光电技术第七章第二部分课件

1、7.3 液晶显示 液晶的发现可追溯到19世纪。1889年，德国物理学家发现胆固醇的苯甲酸酯和醋酸酯这类白而混浊的液体外观上虽属液体，但却能显示出各向异性晶体特有的双折射，因而命名为液晶。1963年，美国无线电公司的威廉姆斯发现在向列型液晶层上加上电压会使其变混浊。1968年，海耳梅耳制成了液晶平板显示器，开创了液晶显示应用的新纪元。 液晶是利用液晶的光学各向异性，在电场作用下对外照光进行调制而实现显示的，其主要优点为：（1）厚度仅几毫米的薄型器件，便于携带。（2）工作电压低，仅数伏，可直接用CMOS电路驱动，电子线路小型化。（3）微功耗，每平方厘米约10mW，可用干电池供电（4）采用彩色滤色片

2、，可实现彩色显示；采用有源矩阵驱动，可实现对比度高、灰度等级丰富的高质量显示。缺点：制作工艺复杂、设备投资大；低温工作时响应速度较慢，需要加热器；初期的LCD视觉较小，现已接近160度。由于TFT-LCD具有体积小，重量轻，低辐射，低耗电量，全彩化等优点，因此在各类显示器材上得到了广泛的应用。 介于完全规则状态(如固态晶体)与不规则状态(如液体)之间的中间态物质。目前已发现有近万种，几乎都是有机物。 热致液晶是指某些有机物加热溶解后，由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶。 溶致液晶是指某些有机物放入一定的溶剂中时，由于溶液破坏结晶晶格而形成的液晶。 作为显示用的是热致液晶，但它仅在T1到T2范围内

3、呈现液晶特性。低于T1就变成固态，T1称为熔点；高于T2就变成清澈透明的各向同性液体，T2称为清亮点。 7.3.1 液晶及其物理性质1 液晶的特点及分类 特点： 显示用的液晶都是一些有机化合物，分子量一般在200-500之间。液晶分子形状呈棒状，很像“雪茄烟”，有二个末端基团和一个中央基团，中央基团包括二个苯环在内。液晶的各种物理性质由这些基团决定，改变分子中某个基团的种类可改变液晶的某种性质。显示器件用的液晶都是多种单质液晶的混合体。(3)胆甾型，也称螺旋形液晶 和近晶型一样分层排列，分子长轴在层内相互平行，各层分子取向与邻层都略有偏移，整体呈现可见光波长量级的螺旋结构，具有旋光性、负单轴晶

4、体双折射性。反射波长与螺距有关，螺距与温度有光，根据这个原理测温度。胆甾型近晶型向列型 TN型液晶顺着长轴方向串接，长轴间彼此平行方式排列。 当接触到槽装表面时，液晶分子就会顺着槽的方向排列于槽中。（4）TN型液晶的排列当液晶在两个槽状表面中间，且槽的方向互相垂直，则液晶分子的排列为： 上表面分子：沿着a方向 下表面分子：沿着b方向 介于上下表面中间的分子：产生旋转的效应。因此液晶分子在两槽状表面间产生90度的旋转。(4)粘度 液晶粘度对显示器响应时间和余辉时间产生较大影响。(5)双折射 光在液晶传播时会发生双折射，相应于正单轴晶体的液晶称为正双折射液晶，或称正光性液晶，向列型晶体的光轴与分子

5、取向一致，一般有 ；胆甾型液晶为负光性液晶。(3)折射率各向异性 液晶分子的棒状结构使得沿分子长轴方向光的折射率和沿垂直于长轴方向光的折射率不相等，这个性质就是折射率的各向异性，它产生入射光的双折射，导致入射光的偏振态发生变化。（6）光通过液晶时偏振方向的变化：液晶分子上下层排列方向垂直：当线偏振光射入上层槽状表面时，此光线偏振方向随着液晶分子的旋转产生旋转。当线偏振光射出下层槽状表面时，此光线已经产生了90度的旋转。当在上下表面之间加电压时，液晶分子会顺着电场方向排列，形成直立排列的现象。此时入射光线不受液晶分子影响，偏振方向不变，射出下表面。 液晶材料的物理性质与显示器性能参数关系表 在两

6、方面共同作用下，液晶分子处于不断摇摆状态，甚至发生紊乱，造成各部分折射率不均匀，这是如果有光通过就会被散射，从而外观变乳白色。研究表明，存在一个临界频率，超高频交流电场只使液晶分子在平衡位置振动，不会实现动态散射效应。2 垂直排列相畸变效应（电控双折射效应，ECB） 将n型液晶分子垂直排列于基片表面后，利用液晶分子的高度双折射性，给此液晶层施加电场控制分子的倾斜程度，则当偏振光通过该液晶层后，将使偏振光变为椭圆偏振光，且所加电压不同，经检偏器后显示图像的颜色就不同，液晶的这种电压控制颜色变化从而进行色相调制的电光效应就称为垂直排列相畸变效应，又称电控双折射效应(ECB)。（1）ECB效应使输出

7、光强与入射光强关系为式中，z为液晶层厚度， 为液晶光轴与起偏方向夹角， 随外加电压变化而变化。（2）ECB的透过率与电压、频率关系如图所示。存在一个阈值电压，P型液晶比N型液晶的阈值电压更低（约1V），但P型液晶基片表面应采用平行取向。7.3.3 扭曲向列型液晶及显示1 扭曲向列型液晶盒 在二块带有氧化铟锡（ITO）透明电极的玻璃基板上涂上称为取向层的聚酰亚胺聚合物薄膜，用摩擦的方法在表面形成方向一致的微细沟槽，在保证两块基板上沟槽方向正交的情况下，将两块基板密封成间隙几微米的液晶盒，用真空压注法灌入正性向列型液晶并加以密封。在液晶盒玻璃基板外表面粘贴上线偏振片，使起偏片的偏振轴与该基片的摩擦

8、方向一致或垂直，并使检偏振片与起偏振片的偏振轴相互正交或平行，就构成最简单的扭曲向列型液晶盒。2 扭曲向列型效应 设上下基板沟槽方向正交，液晶分子从上到下扭曲90，如C所示。 无电场时，入射光通过起偏器后变为线偏振光，在通过液晶层时，由于液晶分子的光学各向异性，使偏振方向向液晶分子长轴旋转90，这就是TN液晶的旋光特性。如果出射处的检偏片的方向与起偏片平行粘帖，旋转过90的偏振光被阻挡，因此无光输出呈暗态，如a所示； 有电场作用时，如果电场大于阈值场强，除了与内表面接触的液晶分子沿基板表面平行排列外，其它液晶分子沿电场方向垂直排列，通过液晶盒偏振光的偏振方向不变，因而可以通过检偏片而呈亮态，如

9、b所示。这就是实现了黑底上的白字显示，称为负显示。同样，如果将起偏片和检偏片的偏振轴正交粘帖，则可实现白底上黑字，称为正显示。 TN液晶的扭曲效应必须满足：无光输出有光输出 TN液晶分子从原来平行到与基板扭曲90的排列方式，在电场作用下转变成垂直于基板的排列方式，从而对线偏振光调制而实现显示的现象，称为TN液晶的扭曲效应。当上下偏光片相互垂直时，若未施加电压，光线可通过。当上下偏光片相互垂直时，若施加电压时，光线被完全阻挡。白底黑字-正显示3 TN-LCD的特性 电光特性是其重要特性。图中纵坐标表示透过率，横坐标表示电压均方根值，即有效值。电光曲线在阈值电压以上的陡度是一个很重要的特性，它将决

10、定器件的多路驱动功能和灰度性能。陡度越大，多路驱动能力越强，但灰度性能下降。反之亦然。从电光曲线上还可以确定器件的阈值电压和对比度。（1）阈值电压Vth 定义：透过率为器件最大透过率的90%（对常白型）或10%（对常黑型）的相应的电压有效值，Vth与液晶材料有关，对于TN-LCD，大约在1-2V。自然光入射TNLCD的响应速度（3）响应速度 LCD的响应时间用它的上升时间tr和下降时间tf之和表示，如图所示。一般情况下，下降时间要大于上升时间，随着温度下降，液晶变得粘稠，响应时间明显下降。目前普通TN-LCD的响应时间为80ms左右。4.TN-LCD的驱动 分为三类：（1）固定图形电板，用于显

11、示固定符号和图形；（2）段式电板，用于显示数字和拼音字母；（3）矩阵形电板，除用于显示数字、字母、中文外，还可显示图表、曲线和图像。不同的电板形式有不同的驱动方式，例如段式电板一般用静电驱动或简单的多路驱动。矩阵式电板一般用矩阵寻址驱动。 LCD的驱动有以下特点：（a）直流电压会使液晶材料发生不可逆的电化学反应，缩短使用寿命，因此必须用交流驱动，同时防止交流波形的不对称产生直流分量；（b）频率低于数千赫兹时，LCD的透过率只与驱动电压的方均根值有关，而与电压波形和峰值无关；（c）驱动时LCD像素是一个无极性的容性负载。(2)矩阵寻址驱动 把TN-LCD上下基板的ITO电极做成条状结构，并相互正

12、交。行、列电极交叉点为显示单元，称像素。采用矩阵寻址的方式，即按时间顺序逐一给各个电极施加选通电压，即扫描电压，选到某一行时，各列电极同时施加相应于该行的信号电压，行电极选道一遍，就显示出一帧信息。设行电极数为n，每行选通的时间只有一帧时间的1/n, 称1/n为矩阵寻址的占空比。占空比越小，每行在一帧时间内实际显示的时间所占的比例就越小。 因为在一个电极上有多个像素相连接，所以施加电压后就成为时间分割脉冲，即多像素承受一定周期的间歇式电压激励。一般以30Hz以上的帧频对行电极进行逐行扫描，对列电极同步施加亮和不亮的信号。 矩阵寻址带来了不可忽视的问题。以 简单矩阵为例。设行电极X1选通，加上电

13、压V0，列电极Y1加上信号电压，其它电极X2、Y2未加电压，呈悬浮状态。此像素P11上有电压V0，若V0Vth，P11处亮态，P12和P21虽未选，也仍有电压，称为半选状态，P22上未加电压，为非选态。P12-P22-P21可考虑为串联回路，其上加有电压V0。若V0足够高，P12、P21上的分压也可大于Vth，这些半选像素也会发亮，这种现象称为串扰。 采用偏压法可在一定程度上减小串扰的影响。方法是不让非选的行极悬浮，而是让它加上V0/b的电压，b是偏压比。经计算偏压比的数值与矩阵的行数N有关，若 ，则串扰最小。例如对4行矩阵，最佳偏压比为3；16行矩阵，最佳偏压比为5。 即使只在一个像素加上电

14、压，矩阵上所有像素都会由于矩阵网络的交叉耦合而分摊到一定数值的电压。 对无源矩阵来说，由液晶像素的双向导通特性所引起的串扰是无法从根本上解决的。最佳偏压法仅可以减轻串扰的影响。解决办法：（1）多重矩阵；（2）超扭曲向列型液晶显示（STN-LCD）；（3）有源矩阵液晶显示（AM-LCD）。1 STN-LCD液晶盒 TN-LCD的电光特性不陡，因串扰引起的被选点和非被选点电压之差减少，产生的透射率之差不大，因而对比度不高，在扫描行数增加时更差。如果提高电光特性的陡度，同样的电压差V可以产生更大的透射率变化。 实验和计算模拟都发现，把液晶分子的扭曲角从90增加到180-270，可大大提高电光特性的陡

15、度。当扭曲角为270时斜率达到无穷大。7.3.4 超扭曲向列型液晶显示（STN-LCD） 曲线陡度的提高允许器件工作在较多的扫描行数下，但为了器件稳定工作，扭曲角常选择在180-240范围内，称为超扭曲向列型液晶显示（STN-LCD）。 STN液晶盒的结构和TN液晶盒差别不大。所用液晶材料是在特定的TN材料中添加少量手征性液晶以增加它的扭曲程度。盒较薄，一般5-7um，由于它对盒厚的不均匀要求较高，生产难度较大。2 STN-LCD的有色背景和黑白补偿 STN-LCD的工作利用了超扭曲和双折射二个效应，其简单的工作原理如图。在加上电压时通过盒输出的是线偏振光，如果它和检偏片的方向垂直，则显示暗态

16、，在不加电压时盒输出的是椭圆偏振光，经过检偏片后显现一定的色光。根据液晶层厚度的不同和起偏片与检偏片相对取向的不同，常有黄绿色背景上写黑字（黄模式）和在蓝色背景上写灰字（蓝模式）二种。如果把黄模式的检偏片方向变90，就可以变为蓝模式。从本质上看，STN-LCD的有色背景是由于不同波长的光通过液晶盒时有不同的双折射所致。 加电压不加电压3 性能特点 STN-LCD多路驱动的能力大大增强，最大驱动行数可达到可达到960行，满足大容量信息显示。缺点是：（1）由于电光特性变陡之后，实现灰度显示较困难，目前一般有64个灰度级；（2）响应速度变慢（200-300ms），图标移动时有拖尾现象。 人们希望实现

17、黑白显示，而要实现彩色显示，首先也必须实现黑白显示。因此必须对STN-LCD的有色背景实行补偿。补偿方法有二种，一种叫双盒补偿，在原有的STN-LCD的基础上加一只结构参数完全一致但扭曲方向相反的另一只液晶盒形成双盒结构，补偿效果好，但重量加大、成本较高。另一种方法是补偿膜法，用一层或二层特别的薄膜代替盒，这种膜可以与偏振片粘贴在一起，较轻，成本低，是目前广泛采用的。7.3.5 有源矩阵驱动 有源矩阵驱动也叫做开关矩阵驱动，这是一种在显示板的各像素设置开关元件和信号存贮电容。依靠存贮电容的帮助，液晶像素二端的电压可以在一帧时间内保存不变，从而使占空比接近1，这就从原理上消除了扫描行数增加时对比

18、度降低的矛盾，从而获得很高的显示质量。 从像素上所加的有源器件的类型，有源矩阵可分为二端型和三端型二种。二端型主要是二极管阵列，三端型则是以薄膜晶体管（TFT）阵列为主。三端有源矩阵（AM）-LCD的等效电路如图所示，每个像素都有串入一个三端器件，即大家所熟悉的MOS场效应管或TFT，它的栅极G接扫描电压，漏极D接信号电压，源极S接ITO像素电极，与液晶像素串联。液晶像素可以等效为一个电阻RLC和一个电容CLC的并联。 当扫描脉冲加到G上时，使D-S导通，器件导通电阻很小，信号电压产生大的通态电流I并对CLC充电，很快充到信号电压数值。一旦CLC上的充电电压Vrms值大于液晶像素的阈值电压Vt

19、h时，该像素产生显示。当扫描电压移到下一行时，单元上的栅压消失，D-S断开，器件断态电阻很大，CLC上的电压只能通过RLC缓慢放电。 只要选择电阻率很小的液晶材料。可维持此后的一帧时间内CLC的电压始终大于Vth。使该单元像素在一帧时间内都在显示。存储效应使TFT-LCD的占空比为1：1，不管扫描行数增加多少，都可以得到对比度很高的显示质量。现在用的非晶硅（a-Si）TFT则作为彩色液晶显示器。其图标质量可做到与彩色CRT媲美。栅极漏极源极TFT Array preview7.3.6 TFT-LCD的基本结构和各部分功能背光板模组：提供光的来源。上下偏光板：TFT 玻璃衬底。液晶：形成偏振光，

20、控制光线的通过与否。彩色滤光片：提供TFT-LCD红、绿、蓝(光的三原色)的来源。ITO透明导电层：提供透明的导电通路。基本原理：显示屏由许多可以发出任意颜色的光线的象素组成，只要控制各个象素显示相应的颜色就能达到目的。在TFT-LCD中一般采用背光技术，为了能精确地控制每一个象素的颜色和亮度就需要在每一个象素之后安装一个类似百叶窗的开关，当“百叶窗”打开时光线可以透过来，而“百叶窗”关上后光线就无法透过来。 TFT显示器组成：一般由一个夹层组成，组成这个夹层的每一层是偏光板、彩色滤光片组成，这两层之间就是液晶层。偏光板、彩色滤光片决定了多少光可以通过以及生成何种颜色的光。这个夹层位于两层玻璃

21、基板之间。在后玻璃基板上有FED晶体管，而下层是共同电极，他们共同作用可以生成能精确控制的电场，电场决定了液晶的排列方式。目前使用的最普遍的是扭曲向列TFT液晶显示器。 TFT是在玻璃或塑料基板等非单晶片上（当然也可以在晶片上）通过溅射、化学沉积工艺形成制造电路必需的各种膜，通过对膜的加工制作大规模半导体集成电路（LSIC）。在大面积玻璃或塑料基板上制造控制像元开关性能的TFT比在硅片上制造大规模IC的技术难度更大。对生产环境的要求（净化度为100级），对原材料纯度的要求（纯度为99.999985），对生产设备和生产技术的要求都超过半导体大规模集成，是现代大生产的顶尖技术。 1 彩色滤色器 彩

22、色滤色器（CF）是LCD实现彩色显示的关键部件，背电源发出的白光经液晶像素的调制，透过滤色器后射出不同强度的三基色光。 滤色器的主体是由制作在玻璃基板上的红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色点阵组成，其间镶嵌有黑色矩阵，以增加对比度。为了保证RGB点阵不受后续制作工艺的影响，同时形成制作液晶盒时所必需的十分平整的表面，在RGB点阵上涂有保护层，并制作作为LCD电板之一的ITO层。这一制作有滤色器的玻璃基板就是液晶盒的前基板，它工艺相对独立。三基色点阵排列的方式如图所示，常用的有品字形、田字形和条列结构。一般显示字形和图形的办公机都选用条形排列，显示动态图像和电视图像的多选用品字形或田字形。GLA

23、SS SUBSTRATEBlack MatrixColor LayerOver CoatITO 彩色滤光片基本结构是由玻璃基板（Glass Substrate），黑色矩阵（Black Matrix），彩色层（Color Layer），保护层（Over Coat），ITO导电膜组成。一般穿透式TFT用彩色光片结构如下图。C/F 的结构放大彩色濾光膜马赛克式直条式三角形式（品字形）四画素（田字形）马赛克式: 显示AV动态画面直条式：较常显示文字画面(Note Book)。 TFT象素架构如下图所示，彩色滤光镜依据颜色分为红、绿、蓝三种，依次排列在玻璃基板上组成一组（dot pitch）。对应一个象

24、素每一个单色滤光镜称之为子象素（sub-pixel）。也就是说，如果一个TFT显示器最大支持12801024分辨率的话，那么至少需要128031024个子象素和晶体管。对于一个15英寸的TFT显示器（1024768）那么一个象素大约是0.0188英寸（相当于0.30mm）。 2 LCD的背光源 LCD可以在反射、透射或者透反射模式下工作。但为了实现高对比度的全色显示，往往选择在透射模式下工作，这就要求有外照光源。这种外照光源一般置于液晶盒背后，称为LCD的背照光源或背光源。如图所示，背光源的色温，发光效率、驱动电路对LCD的色彩、亮度和功耗有直接影响，它消耗功率足有一个LCD模块的90%以上，

25、因此对便携机的背光源而言，小形和低功耗成了二个首要考虑的问题。 根据所选光源的类型，LCD背光源可分为热阴板荧光灯、冷阴板荧光灯和电致发光板（EL板）三种，热阴板荧光灯管的结构和普通照明用荧光灯基本相同，它亮度高，光效大，但功耗也大，且需点燃电路，常用于显示尺寸较大的台式显示。 冷阴板荧光灯用空心的金属圆筒阴板代替热阴板，由于它阴板不需加热，灯管可以做的很细，功耗较小且寿命很长，有较高的亮度和发光效率，因此广泛用于对厚度和功耗要求较严的便携式PC机上。LED灯是目前的发展方向。为了减小背光源组件的厚度，多数厂家都采用侧光式照明方式，即把灯管放在LCD屏的侧面，用几十微米厚的聚丙乙烯导光板将灯光

26、导入液晶盒背后并由镜面反射投向LCD盒。4 LCD模块 LCD屏上加控制、驱动电路和背光源就组成了实用的LCD模块，其方框图如右所示。分驱动控制电路、变换电路、列驱动器和行驱动器等四个部分。驱动器在行、场同步信号的作用下产生驱动块需要的移位信号和列锁存信号以及行驱动块需要的行移位信号和帧翻转信号。由于LCD需要在对称的交流信号下工作，为确保LCD寿命，变换电路把单极性的三基色信号变成交变的视频信号，同时把行、场同步信号变换称驱动块能认识的逻辑信号。TFT-LCD显像原理 列驱动器是一种串行输入，并行输出的移位寄存器，内有二个RAM区，一个存贮，一个显示。在移位信号的作用下把时域上的时频信号变成

27、位置上的视频信号，实施一时一线制的显示方法。行驱动器电路较为简单，是一种计数译码电路，在行信号同步下从第一行选到最后一行，完成一帧显示。对设备的影响玻璃基板的尺寸变大直接音响电极图案形成设备。（Array）e.g.成膜设备：占地面积加大与确保膜厚均匀性等问题。e.g.湿式设备：更换效率与节省水等问题。切割尺寸增大直接影响面板组装设备。（CELL）e.g.液晶注入设备：处理时间过长等问题。次代交替快，产品生命周期短，厂商设备开发成本高。 LCD面板时代7.4 等离子体显示(PDP)等离子体显示板是利用惰性气体在一定电压的作用下产生气体放电，形成等离子体，而直接发射可见光，或者发射真空紫外线进而激

28、发光致发光荧光粉而发射可见光的一种主动发光型平板显示器件。1966年，美国人发明了交流等离子体显示板；70年代初期，单色产品开始批量生产并首先在武器装备上获得应用；80年代，受LCD冲击，PDP彩色化进展缓慢；90年代，在HDTV的强烈刺激和LCD较难实现大面积显示的推动下，彩色PDP技术迅速突破，1993年首先实现彩色PDP的批量生产，1996年推出53cm彩色PDP产品，主要性能达到CRT水平。等离子体就是高度电离化的多种粒子存在的空间，其中带电粒子有电子、正离子，不带电粒子有气体原子、分子、受激原子、亚稳原子等。PDP按驱动电压分，有交流等离子体显示板（AC-PDP）和直流等离子体显示板

29、（DC-PDP）二种。AC-PDP由于光电和环境性能优异，是PDP技术的主流。PDP具有下列特点：主动发光，彩色PDP可实现全色显示；伏安特性非线性强，单色PDP产品已实现选址2048行，彩色PDP产品已实现选址1024行；具有固有的存储特性，显示占空比为1，可实现高亮度显示；视角大，可达160度，与CRT相当；响应快，单色PDP达到微秒量级，彩色PDP的响应决定于荧光粉余辉，显示视频质量不成问题；寿命长，单色PDP达数十万小时，彩色PDP也达数万小时；环境性能优异。 由于以上（2）、（3）优点，加上在工艺上许多工序可以用印刷法制作，所以PDP特别适合大屏幕显示。7.4.1气体放电物理基础1

30、伏安特性PDP中气体放电的伏安曲线一个装有平板电极的充气二极管内充入惰性气体（如氖和氩气），然后把二电极接入电路，改变电源电压和限流电阻，得到极间电压降和放电电流-伏安曲线如图。第一区为非自持放电区，起始带电粒子由外界电离源（宇宙射线、放射性）引起，撤走电离源放电即停止，非自持放电电流很小。第二区为自持暗放电区。自持是即使把放电管完全屏蔽，放电也能继续进行；暗放电是指不发光的放电。此时放电电流还是很小( )，管压降接近电源电压。第三区为过渡区，也叫欠正常辉光放电区。图中D点对应的电压称为辉光放电着火电压 。这是很不稳定的区域，如果负载电阻不大，则放电很快从D点过渡到E点，电流迅速增大，管压降突

31、然下降，气体发出较强的明暗交替的辉光。第四区为正常辉光放电区，放电电流 。E点对应的电压称为维持电压，I增加而U不变 。 第五区为异常辉光放电区。正常辉光放电以后（过F点）继续增加电压，电流随之增大，辉光布满整个电极面积，阴极还会出现溅射现象。第六区为第二过渡区。 G点电压称为弧光放电着火电压，电流出现第二次迅速增大，管压迅速下降，是反常辉光放电和弧光放电的过渡区。 第七区为弧光放电区 。管压降到H点以后，放电进入弧光放电状态，极间气体发出耀眼的弧光。稳定时，管压降为几十到十几伏，电流根据电源功率和限流电阻大小，可达1到几百安培。异常辉光放电和弧光放电区域放电电离较大，产生强烈的阴极溅射，且不

32、易控制。可以通过控制放电管中的气体种类、压强、端电压、负载电阻等来控制气体放电由一种形式转化为另一种形式或维持某种放电形式。等离子体特性：气体高度电离，极限情况下所有中性粒子都被电离。具有很大的带电粒子浓度，且正负带电粒子浓度几乎相等，所有具有良导体特征。稳定情况下其中的电场相当弱，且电子与气体原子频繁碰撞，可看作热运动。2 气体放电机理电子繁流理论： 气体放电是气体中带电粒子不断增值的过程。在电场作用下由外界催离作用产生或前一次放电残留下来的原始电子在向阳极飞行的过程中，从外电场得到能量而加速，至动能超过气体分子的电离能时（对氖原子，其电离能约为21.4eV），碰撞中性的气体分子，使其电离并

33、使自由电子增殖。如此反复继续，形成雪崩，也就是着火放电。为了产生稳定可靠的放电，在实际的器件中常设有专门的结构提供稳定的初电子源，称为引火装置。气体发光： 处于激发态的气体分子（未电离）中的电子跃迁回基态所产生的辐射。对于氖原子，从2P1能级到1S2能级跃迁，发射582nm的橙红色光；对于氙原子，从6S能级向5P能级跃迁，发射147nm的真空紫外线。潘宁效应： 在给定的气体中参入少量杂质气体，如果杂质气体的电离能小于给定气体的亚稳能级，就会使混合气体的着火电压降低。在等离子体中，常用潘宁效应来降低着火电压，例如在氖气中掺氩气，在氦气中掺氙。帕邢定律：影响着火电压的因素除了电极材料、气体压强p和

34、极间距离d，还与pd的乘积有关，即Ub是pd的函数。存在一个最佳的pd乘积使着火电压最低。如果电极表面的二次电子发射系数较高，有利于载流的产生和维持，因而着火电压可以降低。AirHgH2ArNeNe+1.5Ar光区分布：放电单元发光区域和发光强度随空间的分布（1）负辉区：发光紧靠阴极，而且发光最强。实际上负辉区和阴极之间还存在阴极暗区。负辉区的发光有激发辐射和复合辐射二种。（2）法拉第暗区：由于电子在负辉区中损失了很多能量，进入该区域内，没有足够的能量来产生激发，（3）正柱区：表现为均匀的光柱或明暗相间的层状光柱。任何位置上电子密度和正离子密度相等，净空间电荷为零，所以称为等离子区。对于等离子

35、体显示板，由于放电间隙小，正是利用负辉区的发光来实现显示的。7.4.2 单色PDP单色PDP是利用Ne-Ar混合气体在一定电压作用下产生气体放电，直接发射出582nm橙色光而制作的平板显示器件。按其工作方式，分为交流等离子体显示(AC-PDP)与直流等离子体显示(DC-PDP)二种。 DC-PDP由于无固有的存储特性，靠刷新的方式工作，亮度比较低，现在已不太流行。 AC-PDP用电容限流，其电极通过介质薄层以电容的形式耦合到气隙上，因此只能工作在交流状态，它无电极溅射问题，具有固有的存储特性，亮度可以很高，是目前PDP的主流。一、 ACPDP1. ACPDP结构 ：在两块厚3-6mm的玻璃板上

36、制作条状电极，并在电极上覆盖一层介质（常为沉积一层低熔点玻璃），使电极不与放电气体接触。将制好的上下玻璃板电极按空间正交方式面对面相距0.1-0.15mm放置，四周用低熔点玻璃密封，之后再经排气、烘烤、充入总压强(58)104Pa的Ne-Ar混合气体(Ar占0.1%)后密封、老化即可。 1.玻璃板；2.介质覆盖层；3.Ne-Ar气体；4.Y电极；5.X电极；6.隔离玻璃2. AC-PDP工作原理和存储特性AC-PDP工作时，所有行、列之间都加上交变的维持电压Vs，其幅值不足以引燃单元放电，但能维持已有的放电，此时各行、列电极交点形成的像素均未放电发光。如果在被选单元相对应的一对电极间叠加一个书

37、写脉冲，其幅值超过着火电压Vb，则该单元就放电发光。放电产生的电子和正离子在电场作用下分别向瞬时阳极和瞬时阴极运动，并积累于介质表面成为壁电荷。维持电压转到下半周时极性相反，外加电场与上次壁电荷所产生的电场同向叠加，合成电压的幅值又超过着火电压，该单元又放电发光。可是，此时又形成与该瞬时电压相反的壁电压，使放电熄灭。到了下一个周期，根据同样道理产生一次着火，随后又熄灭。如此循环，产生一串光脉冲。壁电荷产生的电场与外加电场反向，经几百纳秒后其合成电场不足以维持放电，放电终止，发光呈一光秒冲。AC-PDP的像素的工作过程为： 书写（记录）-存储-擦除。不像CRT那样每帧必须予以刷新。如要停止已放电

38、单元的放电，可在维持脉冲之前加入一个擦除脉冲，它同壁电压叠加形成一种微弱放电，产生的带点粒子将壁电压中和掉。因此，虽然显示板还有维持电压，转向后没有足够的壁电荷电场与之叠加，放电就不能继续发生，转入熄灭状态。由上可知，一旦有一个书写脉冲叠加在维持电压上，产生一次着火，使某一像素发光。此后不必再加书写脉冲，靠维持电压脉冲就可引起再次放电，每半周放电一次，产生一个光脉冲，这种现象就是AC-PDP固有的“记忆”或“存储”特性，即只要加入一个书写脉冲，就可使单元从熄灭转入放电，并继续维持下去。PDP单元虽是脉冲放电，但在一个周期内它发光两次，维持电压脉冲宽度通常为510us，幅度为90100V，工作频

39、率范围在3050kHz。因此，光脉冲重复频率在数万次以上，人眼不会感到闪烁。3. 灰度调制AC-PDP具有双稳态的工作特性，它只能处于着火或熄灭两种状态之一，要显示中间状态（灰度）是相当困难的，目前已研制出几种灰度调制方法。平面法灰度调制用同一显示板上的若干单元组成1000个像素，如图是用4个单元（两条电极的交叉点）组成一像素。实际上是在两对电极加上不同的维持电压，在4个单元上合成4种不同的维持电压， 使4个单元发光亮度比是：A:B:C:D=1:2:4:8。由选通电路根据视频信号的强弱使4个单元中的几个发光，就可以实现灰度调制。例如：A、B、C、D各单独发光就分别有第1、2、4、8级灰度。如果

40、将它们组合起来可实现其他级灰度调制。如A和B组合是第3级灰度，A+B+C是第7级灰度，A+B+C+D是第15级灰度，其余类推。由此可组成16级灰度（包括0级-全熄灭状态）。若取8个单元组成一个像素，8个单元发光亮度之比为1:2:4:8:16:32:64:128，则可以得到256级灰度调制。4. AC-PDP的驱动由驱动电路、显示控制电路和电源三部分组成。x、y方向驱动电路可采用专用集成块，在控制电路控制下产生PDP所需的维持、书写和擦除脉冲，扫描部分工作在俘地上。利用AC-PDP固有的存储特性可以不采用映像存储器，以简化电路。驱动电压的幅值对显示器亮度有影响，但曲线比较平缓且很快趋于饱和。驱动

41、电压的频率对亮度影响很大，在一定范围内与亮度有线性关系，因为频率越高，单位时间的发光次数增多。但频率高时，功耗也增加，器件的温升明显。现在最高的维持频率一般在60kHz以下。单色AC-PDP最大尺寸为对角线152cm，显示容量为2048*2048线。二、DC-PDPDCPDP结构 ：在两块玻璃板中间夹一块铝板，其上用光刻法制作许多小孔后再通过阳极氧化形成绝缘层；铝板两侧交叉排列铂金丝，形成空间正交的X、Y电极，交点在铝板小孔处，电极与放电气体接触。四周用低熔点玻璃密封，之后再经排气、烘烤、充入纯Ne气后密封、老化即可。1.铂丝；2.玻璃板；3.X电极；4.Y电极；5.阳极氧化铝板7.4.3 彩

42、色PDP1. 工作原理 现在获得彩色显示的成功方法是用He-Xe混合气体放电时产生不可见的147nm真空紫外线（VUV），再使VUV激发相应的三基色光致发光荧光粉发出红、绿、蓝三基色可见光，从而达到彩色显示。2. 几种实用的器件结构 达到实用的彩色PDP主要有三种类型，即表面放电式、对向放电式和脉冲存储式。（1）对向放电式AC-PDP 对向放电式彩色AC-PDP基本结构和单色AC-PDP基本相同。两个电极分别制作在上下两块基板上呈空间正交。在前基板上增加了黑矩阵以提高对比度。为了避免单元放电产生的VUV照射到相邻单元的荧光粉上而产生光的串扰，后基板上每个单元都要筑起一定高度的障壁来切断VUV向

43、附近单元的传播。荧光粉涂在后基板的障壁两边及介质表面，但电极线区域无荧光粉，目的是减少放电离子对荧光粉的轰击，以提高器件的工作寿命。 对向放电式结构的主要缺点是，荧光粉处于放电的等离子区内，它受到正离子的轰击，容易受到损伤，导致发光亮度下降。对向放电式表面放电式（2）表面放电式AC-PDP选址电极和荧光粉层制作在一块基板上，维持电极在另一基板上。器件工作时，选址的瞬间在上下两块基板之间放电，而在占一帧工作时间大部分的维持工作状态期间，放电仅在制作有两条维持电极的一块基板表面进行。这样，荧光粉层大多数时间内不接触气体放电的等离子区域，使器件寿命大大提高。对向放电式表面放电式3 荧光粉 彩色PDP

44、用的荧光粉和彩色CRT用粉不同，是一种光致发光粉。紫外光的能量不过5-6eV，而CRT中的电子能量大于几万eV，所以光致发光荧光粉的激发密度远低于阴极射线发光，因而有较高的转换效率。一些材料在电子束激发下易于发光，但不能再VUV的照射下发光。彩色PDP常用的荧光粉材料如表所示。工作时，在所有的单元都加上维持电压脉冲。当某个书写电压脉冲加到某个放电单元上时，该单元放电而发射紫外光，紫外光激励电极旁边的荧光粉，产生相应颜色的光。通过选通可使不同的单元发光，产生不同颜色的光。红、绿、蓝3个单元（或4个单元）发出的光可组成不同的颜色。4. 彩色PDP的灰度控制 彩色PDP要实现全色显示，灰度控制是个关

45、键。由于气体放电的非线性极强，它只能处于着火或熄灭一种状态，无法用幅度控制法实现灰度显示。彩色PDP常用分帧驱动法。例如：图像帧频为50或60Hz，为了实现16级灰度，将一帧时间分为4个子场。每个子场的时间按1:2:4:8分配，也就是每个子场所包含的维持脉冲数也符合上述比例。当选用不同的子场来驱动各行时，4个子场不同的组合就可得到24，即16种不同的维持脉冲数，因为每个维持脉冲引起一次发光，就产生16种不同的平均亮度，即16级灰度。灰度等级越高，每帧分出的子场数越大，要求器件的响应速度加快。彩色PDP的响应速度可以适应实现全色显示所需的256级灰度的要求。5. 彩色PDP的典型性能亮度可达35

46、0cd/m2，具有256级灰度，可显示1500万种颜色。7.5 场（电）致发光显示（ELD）电致发光（EL）：固体发光材料在电场激发下产生发光的现象。 按照场致发光激发过程不同其分为两类：低场型电致发光：在-族化合物的pn结上注入少数载流子，产生复合而发光，典型代表是发光二极管（LED)。 高场型电致发光：是一种高场非结型器件的发光，其材料是-族化合物。高场型电致发光现象1936年被观察到，50年代希望把它做成冷光源，但亮度和寿命没有过关。1974年日本用半导体技术制作成薄膜器件，把发光层夹在两层高质量介质薄膜之间，使器件工作在交流状态，获得高亮度和长寿命，奠定了现代EL平板显示技术的基础。高

47、场型电致发光器件结构可分为薄膜型和粉末型两种。交流薄膜型可用作矩阵显示，是目前EL技术发展的主要方面。交流粉末型用作LCD的平面光源。7.5.1 发光二极管（LED）1. 工作机理在半导体化合物的pn结上加上正向偏压，使势垒高度降低并产生少数载流子的注入。注入的少数载流子和该区的多数载流子复合，多余的能量以光的形式辐射。LED包括可见光、红外光，但用于显示的仅限于可见光。优点：工作电压低，一般为2V左右；发光效率高，可大于100lm/W；响应速度快，可达1ns；寿命长，可达数十万小时；可靠性高。2. 基本结构用半导体发光材料制作pn结芯片，芯片大小约 ，芯片外用高透明度和高折射率的材料封装，封

48、装材料可减小芯片材料和大气折射率的适配，提高出光率。不同外形的封装，可调节出射光的角向分布。有时在一个底座上安装发不同颜色的几枚芯片。3. 工作特性和典型性能伏安特性与半导体二极管大致相同，亮度与电流近似成正比。但发红光的GaP LED在电流较大时发光亮度呈饱和趋势。此时若用脉冲驱动，如平均电流与直流相同，可获得比直流更高的亮度。LED的发射光谱与所用的材料直接有关。用多个LED排成矩阵板可作大型字符和图形显示，显示屏面积可达几十平方米，适合于公共场所广告显示。随着超高亮度蓝色和绿色LED的商品化，室外巨型彩色电视显示已成可能。7.5.2 有机薄膜发光显示器（OLED）1. OLED特点：(1

49、) 发光效率高、亮度大；(2) 有机发光材料众多、价廉且易大规模/大面积生产(3) 发光光谱覆盖红外到紫外，便于实现全彩色显示(4) 材料的机械性能良好，易加工；(5) 驱动电压低 ，能与半导体集成电路的电压相匹配，驱动电路易实现OLED已成为当今超薄、大面积平板显示示器件研究的热门。 2. OLED器件结构由夹在一个透明阳极和金属阴极之间的有机层组成层状结构。 有单异质结构和双异质结构。3 OLED发光机制由阴极注入的电子和阳极注入的空穴在发光层相互作用形成受激的激子。激子从激发态回到基态时，将其能量差以光子的形式释放出来，光子的能量为:其中h为普朗克常数， 为出射光子的频率，2为激子在激发态的能量，1为激子在基态的能量。4 OLED器件的分类无源矩阵OLED ： 有机层夹在两个互相垂直的电极层（阳极和阴极）间，发光像素按矩阵排列，被扫描像素在相应行、列驱动电压的驱动下，流过电流而发光。电极与发光层上、下分别有保护层与玻璃基板。显示器件结构简单，价格低廉，适于低信息量的显示应用，如字符、数字显示器。有源矩阵OLED ： 显示面板上增加一层电子底板，每个像素