场发射显示器阴极结构的发展

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摘要:场发射显示器(FED)集传统的阴极射线管显示器(CRT)与液晶显示器(LCD)的优点于一身,具有很大的发展潜力,有望成为数字电视时代显示器件的主流。文章详细论述了电子场发射的原理,从F-N公式出发探讨了FED阴极材料的选取和阴极结构设计的原则,最后论述了FED阴极结构的发展。

关键词:场发射显示器;F-N公式;阴极结构

中图分类号:TN873文献标识码:A

Development of Cathode Structure of Field Emission Display

WU Huai-yu1, AI Yan-ping2, ZHAO Fu-bao2, WANG Hai-jun3

(1. Broadcast Television Network Media Co. Ltd. of Shaanxi Luochuan branch, Luochuan Shaanxi 727400, China; 2. Broadcast Television Network Media Co. Ltd. of Shaanxi Ansai branch, Ansai Shaanxi 717400, China; 3. Xi'an Innovation College Yan'an University, Xi'an Shaanxi 710100, China)

Abstract: Field Emission Display(FED), with the advantages of both traditional cathode-ray tube(CRT) and Liquid Crystal Display(LCD), has a great development potential and is expected to become the mainstream of display device in the digital television age. The principle of electron field emission was discussed in detail, from F-N formula, FED cathode materials and the cathode structure design principles are discussed, and finally development of FED cathode structure was expounded.

Keywords: field emission display(FED); Fowler-Nordheim formula; cathode structure

引言

数字电视时代的显示器件应该具有高亮度、高对比度、全彩色、宽频带、平板化、低功耗、长寿命、无辐射以及低价格等优点,由于阴极射线管工作电压高、功耗大、有X射线辐射、体积大、笨重,不符合显示器件向高清晰度、高分辨率、平板化、节能化、数字化、集成化等方向发展的要求,故其应用越来越少。目前,虽然液晶显示器和等离子显示器(PDP)是平板显示器(FPD)市场的主流显示器,但由于它们都存在着一些固有缺陷,所以算不上数字电视时代的理想显示器。当前市场上的FPD技术各具特色及优势,在具体的应用领域都存在着与其相应的应用空间和发展潜力,而被认为有可能是未来主流显示器的场发射显示器(FED)集中了众多显示器的优点,其潜在的性能优势使之有望成为下一代显示器的主导[1]。本文论述了场发射原理以及FED阴极结构的设计依据和发展。

1场发射原理

场致发射与热电子发射不同,它并不需要提供给体内电子以额外的能量,它的基本原理是电子隧道效应,即依靠强的外加电场来压抑物体的表面势垒,使表面势垒的高度降低,宽度变窄,这样发射体内的大量电子由于隧道效应穿透表面势垒逸出,形成场致电子发射。场致电子发射是一种很有效的电子发射方式,发射电流密度很高,发射时间没有迟滞性[2],且功耗低。利用场致发射原理制成的阴极是冷阴极,可以作为FED的电子源。

场致发射时,随外加电场的增强,发射体表面势垒的高度越来越低,宽度越来越窄,从发射表面逸出的电子越来越多,使场发射电流也越来越大。1928年,R. H. Fowler和L. W. Nordheim应用量子理论,提出了电子绝对零度下从清洁金属表面发射进入真空的理论,即在金属和真空界面上加一电场使金属的能带结构弯曲导致电子穿过金属势垒,并推出了场发射电流密度的公式,称F-N公式,可以简写为:

J=AE2exp(-B/E)

式中,J是绝对零度时的场致发射电流密度;E是金属表面的电场强度;A、B为与发射体表面功函数有关的常数:

A=1.54×10-6φ-1exp(9.89φ-1/2)

B=6.87×107φ3/2;(φ是金属表面功函数)

R. H. Fowler和L. W. Nordheim在推导该式时作了以下理想化的假定:理想金属表面;忽略原子尺度;金属内电子服从费米分布;表面功函数均匀分布;表面势垒由镜像力产生。在实验应用中该式必须加以修正,但该式对于场发射的研究仍有指导意义[3]。

虽然上式是在T=0K下得到的,但事实上只要金属表面的功函数不是非常低或外加电场不是很高,则该公式使用的绝对温度范围可以扩展到几百摄氏度。对上述公式进行对数处理,得到:

ln(J/E2)和1/E之间呈线性关系,用上式作图,被称作F-N关系曲线,用作检验场发射的判据,所有的测量点都在一条直线上。

从F-N公式中可以看出,场发射电流密度大小与外加电场场强和发射体的功函数有密切关系。因此利用场致发射时,应尽量选择低功函数的材料作发射体,并设计恰当的阴极结构,才能满足器件工作的要求。

2场发射显示器的阴极结构

2.1场发射显示器的器件原理图

FED的器件原理图如图1所示,直流电源或脉冲直流电源在两块相互平行的极板之间可形成直流电场,冷阴极材料和荧光材料分别涂覆于阴、阳极板上,并分别通过金属电极和透明电极与电源连接。电子在冷阴极材料的表面逸出并加速,轰击阳极上的荧光粉使之发光。

2.2FED阴极结构

FED阴极结构分为Spindt型和平面薄膜型。Spindt型根据阴极材料的不同又分为金属Mo-Spindt型、Si-Spindt型与其它类型;平面薄膜型分为金刚石薄膜型、类金刚石薄膜型、纳米金刚石涂层型、SED型、纳米碳管型等,具体分类如图2所示。

Spindt型是最早的传统型结构,根据阴极场发射阵列结构可分为二极管型与三极管型[4]。二极管型是只有阴、阳两级,当给阳极加上一定的电压时,阴极就会发射出电子,并在阳极电压的加速下,轰击到阳极荧光粉而发光。二极管型结构一般阴阳极间距较大,故所需的电压较大,而图3所示为三极管型结构,相比二极管型而言,结构中多了一个栅极,因此最终所需的电压稍低于二极管型结构,其结构是在阴极三角锥型发射体与阳极间加入栅极,当在栅极加上一定的电压大于三角锥型阴极产生电子的阈值电压后,电子将发射出,同时在阳极电压的加速后,轰击到阳极涂覆的荧光粉使其发光。

FED采用Spindt型阴极结构,是基于薄膜技术与半导体加工方法,采用高熔点金属作发射体,在性能方面达到了较高的水平,色纯、亮度及寿命等性能接近CRT。但由于涉及到精密光刻、刻蚀和薄膜沉积技术,导致制作成本很高,且很难实现大屏幕。由于FED中阳极结构、支撑和封接等方面改进的余地很小,所以要想在Spindt型上有大的突破,必须要用新的发射体材料和结构,同时要避免制作过程中的精密光刻和刻蚀技术。该工艺中,三角锥型阴极产生电子的阈值电压与栅极开口径有关,有关资料表明,栅极开口径在1μm以下时,阈值电压在50V以下。可以采用0.5μm以下的栅极开口径来降低驱动电路的成本,该方法的缺点是工艺复杂,成本较高。

SED型是一种成熟的平面薄膜型FED,即表面传导电子发射显示器(surface-conduction electron- emitter display,SED)型,是日本佳能(Canon)公司于1996年推出的新型结构。其结构如图4所示[5],阴极是由厚度为10nm左右的PdO膜形成的玻璃基板,在中心部分有10nm左右的狭缝,这个狭缝的成型主要是利用了施加高电压时产生极细裂缝的现象。当给该薄膜施加10V左右的电压时,在一侧PdO膜上的电子将向另外一侧PdO膜运动,此时给阳极加上高电压时,则一部分跳出来的电子将改变方向到阳极,激发阳极上的荧光粉而发光。阳极电压一般比较高,约为6kV左右。SED功耗比彩色LCD大,但是比彩色PDP小,亮度比彩色PDP大。由于SED显示器不需要发射电子束,从而使厚度可以做得相当薄,甚至比LCD和PDP都要薄。SED最主要的特点就是对比度较高,这是由它的发光原理决定的。目前公布的对比度为8,600:1,灰度为10位,SED不存在反应时间的问题,几乎看不到拖尾和轮廓模糊的现象。SED只需要增加微型电子发射器的数量就完全可以实现大屏幕,因此被誉为未来很有前景的平板显示器之一。但该结构电子离散角大,分辨率低。

BSD型,即弹道电子发射(ballistic-electron surface-emitting device,BSD)型,结构如图5所示,是松下电工推出的。BSD发射电子冷阴极不用Spindt型的微尖结构,而是采用下电极上低温多晶硅发射电子。电子的发射机制是利用施加于金属薄膜间的电位所产生的电场来加速电子,成为弹道电子进入纳米硅中,穿过氧化膜隧道,从表面层放出电子,故称BSD型[6]。其优点是:(1)工作电压在20V左右;(2)功耗为PDP的1/3;(3)亮度大于20,000cd/m2;(4)对比度500:1;(5)制作工艺简单;(6)真空度要求低,仅为1Pa;(7)性能稳定,寿命长。

CNT型,即纳米碳管型(carbon nanotube,CNT型),结构如图6所示,主要就是利用了CNTs优异的发射电子特性制成了阴极。将整齐排列生长的CNTs或者利用丝网印刷工艺将CNTs整齐排列,构成场发射阴极,然后制备成三极管型结构[7]。当给栅极加上大于CNTs发射电子的阈值电压时,纳米碳管由于显著的尖端效应就会放出电子,放出的电子在阳极电压下,加速轰击到涂有荧光粉的阳极,产生发光。但是大面积、均匀的CNTs阴极制造技术还需要进一步研究[8]。

3结论

随着功函数更低的发射体材料的研发,以及制备工艺技术的不断改进,目前的制备工艺大多转向快速简单的成膜办法,如丝网印刷、旋涂法、电泳沉积法等。由于采用了物理化学性质良好、易发射电子的材料,加上简单有效的制备工艺,场发射显示器在应用推广方面都有着良好的前景,有可能成为下一代数字电视时代的主流显示终端[9]。

参考文献

[1] 刘立军. 平板显示器中FED与OLED技术特性比较[J]. 现代显示,2009,8:34-38.

[2] 应根裕,胡文波,邱勇. 平板显示技术[M]. 北京:人民邮电出版社,2002:1-30.

[3] K. R. Shoulders. Microelectronics using electron-beam- activated maching techniques[J]. Advances in Computers, 1961. 2: 135-293.

[4] C. A. Spindt. A thin-film field-emission cathodes[J]. J.Appl.Phys, 1968, 39: 3504-3510.

[5] Jean Dijon, Jean Francois Boronat, Adeline Fournier, et al. Distinguished Paper: Towards A Low Cost Hing Quality Carbon Nanotubes Field Emission Display[C]. SID'4 DIGEST: 820-823.

[6] 翟春雪. 纳米金刚石涂层场发射阴极结构与性能研究[D]. 西安:西北大学,2008.

[7] 朱长纯,刘兴辉. 碳纳米管场发射显示器的研究进展[J]. 发光学报,2005,26(5):557-563.

[8] 杨薇炯. 纳米碳基膜场发射显示技术的研究进展[J]. 先进材料工业,2005,9:26-27.

[9] 张兰,马会中. 具有发展潜力的场发射平板显示器[J]. 科技咨询导报,2009,5:8.

作者简介:武怀玉(1972-),男,陕西省广电网络传媒有限公司洛川县支公司副经理,从事广播电视管理和有线电视网络建设工作,E-mail:xibeidaxuecyd 。