平面栅型FED的模拟研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇平面栅型FED的模拟研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

文章编号：1006-6268（2009）02-0028-04

摘要：采用ANSYS有限元分析软件对平面栅型场致发射显示器（fed）的阴极表面电场进行了模拟分析。通过研究栅极宽度、阴栅间隙及阴极宽度对阴极表面电场分布的影响，结果表明平面栅型FED为边缘发射型器件，阴极宽度的改变对阴极表面电场整体影响明显，而阴栅间隙是影响阴极边缘电场分布的主要因素。

关键词：平面栅型FED；电场模拟；场致发射

中图分类号：TN873 文献标识码：A

The Simulation Study of the Planar-gate FED

ZHANG Ting，GUO Tai-liang

(College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University ,

Fuzhou 350002 , China)

Abstract:The ANSYS finite element computation program is used for the simulation of the surface Electric-field intensity distribution of the cathode of the planar-gate field emission display (FED). With the study of the gate width, the gap between the gate and the cathode and the cathode width, it shows that the planar-gate FED is the edge emission device.The change of the cathode width can influence the surface electric-field intensity distribution of the whole cathode notibly. the most important factors upon the edge electric-field intensity distribution of the cathode is the gap between the gate and the cathode .

Key words:Planar-gate FED；Electric-field simulation；Field emission

引 言

场致电子发射是靠很强的外部电场来压抑物体表面的势垒，使势垒高度降低，宽度变窄，当势垒的宽度窄到可以同电子的波长相比拟时，电子通过隧道效应穿透势垒逸入真空[1]。场致发射显示器（FED）的分类方法很多，按结构可简单地将无栅极的称为二极管结构FED，有栅极的称为三极管结构FED。三极管结构中按栅极位置的不同，可分为前栅型FED、后栅型FED和平面栅型FED。前栅型FED在制造过程中容易破坏场致发射源，另外器件的均匀性难以保证。后栅型FED是将栅极埋在阴极之下，解决了前栅结构的制作困难问题，但是该结构失去了栅极对阳极的屏蔽作用，因此不能提高阳极电压，否则会直接使阴极产生场致电子发射[2~4]。前栅与后栅场致发射显示器都需要制作绝缘层，而大面积的绝缘层制作对设备及工艺要求很高，且绝缘性能很难保证，故器件成本高，不易实现大面积显示。而平面栅型FED是将阴极与栅极做在同一个平面上，阴极与栅极中间由微小间隙隔开平行分布。采用普通的光刻工艺一次性就可以在基片上完成阴极与栅极的制作，避免了前栅与后栅结构中绝缘层及上电极的制作，大大降低了工艺的复杂性及难度。由于制作工艺简单，制作成本远小于前栅和后栅结构，故平面栅型场致发射显示板更易大面积化和实用化。2003年以来，一些单位[5~10]展开了对平型栅型FED的研究，而对平面栅型FED阴极表面电场分布的模拟研究的报道还较少。

本文采用有限元分析法[11～13]，利用专业工程分析软件ANSYS对平面栅FED的阴极表面电场进行了模拟，研究了阴栅间隙、栅极宽度以及阴极宽度对阴极电场强度的影响，从而对器件的结构进行优化设计，为进一步展开器件研究打下基础。

1 电场分布数值模拟

1.1器件结构及发射原理

平面栅型场致发射显示板的结构如图1所示，由阴极板、阳极板和支撑物构成。该结构中，阳极板由带ITO电极的玻璃上丝网印刷一层荧光粉构成。阴极板上栅极与阴极平行分布,中间间隔一条微小的间隙，阴极材料分布在阴极边缘及其附近。阳极加一个固定高压，栅极加一个0至几百伏的驱动电压。当在栅极施加电压时，由于阴栅间的间隙很小，在阴极边缘产生一个很强的电场，使阴极材料发射电子。阴极发射的电子部分被栅极吸收，形成栅流，部分被阳极电场加速轰击荧光粉发光。

2.2 电场模拟

2.2.1 计算模型

选取如图2所示显示板的一个横断面作为计算单元， Wg为栅极宽度，WC为阴极宽度，D为阴极与栅极之间的间隙，H为阴阳极之间的间距，Vg为栅极电压，Va为阳极电压，Vc为阴极电压。在电场模拟的过程中，为了使问题得到简化做以下假设：（a）电极的电阻各处相等；（b）电极上电位处处相等。在对发射体进行模拟计算时，主要研究的是发射体表面所产生的电场强弱，因此采用了静电场这种简单的计算形式[14～15]。

1.2.2 阴极电场模拟仿真

首先根据实际所能达到的工艺条件设计模拟数据，具体参数如表1所示：

表1中条件A、B、C分别研究了不同的阴栅间隙、阴栅宽度和栅极宽度对EC的影响。在电场模拟过程中，其它参数不变，只改变所研究参数的值，研究阴极表面电场的变化规律。

图3（a）给出了阴栅间隙D分别为10μm、20μm、30μm时EC的分布情况。从图中可以看出，随着阴栅间隙的减小，阴极表面的电场强度总体呈现增大趋势，电极的中间EC变化幅度很小，而电极的边缘EC变化幅度较大。

进行电场模拟的目的是为了在相同条件下得到较大的电场强度，以上所设计的三个值中，D=10μm时EC最大，故在D=10μm的情况下，研究阴极宽度WC对EC的影响。图3（b）给出了WC分别为30μm、130μm和230μm时EC的分布曲线。从图中可以看出，EC随着WC的减小整体大幅度增加。并且Wc越小，Wc的改变对EC的影响更明显。

从A、B仿真的结果得出了结论,所设计参数当在D=10μm，Wc=30μm时EC最大，再在此条件下研究栅极宽度Wg对EC的影响。图3（c）给出了Wg分别为30μm、130μm和230μm时EC的分布情况。从图中可以看出，EC随着Wg的增大而减小, Wg的改变对电极的中间影响更明显。并且当Wg较小时，Wg的改对Ec的影响更明显。

1.2.3 模拟结果及分析

通过以上计算机模拟仿真，可以得出以下结果：

（1）平面栅型FED阴极边缘的电场远大于中间的电场，故平面栅型FED主要是边缘场致发射器件。从模拟的结果可以看出，EC由电极中间往边缘方向呈指数规律增加。分析其原因主要是由于电极的边缘曲率半径较大，更容易聚集电荷[15]。由于电极边缘的电荷密度远大于电极中间的电荷密度，并且电极边缘间距最小，故边缘所形成的电场远大于中间的电场。在转移阴极材料时，应将材料分布在阴极的边缘及附近，这样在较小的电压下更容易形成场致电子发射。

（2）对于平面栅型FED，阴极宽度的改变主要影响阴极表面整体的电场强弱，而阴栅间隙和栅极宽度的改变主要影响阴极边缘和阴极中间的电场强弱。故可以通过改变平面栅型FED阴极的结构尺寸来改变阴极表面的电场分布，从而使器件的发射性能得到改善。

（3）对于平面栅型FED，当阳压与栅压固定不变时，栅极宽度的增加会导致阴极表面电场减小。为了解释这种现象，研究了栅压与阳压对阴极表面电场和电势分布的影响。图4(a)给出了只有栅压、只有阳压以及两者都存在时阴极表面电场的分布。从图中可以看出，在相同条件下（Va/H=Vg/D），只有阳压时的Ec远大于只有栅压时的EC，这说明阳极对EC影响较栅极更大。而当阳压与栅压同时存在时，阴极表面的电场较阳极单独存在小，较栅压单独存在时大，这说明栅压的存在削弱了阳极施加在阴极表面上的电场。图4（b）为阳压与栅压同时存在（上方）和只有阳压（下方）时阴极表面的等势图。从图中可以看出，当栅压存在时，使得阴极上整体的电势由中间向边缘增大，这可能是由于栅极存在时，一部分电子通过场致发射到达了栅极，导致了栅流的增大，阳流的减小，从而使阴极表面的电场减小。故在相同条件下（Va/H=Vg/D），栅极越宽，对阳极的削弱作用更明显，而阳极是影响阴极表面电场的主要因素，从而导致EC整体减小。

2 结论

建立平面栅型FED阴极电场计算模型，在此模型下，采用静电场分布理论，研究阴极表面的电场分布情况。通过计算机数值模拟不同的栅极宽度、阴栅间隙及阴极宽度下阴极电场的分布情况，得出平面栅型FED阴极边缘的电场强度远大于阴极中间的电场强度，故平面栅型FED是一种边缘发射型器件。在进行阴极材料的转移时，应将材料分布在阴极边缘及附近。另外阴极宽度的改变主要影响阴极整体的电场强弱，而阴栅间隙和栅极宽度的改变主要影响阴极边缘和阴极中间的电场强弱。故可以通过设计合理的电极结构尺寸，改变阴极上的电场分布，从而提高器件的发射性能。

参考文献

[1] 刘元震,王仲春,董亚强.电子发射与光电阴极[M].北京：北京理工大学出版社，1995，109-121.

[2] Dragone C ,Edwards C A , Kistler R C. Integrated optics N×N multiplexer on silicon[J]. IEEE Photon Technol Lett ,1991 ,3:896- 899.

[3] 仲雪飞,樊兆雯,伊函春等.常开型后栅极场致发射显示板工作特性的研究[J].真空科学与技术学报, 2004,24(6):404-407.

[4] Y.S. Choia, J.H. Kanga, Y.J. Parkb et al. An under-gate triode structure field emission display with carbon nanotube emitters[J].Diamond and Relate.Materials,2001,1705-1708.

[5] Chun T.L., Cheng H.C., Chang Y.Y. et.al, Planar Triode Structure Carbon Nanotubes Field Emission Display[A]. Proceeding of SID'03. Baltimore[C]. USA:2003, 922-925.

[6] Lei Wei, Xiaobing Zhang, Chaogang Lou et al.An Improved Planar Triode With ZnO Nanopin Field Emitters[J].IEEE Electron Device Letters.2007,8(28):688-690.

[7] Wenhui Lu, Hang Song, Yixin Jin etal.Electrophoresis deposition and field emission characteristics of planar-gate-type electron source with carbon nanotubes[J]. Physica B,2008(403):1793-1796.

[8] J.E. Jung , Y.W. Jin , J.H. Choi et al.Fabrication of triode-type field emission displays with high-density carbon-nanotube emitter arrays[J]. Physica B, 2002,10(323): 71-77.

[9] Y.-C. Lan, C.-T. Lee, Y. Hu et al. Simulation study of carbon nanotube field emission display with under-gate and planar-gate structures[J]. Vac. Sci. Technol. B , 2004,22(3),1244-1248.

[10]Huber, William Hullinger (Scotia, NY, US). Planar gated field emission devices[P].USA:11/029707, 07/06/2006 .

[11]JUNGJaehoon , LEEByoungho , LEEJong Duk. Effective three dimensional simulation of field emitter array and its optimal design methodology using an evolution strategy [J ] . Journal of Vacuum Science & Technology B , 1998 , 16 (2) :920-922.

[12] 谭建国. 使用ANSYS 6. 0 进行有限元分析[M]. 北京:北京大学出版社,2002.

[13] 黄顺宁,郭太良.场发射显示器结构的优化设计[J].真空电子技术,2007,05:30-32.

[14] 尉伟，王勇，周洪军等.场发射结构的有限元模拟[J].真空电子技术, 2003, 01:27-29.

[15] 赵凯华，陈熙谋.电磁学（上册）[M]，第二版.北京：高等教育出版社，1985，132-134.

作者简介：张婷（1983-）女，陕西咸阳人，研究生，主要从事场致发射显示器件的研究，E-mail：。