场发射显示器

五、FED中的发射均匀性和稳定性问题
（4）分布式横向串联电阻结构 网格状串联电阻结构的缺 点是，当等位体薄膜上的任何 一个微尖发生短路击穿时，该 等位体薄膜上的所有微尖都失 效。改进措施是使每个像素都 包含多个这样的单元，即使个 别单元失效，对该像素影响也 有限。
分布式横向串联电阻结构及其等效电路
六、聚焦型微尖阵列场发射阴极
优点：减小电子束的发散度，实现高阳极电压工作。
聚焦极 栅极
竖直同轴聚焦型
共面聚焦型
六、聚焦型微尖阵列场发射阴极
聚焦型微尖照片
七、FED的主要制作材料和工艺
两组常用高、低压荧光粉的性能
低压荧光粉存在的问题：
色饱和度低，可见光转换效率低，亮度低，寿命短。
七、FED的主要制作材料和工艺
三、微尖阵列场发射阴极
金属微尖FEA制作过程
三、微尖阵列场发射阴极
金属微尖FEA的扫面电镜照片
三、微尖阵列场发射阴极
Si微尖FEA制作过程
三、微尖阵列场发射阴极
Spindt尖锥型场发射平面显示器件遇到的困难
（1）大面积Spindt尖锥阵列制作
大面积Spindt尖锥阵列制作是最大的难题。尤其是在追 求尖锥形成的一致性时,困难就更大。具体的难点在于要求有 庞大的工艺设备。 （2）封接、排气和消气技术的突破 在大面积显示器制作的过程中,必须解决封接、排气和消 气的技术问题。 （3）发射稳定性和均匀性差
三、微尖阵列场发射阴极
微尖形貌
三、微尖阵列场发射阴极
微尖阵列场发射阴极（FEA） 场致发射是在金属尖端上进行的。如果尖端曲率半径为1m， 尖端与阳极距离为1m左右，则当极间加上几十伏的电压，就会 在尖端表面上产生109V/cm数量级的强电场。 在忽略极间空间电荷的情况下，阴极发面尖端处场强与阳 极电压Ua成正比。即
八、 FED中真空度的维持
残余气体对屏性能影响 1、对场发射阴极的损伤 场发射阴极是FED显示屏内最具活性的部件，FED显示 器件的寿命主要是由场发射阴极的寿命所决定的。阴极电 子发射是一种表面现象，而表面最容易受残余气体分子的
损伤。
八、 FED中真空度的维持
2、 对荧光屏的损伤
残余气体分子和低速电子发生碰撞时，将俘获电子而形 成负离子。这种负离子受阳极正电位的吸引而轰击阳极，使 阳极上荧光屏受到灼伤而形成离子斑，随着时间的积累将造 成荧光粉脱落。
五、FED中的发射均匀性和稳定性问题
解决办法： 增加串联电阻，其作用为 （1）限流作用，当个别发射体 发射过大时，由于电阻的分压 作用使电流受限，从而均衡了 各发射体的发射能力；
（2）当个别发射微尖与栅极发 生短路时，电阻承受了电压降， 其他微尖仍能正常工作。由于 微尖数量极大，个别微尖的损 失影响不大。
隔离柱材料要求： （1）隔离柱很薄，尺寸均匀； （2）具有一定的刚度、强度； （3）具有一定的电阻率，同时又不能产生过大的漏电流； （4）放气量小。
隔离柱材料： 热压氮化硅、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、石英玻璃。
七、FED的主要制作材料和工艺
尖锥型阴极，如钼、硅。
阴极材料
薄膜型阴极，如多晶金刚石薄膜、非晶金刚石薄 膜、类石墨、碳纳米管。
FED（Field Emission Display)与CRT的相同点： 利用阴极电子经电场加速而轰击荧光材料发光的主动发型 显示器件。因此，FED具有与CRT相似的显示品质，如高亮度、 高对比度、全彩色、高显示容量及低功耗等性能。
典型场发射显示结构原理
CRT发射显示结构原理
一、场发射显示器概述
FED与CRT的区别点： (1) CRT采用热阴极，通过加热阴极材料使其表面电子获得克服表 面势垒的能量从而发射出来；而FED采用冷阴极，采用表面功 函数较低、电子势很小甚至为负值得材料，使之在外加电场 作用下逸出。因此，FED不但降低了功耗，而且可以瞬时发射 电子。 （2）CRT的热阴极为点发射源或线发射源，需要通过偏转磁场的 作用，才能在显示屏幕上进行扫描而产生显示。因此，CRT难 以实现平板化；而FED的冷阴极为面发射源，可以十分方便地 实现平板化和矩阵驱动，无论重量还是体积都大大降低。
造成微尖发射不均匀性和不稳定性的原因：
由于Spindt型工艺生成的阴极微尖是服从Gaussion分布,
因此不可能使各发射体完全一样。 微细加工工艺难以达到大面积的均匀性,如阴极微尖、栅 极孔几何尺寸的离散及相对位置的偏差。 发射电流决定于表面电场和阴极表面状态。发射过程中 受表面形态变化、离子轰击、气体吸附等多种因素影响，造 成发射电流起伏不定。
阴极材料要求： 较低的功函数 较高的电导率、熔点 稳定的表面物理化学性质 加工工艺简单 阴极材料种类：


难熔金属钨、钼等 硅 金刚石和类金刚石 薄膜型，其中碳纳米 管薄膜是当前热点 综合型，比如在钼或 者硅等微尖上涂覆一 层金刚石薄膜
五、FED中的发射均匀性和稳定性问题
三、微尖阵列场发射阴极
（ 4） 器件的打火、亮度问题
器件的间距很小仅为200μm左右。少量横向初速度较大的 电子还会打到隔离柱(支撑墙)上使之荷电。一般讲隔离柱是用 绝缘体制作的,荷电后其电位是悬浮的,可能很高,这就造成内部 打火。器件的间距小带来两个不利的因素: A. 为防止发射体阵列板和荧光屏之间发生打火,荧光屏电位不 能高, 一般仅为几百V。 B. 由于荧光屏电位不高,因此屏的亮度也低。
三、微尖阵列场发射阴极
克服困难的办法: （1）加大场发射阴极板和阳极板之间的距离,从原来的200μm 增加到1.5mm以上。所带来的好处是: I . 可以增加排气的管导,有利于排气和去气的处理; II. 提高了阴极板和阳极板之间的耐压,减少板间直接打火的 可能性; III .由于板间耐压的提高,可以采用高压荧光粉,从而提高荧 光粉的效率和屏的发光亮度,还可保持荧光粉的寿命。
场发射显示器（FED）
提
二、场发射理论
纲
一、场发射显示器概述 三、微尖阵列场发射阴极 四、场发射显示的阴极材料 五、FED中的发射均匀性和稳定性问题 六、聚焦型微尖阵列场发射阴极 七、 FED的主要制作材料和工艺 八、 FED中真空度的维持 九、新型场发射显示器
十、FED的研究概况及发展前景
一、场发射显示器概述
五、FED中的发射均匀性和稳定性问题
（2）横向串联电阻结构
与纵向串连电阻结构
相比，耐击穿能力和限流 能力大大提高，缺点是中
间部分的微尖阴栅极间电
压降比外侧的低，因此发 射也小。在极端情况下， 外侧微尖发射过大，甚至
烧毁，而中间部分的微尖
发射仍然很小，因此限制 了总的发射电流。 横向串联电阻结构及其等效电路
0
kT
)
金属表面势垒和内部电子按能量分布
二、场发射理论
在加速场下金属表面的势垒曲线 金属表面场致 1.54106 2 6.83107 3 2 4 J exp[ ( 3 . 79 10 )] 0 发射方程:
三、微尖阵列场发射阴极 阴极阵列
— 真空器件. — 列阴极，行栅极. — 行列电极交叉点有多于 4500个微尖, 微尖直径150 nm. — 电流0.11A/microtip.
少在1cm以上，大尺寸CRT甚至达到几十厘米；而FED的阴阳极距 离小于3mm。
一、场发射显示器概述
FED的优点： （1）冷阴极发射；
（2）低的工作电压；
（3）自发光和高亮度； （4）宽视角；
（5）高速响应；
（6）很宽的环境温度变化范围。 1968年斯坦福国际研究所的C. A. Spindt研制成功微尖阴 极发射结构的FED ，后法国政府实验室LETI对Spindt的方法作 了改进并于1990年研制出第一个15cm单色显示器。
U a
几种典型的尖端形状
三、微尖阵列场发射阴极
微尖电子发射
三、微尖阵列场发射阴极
金属微尖的伏安特性
场发射阴极阵列面积240mm240mm，包含1.4x106个微尖。
三、微尖阵列场发射阴极
FED显示器的制作工艺
对阴极制造的要求： （1）在整个表面上具有均匀的电子发射； （2）提供充足的电流，以便在低电压下获得很高的亮度； （3）在微尖和栅极之间没有短路。 阴极微尖制作种类： （1）在金属基体上沉积金属形成金属阴极尖。其特点工艺复 杂，但可实现大电流，发射特性好，寿命长。 （2）以硅片作基片，采用硅的各向异性腐蚀形成硅阴极尖。 其特点是工艺较简单，较易实现，但发射特性差，寿命短。
五、FED中的发射均匀性和稳定性问题
（3）网格状串联电阻结构 网格状电阻层把阴极分成 网格状阴极, 在每个网格中 央加上一个金属岛电极作为 等势体。电流经横向电阻渡 越到金属岛上,在其上各微尖 均匀发射,横向电阻承受较大 的压降而纵向电阻起到均匀 电流的作用,这样以较薄的电 阻层就起到均匀发射电流的 作用,提高了发射的一致性。 网格状串联电阻结构及其等效电路
二、场发射理论
在温度T＝0K时，为了使金属中具有最大能量的电子能够 克服表面势垒而逸出，必须提供的最小能量叫做逸出功。 = Wa—EF0
电子发射方式：
（1）热电子发射； （3）二次电子发射； （2）光电子发射； （4）场致发射。
二、场发射理论
金属的热电子发射
理查逊—德施曼公式：
j0 AT 2 exp(
发射电流与栅极电压的关系
五、FED中的发射均匀性和稳定性问题
场发射阵列限流电阻层的结构： （1）纵向串联电阻结构
由于电阻层位于所有微尖下,
要有较大的压降,就需把电阻层 作得较厚,但这是有限的。因此
个别发射体发射电流过大或与栅
极短路时,易造成电阻层的击穿, 失去抑制作用。
纵向串联电阻结构及其等效电路
三、微尖阵列场发射阴极
(2) 场发射阴极采用四极结构,即在每个像素上面再增加一个聚 焦电极。所带来的好处是: 在加大场发射阴极板和阳极板之 间的距离后,保证不降低分辨率; 减少可能打到支撑墙上的 电子,进一步减少打火的可能性。