV）照射红、绿、蓝三基色荧光粉，使荧光粉发光实现彩色显示。其放电气体一般选择含氙的稀有混合气体，比如氖氙混合气体（Ne-Xe）、氦氙混合气体（He-

14、Xe）或氦氖氙混合气体（He-Ne-Xe)。PDP按工作方式的不同，分为电极与气体直接接触的直流型（DC-PDP）和电极用覆盖介质层与气体相隔离的交流型（AC-PDP）两大类。目前的研究较多以交流型为主，并依据电极结构又可分为二电极对向放电式（Column Discharge）和三电极表面放电式（Surface Discharge）两种结构。DC-PDP，又分为负辉区发光型和正辉区发光型，它是以直流电压启动放电，放电气体与电极直接接触，电极外部串联电阻用于限制放电电流的大小，发光位于阴极表面，而且是与电压波形一致的连续发光。DC型PDP在结构中不能有介电体层的存在，这样会导致无法累积电荷于介电

15、层上，也就使其需要较高的启动放电电压；另一方面，为了降低启动电压，还需要设计有辅助阳极和辅助放电通道以协助启动放电。由此看来，DC型PDP的结构比较复杂，而且其放电电极和荧光体还直接裸露在等离子管中，这也就容易在等离子体放电时受到离子碰撞导致损坏及劣化，缩短PDP的寿命，而且DC型PDP的电阻层要使面板中所有管内的电阻值达到一致，而当电阻阻值差异过大时，会造成每个等离子管的启动电压不一致，这也使得此类PDP的良品率比较低。AC-PDP，又分为对向放电型和表面放电型。AC型PDP放电气体与电极由透明介质层相隔离，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，无固

16、定的阴极和阳极之分，发光位于两电极表面，且为交替脉冲式发光。由于其电极上覆盖有隔离层，故其寿命较DC型长。另外，AC型PDP的设计结构相对比较简单，再加上其寿命较DC型长，也使得现在的PDP产品多以AC型为主。表面放电型结构有多种，典型的三电极表面放电型AC-PDP的显示电极（包括透明电极和汇流电极）制作在前基板上，寻址电极制作在后基板上并与显示电极正交，一对显示电极与一条寻址电极的交叉区域就是一个放电单元，维持在两组显示电极间进行放电。图5-7给出了三种典型的放电结构单元。图5-7 三种典型的放电结构单元PDP的非线性强，阈值特性好，选址可达2000行以上，耐环境性能好，寿命长，单色PDP已超过100 000 h，彩色PDP可达30 000 h，且具有制作工艺简单，投资较小等特点。先说说等离子屏的优点，最明显的是其超大、超薄的屏幕，传统电视的屏幕最大尺寸只能做到40英寸，而PDP屏幕可以做到80英寸以上，无论是挂墙或是坐地，都能给予居室更理想的视觉效果。以往显像管电视的体积会随着画面尺寸的扩大而增加，感觉既笨又钝，根本不可能有挂墙的设计，这是因为电子射线偏向而不得不在电子枪和荧屏间留