第六七章PDP及电致发光课件

第六章等离子体显示§6.1气体放电特性§6.1.1等离子体气体放电发光：气体分子（原子）中的电子在电场的作用下或外电子的撞击下会从低能态跃迁到高能态。电子从高能态回到低能级时，就会产生发光现象。气体原子中电子跃迁到高能态时会脱离原子的束缚，此时原子便成为离子。处于电离态的气体和自由电子一起构成的导电粒子组合称为等离子体*1-等离子体高温等离子体--温度达到106-108K低温等离子体--温度低于l05K热等离子体--气体在大气压力下放电,气体温度和电子温度比较接近或相等冷等离子体--放电在低气压下进行,气体温度远低于电子温度显示的辉光放电属于冷等离子体*2-§6.1.2气体放电的伏安特性

调节气体二端的电压值，测量流过气体的电流大小，可以得到气体的伏安特性。气体的伏安特性表现出很大的非线性。*3-IIIIIIIVVVIVIIVBVS10-1610-1410-1210-510-410-310-210-1110I02004006008001000I非自持放电区II汤森区III自持放电区IV欠辉区V正常辉光区VI异常辉光区VII弧光曲*4-

气体中少量自由电子在电场作用下定向运动，产生电流。这些电子如果有足够的能量使其他原子电离，则会产生更多的自由电子，形成雪崩过程，使电流指数增加。其中V为外加电压，为第一汤森系数，表示每伏外加电压产生的离子和电子对。当正离子轰击阴极时，产生二次电子，二次电子产生额外的放电电流其中Vi为气体电离电压，为第二汤森系数*5-当离子产生的二次电子和二次电子产生的离子在数量上达到平衡时，就无需外电场产生额外的电离电荷便可维持放电，成为自持放电。即VB称为击穿电压。此时可以降低外电压，仍能维持较大的放电点流。当电压低于VS时，放电熄灭，VS称为维持电压。气体放电显示一般工作在VB和VS之间—+阴极光膜负辉区正柱区阳极辉区目前PDP显示中经常采用负辉区*6-§6.1.3帕邢定律为一个电子经过单位距离(1cm)后与气体原子碰撞所产生的电子—离子对数，电极之间的间距为d，则产生的电子—离子对为

(ed-1)为每一个轰击阴极的正离子从阴极打出的二次电子数，若能够自持放电，则必须设

*7-根据实际气体的测量结果，和p(气压)之间的关系由此得到击穿电压UB=Ed代入上式*8-

在气体放电中，击穿电压取决于气压和电极间的间距的乘积其中A,B取决于气体的种类，和气体及阴极材料有关。令，得到最低击穿电压*9-10030010003000100000.31310301003001000AirNeNe+0.1%ArUBPd(torr-cm)不同气体的巴邢曲线*10-§6.2PDP显示原理1964年美国伊利诺斯大学发明§6.2.1PDP显示的结构阴极透明阳极隔离板引火孔*11-§6.2.2直流PDP显示的自扫描原理R123+250V+250VRsRD扫描阳极显示阳极复位阴极R123456阴极引火孔*12-R接地，1、2、3接+85V,复位阴极点火1接地，复位阴极加+85V，电极1点火，而电极4不点火2接地，1加+85V，电极2点火，电极5不点火依次类推，用三个位相的方波轮流交替，实现自扫描过程。图像显示的亮暗点由显示阳极控制。当扫描到某点时，显示阳极加+250V，使放电通过引火孔到达上端。*13-§6.2.3交流PDP显示介质层交流驱动可有效保护电极，延长寿命采用方波驱动。放电时电离的电荷在电场的作用下定向运动，最终堆积在介质层上当方波方向相反时，加在内部气体上的电压因该为脉冲电压加上电极上壁电压之和。因此平时只要加大于1/2的击穿电压作为维持电压，点亮时加一较高的脉冲，其间放电。关掉时加一反相的短脉冲，中和积累电荷，放电停止*14-CWCWCg等效电路当稳定放电时即U0UWUWUgI*15-测量壁电压变化和Ug的关系UgUWCBA选择外加电压U0为C点的电压，则可得到二个稳定的工作点。加脉冲使电压超过B点，则工作点自动落于A点，加反响脉冲使电压低于B点，则工作点落于C点。两条切线对应最大和最小的维持电压Vs*16-§6.3彩色PDP显示器工作原理*17-PDP的荧光粉PDP荧光粉为光致发

光的荧光材料147nm激发发光效率1.2lm/w*18-背板PDP面板前面板*19-RearGlassDataElectrodesDielectricsRibsColourPhosphorBlackMatrix背板*20-RearGlassColourPhosphor不对称分布*21-背板制作过程*22-阻隔壁的制作方法喷砂法*23-结构显微图*24-荧光粉的制作印刷成形法感光成形法*25-荧光粉照片印刷法光成形法*26-FrontGlassSustainElectrodes(Transparent+Wire)ScanElectrodes(Transparent+Wire)前面板*27-前面板的制作*28-Bus电极的制作*29-MgO层的镀制*30-封装FrontGlassRearGlassNeon/XenonGasSealClick*31-像素结构

RibRibScanElectrodeSustainElectrodeXenon+NeonDataElectrodeColourPhosphorDielectricsRearGlassFrontGlassAluminumBaseCLICKCLICKCLICKCLICKCLICKCLICK*32-显示板PanelGlassAssembleAluminumBaseDataDriveBoard(COB)*33-PDP屏的屏蔽玻璃(EMIfilter)*34-屏蔽玻璃由玻璃、红外滤光薄膜、金属网和减反射膜构成金属栅格是由10m左右的铜线构成的方形网格组成*35-PDP的灰度显示*36-PDP的放大照片PDP显示的优缺点优点：大视角，大屏幕，高对比度缺点：像素较大，高分辨率较难实现功耗较大，重量较大荧光粉的寿命问题*37-PDP的驱动电路*38-PDP面板的驱动电路*39-目前主要PDP显示板的分辨率*40-PDP的缺陷*41-缺陷的参数*42-PDP的寿命*43-*44-第七章电致发光显示

当荧光材料或半导体在外电场的作用下而产生的发光称之为电致发光(EL,Electroluminescence)电致发光分为： 电场激发电致发光 电荷注入电致发光电致发光器件分为：无机电致发光和有机电致发光无机发光分为：交流粉末型，直流粉末型，直流薄膜型和交流薄膜型*45-§7.1无机电致发光的发光机理发光的最原始机理为电子的跃迁，当电子从高能态跃迁到低能态是就会发出光子：晶体

晶体：原子的周期性规则排列所造成的由外平面包围的多面体固体晶胞：周期性结构中的最小重复单元晶面：晶体中的任一平面晶向：晶面的法向方向*46-晶体能带介电子：受原子团束缚的电子，无法参与导电导电电子：介电子脱离原子团的束缚，可自由传递参与导电根据量子力学理论导电电子和介电子的能量为其中：L为晶体长度*47-禁带能带图导带介带Eg>2eV,绝缘体Eg≈0,导体0<Eg<2eV,半导体*48-场激发电致发光

固体中电子在外电场的作用下，从基态跃迁到高能态，一般需要103－106V/cm的电场。在固体中掺杂一些杂质后，形成俘获中心（陷阱）和亚稳态。亚稳态能级不容易跃迁到基态，容易受激跃迁到高能态，高能态容易跃迁到基态发光。这些杂质称为发光中心。*49-§7.2无机场激发电致发光交流粉末EL器件结构§7.2.1交流粉末器件发光强度B0和c为常数，和材料有关*50-在不同频率下交流器件的发光强度不同，在低频下发光强度和频率成正比，而在较高频率下，发光强度则趋于饱和

*51-直流粉末EL器件结构§7.2.2直流粉末器件直流粉末的包铜处理

*52-通过包铜处理后，CuxS呈P型，与ZnS:Mn形成ＰＮ结。直流粉末器件的能带图如下*53-器件的发光强度可以表示为

其中n是一个大于1的常数

图中一条曲线为单向脉冲驱动，其寿命较DC长*54-交流薄膜器件结构§7.2.3交流薄膜器件*55-和粉末型器件相比，交流薄膜器件有较高的发光亮度和较陡的阈值，适合于无源矩阵驱动*56-交流薄膜器件由于发光层夹于二介质层之间，存在着电荷堆积的现象，所以交流薄膜发光特性和驱动脉冲有直接关系．当电子在界面处堆积到一定程度，同方向的脉冲不再使器件发光。这种效果在去掉外电场后很长一段时间内都不会消除，由此可以方便驱动控制

*57-§7.2.4EL器件的驱动

扫描电极施加阈值电压，约160V。数据电极施加调制电压，一般在30~60V，得到交叉点上的电压在160~220V之间变化。扫描频率一般在60Hz，由于EL器件的发光较快，要远快于液晶，所以占空比可以做的比较小，可达1/500~1/1000，所以可以实现

500~1000的高分辨率显示

*58-§7.2.5彩色EL器件的实现彩色EL器件一般采用多色荧光材料或采用白色荧光材料加滤色片的方法．*59-发光材料的色坐标*60-

彩色器件的结构可分为三种：多层式，色点式和彩色滤光片式三种

多层式结构*61-色点方式是把不同颜色的发光材料用光刻方法同时镀在同一平面，类似与彩色显象管*62-用滤光片的方法是采用白色发光材料，在相对应得控制电极上覆盖三色滤光片来实现彩色．这种方法类似与彩色TFT液晶显示屏

*63-§7.3电荷注入式电致发光显示－－发光二极管(LED)LED发光原理即为前面所述，在载流子注入PN结时发生电子和孔穴的复合，从而发光．LED显示有以下几个优点：1.可靠性高；2.驱动电压低(一般为2V)；3.有较高的响应速度*64-直接带隙半导体和间接带隙半导体直接带隙半导体：高发光效率GaAs,InP,AlAs,GaAlAs,InGaAsP间接带隙半导体：低发光效率Ge,Si*65-费米-狄拉克分布电子处于能量为E的能级几率为：空穴处于能量为E的能级的几率为：空穴是指介电子激发跃迁以后在介带留下的空位。公式中EF称为费米能级费米-狄拉克分布；*66-p型、n型和I型半导体施主杂质：掺杂到半导体中提供多余电子的元素，如P、S、As等受主杂质：掺杂到半导体中提供多余空穴的元素，如B、Be、Zn、In等n型半导体：掺杂施主杂质，形成电子导电型半导体P型半导体：掺杂受主杂质，形成空穴导电型半导体I型半导体（本征型半导体）：没有杂质的半导体*67-EFEFEFI型n型P型简并n型半导体简并p型半导体掺杂对费米能级的影响*68-掺杂量和费米能级移动量的关系EFEFEFI型n型P型EiEi施主受主ND,NA,Ni

施主、受主、本征载流子浓度*69-pn结VD称为势垒高度P型半导体和n型半导体之间的接触界面，由于载流子的扩散，在界面附近形成空间电荷区。耗尽层*70-LED发光机理载流子的复合

电子从介带跃迁到导带而产生电子空穴对时，需要吸收能量。当电子和空穴复合时会放出能量，能量以辐射或非辐射形式释放。

从电子来看，我们可以把受激产生电子空穴对以及电子空穴对的复合看成是电子的能级跃迁。*71-pn结的能带图

当pn结加正向电压时，导致p、n处费米能级不一致，在pn结附近产生了粒子数反转。电子和空穴的复合几率增加，产生光子发射。EEN、EFP称为准费米能级*72-LED内的复合种类1.带间复合：导带中电子和介带中空穴的复合，产生的光子能量接近禁带宽度,即2.D-A对复合：在轻掺杂的半导体中，施主俘获的电子和受主俘获的空穴之间的复合。3.等电子陷阱的激子复合：等电子杂质是指掺杂在半导体中的同一族原子，它的介电子数相等。由这些原子构成俘获电子和空穴的陷阱。形成高效率的发光*73-LED的内量子效率LED的内部量子效率

其中为电荷注入效率,q为辐射效率，一般pn结是电子注入到p区复合发光，因此Dn、Dp---电子和空穴的扩散系数Ln、Lp电子和空穴的扩散长度nn0和Pp0---n区的电子浓度和p区的空穴浓度*74-即辐射复合和非辐射复合数之比。其中Rr，Rnr为辐射复合和非辐射复合几率，r

，nr为辐射复合和非辐射复合载流子寿命为提高注入效率，一般nn0>>pp0，此时n标为n+辐射效率：*75-LED的外部量子效率LED的外部量子效率定义为总的光输出功率和总的电功率输入之比影响LED外部量子效率的三个因素为：半导体对光子的吸收半导体介质的界面反射光折射中的临界角*76-一些半导体材料的外部量子效率*77-LED的性能1.LED的带宽由于电子和空穴在导带和价带内具有既定的能级分布。其中电子在离导带1/2kT处具有最大的几率。同样情况出现在空穴在价带中的分布。因此当电子从导带跃迁到价带时，产生一定的辐射带宽。典型的带宽*78-*79-一个红光LED的发光光谱不同的材料其带宽不同*80-2.LED的电光特性LED的电流发光特性LED的电压、电流曲线LED的发光强度和电流成较线形关系。而LED的伏安特性和二极管类似，有一个较明显的阈值电压。*81-*82它的电流电压曲线如左图．图中的曲线和常规的二极管电流电压特性曲线是一致的．当加正向电压时，电压达到一定的阈值后，器件的电流开始增加．这一电压即为PN结的势垒高度．加正向电压时势垒高度降低，势垒两边载流子开始向对面扩散，复合发光开始-LED的结构*83-加外封装以后的结构*84-如何提高外量子效率1．P层在最外，n层在内部，以减少半导体对光子的吸收2.采用球形的光学材料封装，增大光从半导体到外部的全反射临界角GaSe的折射率为3.66也可采用侧面出光的方法*85-异质结发光二极管宽禁带半导体和窄禁带半导体的结合。由于势垒较低，电子注入效率高。宽禁带阻止了电子和空穴的复合，复合在窄禁带半导体内进行。由于光子能量和宽禁带能量不相同，光不被宽禁带材料吸收。因此异质结发光二级管有较高的发光效率。*86-LED的响应速度较高，因此LED也可以做为光的调制器件。LED的截止频率为：其中mc为少数载流子的寿命．对于GaAs材料，mc在1-10ns之间，所以调制频率可达16到160MHz

LED的调制速度*87-用于LED的半导体材料用于LED的半导体材料必须满足几个条件：a.材料必须具有一定的禁带宽度，使之能辐射所需的光波．b.必须具有较高的量子效率c.PN结发出的光必须能有效地传到外面

目前常用的为周期表中的III~V族元素．如红色LED常采用GaP:ZnO，绿的采用GaP:N，蓝色LED要求禁带宽度大于2.54eV，可用的材料包括GaN,ZnS,ZnSe,SiC等

*88-几种常用LED材料及特性表

*89-光谱及发光亮度*90-LED的参数1.极限功耗PmPN结电流的升高会造成节温的升高，在最大的节温状态下所消耗的功率即为极限功耗2.极限工作电流Ifm极限功耗下的工作电流3.最高允许反向电压Vs反向电压增加时，LED会击穿，击穿电压即Vs,LED一般4-5伏4.最大允许正向脉冲电流Ifp在一定频率、一定占空比的正向电流驱动下所能承受的最大脉冲电流5.最高允许节温TjmPN结的最大工作温度，超过会导致损坏*91-6.正向工作电流IF发光强度一般与正向工作电流成正比，正向工作电流成正比一般不超过极限工作电流的60%7.正向工作电压VF正向工作电压一般控制在1.4-3V8.法线发光强度IvLED发光面法线方向的发光强度，单位mcd9.发光峰值波长发光强度最大所对应的波长10.光谱半宽度从峰值波长到光强度变为峰值1/2时的波长间隔11.半值角1/2光线偏离法线时发光强度的变小。发光强度变为峰值1/2时的角度*92-LED的驱动LED的直流驱动恒流驱动，利用晶体管的恒流特性脉冲驱动LED的有效工作电流*93-LED的矩阵扫描：H1,H2,…为扫描电压，由L1,L2的高低电平确定LED是否发光LED模块*94-LED模块内部的连线*95-*96-§7.4有机电致发光(OEL,OLED)

有机电致发光器件采用有机分子作为发光材料．由于OEL器件的发光机理属于电荷注入型，所以OEL器件有时也称为有机发光二极管(OLED)．OEL显示器件有以下优点：1.有较高发光效率2.驱动电压较低3.响应速度较快4.薄膜型器件，可以做成较大面积*97-§7.4.1有机电致发光器件结构及发光机理OEL器件是利用导电子材料和导孔穴材料的特性，使电子及孔穴在它们体内或界面附近发生复合，从而发光．

OEL器件结构分单层和多层．单层器件为单层的发光薄膜夹于二电极之间，如AL|Alq3|ITO．它的能带图如下：

*98-多层EL器件的结构图和能带图

*99-最常用的发光材料是Alq．孔穴传输材料则为TPD和NPB．它们的典型器件结构图如下．其中的CuPc为缓冲层．

*100-多数有机材料的发光颜色较纯．Alq的发光颜色为绿色，峰值波长为528nm，它的发光特性如下图

*101-上述典型Alq三层结构器件的驱动电压较低，电流较小，发光效率较高

*102-§7.4.2有机电致发光材料与器件特性

OEL材料包括电子传输材料，孔穴传输材料和掺杂材料

*103-有机材料的导电机理有机分子之间作用力为范德瓦尔斯力，结构松散，无法形成晶体的能带结构最高已占轨道(HOMO)，最低未占轨道(LUMO)分子处于基态时，所有能量在HOMO轨道以下的分子轨道充满电子，能量高于LUMO的分子轨道为空激发时，处于HOMO轨道上的电子跃迁到LUMO轨道上HOMO和LUMO之间没有其他的分子轨道，因此HOMO和LUMO之间的能隙就像半导体中的禁带。*104-有机分子发光*105-*106较高的荧光量子效率较好的载流子传输特性容易真空升华成膜良好的光和热稳定性典型材料8-羟基喹啉铝（绿光532nm）LiB(mq)4(蓝光470nm）聚苯乙烯撑（黄绿）聚噻吩（红光）聚对苯撑和聚烷基芴（蓝光）发光材料-*107有机空穴传输材料较高的空穴迁移率良好的成膜性较小的电子亲和能，利于空穴注入较低的电离能，对电子有阻挡作用较高的激发能量，防止激子的能量传递良好的热稳定性典型材料三芳胺类有机分子（TPD、α-NPB、m-MTADATA、TPTE）聚乙烯基咔唑（PVK）聚硅烷（PMPS）-*108有机电子传输材料良好的成膜性较高的电子亲和能，利于电子注入较高的电子迁移率，易于电子传输较大的电离能，对空穴有阻挡作用较高的激发能量，防止激子的能量转移良好的热稳定性典型材料口恶二唑衍生物（PBD）；三唑衍生物（TAZ）；8-羟基喹啉铝PPOPH；PPOOPH-*109小分子有机物小分子有机染料：选择范围广，易提纯；存在浓度淬灭等问题，导致发射峰变宽或红移。一般以低浓度掺杂在具有某种载流子性质的主体中。红、绿、蓝光均有成熟的染料。有机金属配合物：既有有机物高荧光量子产率的优点，又有无机物稳定性好的优点。其中稀土络合物具有窄带波长发射、荧光寿命长等特点。分子量500-2000，真空蒸镀成膜共轭高分子聚合物有良好的机械加工性能，大面积成膜；容易通过化学修饰调节光电性能；热、电稳定性良好；成本低，但纯度不易提高，性能比小分子化合物差。分子量10000-100000，旋涂或喷墨打印-聚合物发光材料1.

树形聚合物

2.长链聚合物分子:-OLED电极材料阴极材料为提高阴极电子的注入效率，需要功函数较低的金属材料单层金属电极：Ag，AL，Li，Mg，Ca,In合金阴极：Mg:Ag(10:1)，3.7eV；Li:AL(0.6%Li)，3.2eV，性能稳定，在有机膜上牢固层状阴极：极薄的LiF，Li2O，MgO，Al2O3等材料，外面加一层较厚的Al。*111-§7.4.3彩色有机发光显示器件

彩色器件的实现有几种方案：1.白色发光材料加彩色滤光片阵列2.蓝色发光材料加彩色荧光材料阵列3.三色发