场发射显示器驱动电路设计

1场发射显示器驱动电路设计摘要场发射显示器(FED)是一种非常有市场竞争力的新型平板显示器,FED的基本原理与阴极射线管(CRT)是比较相似的并且兼有液晶显示器(LCD)和等离子体显示器(PDP)等薄型平板显示器的优点,具有很大的市场开发潜力。由于发展初期人们将目光和精力主要集中在研究场发射显示器的阴极的发射电压、发射电流、亮度以及寿命等问题上，在一定程度上忽视了其驱动电路的研制。本文简要的介绍了场发射显示器的发展过程和发射原理，主要对场发射显示器的阴极发射材料的发展和驱动点电路的设计做了比较深入的研究,主要分析了驱动电路的二级结构和三级结构,并简要的分析了场发射显示器在发展过程中所面临的一些有待解决的问题和研究中遇到的困难,并且对今后的场发射显示器所发展的方向做了一定的展望。关键词:场发射显示；阴极材料；驱动电路ThedesignofdrivingcircuitforfieldemissiondisplayAbstractFieldemissiondisplay(FED)isaverycompetitiveinthemarketofnewtypeofflatpaneldisplay,fedthebasicprincipleandthecathoderaytube(CRT)iscomparedwithsimilarandbothliquidcrystaldisplay(LCD)andplasmadisplaypanel(PDP)thinflatpaneldisplayadvantages,withgreatdevelopmentpotentialinthemarket.Duetotheearlydevelopmentofthepeoplewilllookandenergymainlyconcentratedintheresearchfieldemissiondisplaycathodeemissionvoltageandemissioncurrent,brightnessandlifeissues.Inacertainextent,ignoredthedevelopmentofthedrivecircuit.Thebriefintroducedfieldemissiondisplayofthedevelopmentprocessandprincipleoftransmission,mainlyoffieldemissiondisplaycathodeemissionmaterialstodevelopanddrivecircuitdesignmadeamorein-depthstudy,themainanalysisofthedrivingcircuitofthesecondaryandtertiarystructures,andJanetotheanalysisofthefieldemissiondisplayfacesinthedevelopmentprocessofsomependingthedifficultiesencounteredintheproblemtosolveandresearchandonthefutureoffieldemissiondisplaythedevelopmentdirectiondocertainoutlook.Keywords：Fieldemissiondisplay；Cathodematerials；Drivecircuit1引言科学技术的迅猛飞速的发展使人们对生活需求不断提高，同时人们对高清晰大屏幕的平板电视的需求也越来越渴望,实现大屏幕显示的技术很多，主要有液晶显示器（LiquidCrystalDisplay,LCD）、有机电致发光显示器（OrganicLightEmittingDisplay,OLED）、等离子显示器（PlasmaDisplayPanel,PDP）、电致发光显示器（ElectorLuminescentDisplay,ELD）等。随之场致发射显示器(FieldEmissionDisplay,FED）的迅速发展也快速的引起了人们的极大兴趣，因为它是八十年代末刚问世的真空微电子学的产物，并且展示出强大的市场潜力2与竞争力。场发射显示器的显示原理与传统阴极射线管（Cathode-RayTube,CRT）非常接近。传统阴极射线管是一种采用热阴极技术的平板显示器，恰恰相反，场发射显示器是一种采用冷阴极技术的新型平板显示器。FED因为CRT的高图像质量和LCD的薄型低功耗的诸多优点，是市场上公认的CRT的下一代产品，因而备受亲睐。与此同时，FED和PDP一样也可以实现大面积显示,其在发光效率（5-15lm/w）、亮度（1000cd/㎡）、视角等方面具有与LCD和PDP相当的优势。FED备受市场推崇，还有其他的优点，比如：分辨率很高、良好的色在性、超高的对比度（大于100:1）、在极高和极低的温度下依然性能依然良好、快速响应能力、抗振动冲击、电磁辐射强度低、性价比高、容易实现数字话显示。基于FED以上的优点,世界上很多电子科研机构都对FED进行了详细深入的研究。2场发射显示原理场发射显示器（FieldEmissionDisplay，FED）的基本结构是由两块平行的交叉电极构成的可寻址的电子场致发射阵列基板和靠支撑体支撑涂有三基色荧光粉像素阵列的前板两部分组成，最后经过真空封装构成。如图1所示FED的基本结构图。场致发射显示是当栅极相对于底电极加上正向电压时，阴极尖锥的尖端产生非常强的电场（电场强度大于50000000v/cm），在强电场作用下阴极表面势垒高度将会降低，宽度也将会变窄，电子将从阴极内部穿出，在隧道效应的作用下穿过势垒发射到真空中，轰击三基色荧光粉层，从而达到发光的目的。如图2所示场发射显示器器件的原理图。场致电子发射是一种比较有效的电子发射方式，发射电流密度不但很高，而且时间没有迟滞性，且功耗低。此外场致发射时，随着外加电场的不断增强，发射体表面势垒的高度将会越来越低，宽度也会越来越窄，因此发射表面逸出的电子也将会越来越多，致使场发射电流也将会越来越大。根据Fowler-Nordheim公式，场发射电流密度为:J=）（*)(*00000154.0exp(-0.000000687(32))上式中：是外加电压（V），是材料表面逸出功（ｅＶ），是发射阴极的几何因子（ｃｍ）。从上式中可知要得到足够大的发射电流，可以从以下三个方面来做出改进：第一点:从栅极工作电压考虑,应该尽可能的提高栅极工作电压；第二点:是从发射材料考虑，应该采用表面逸出功比较低的发射材料或者将逸出功比较低的材料涂敷在阴极的表面；第三点：可以改变阴极的几何形状从而提高几何因子，通过以上三点来实现我们要达到的目的。3图1FED的基本结构图2场发射显示器器件原理图3驱动电路的阴极材料显示器经过飞速的发展,已经达到了另外一种比较高水准的场发射显示器。虽然场发射显示器相比较前面几种平板显示器已经初步展现出了多方面的优越性和巨大的市场潜力,但是仍然还有很多的关键性问题需要我们研究解决,比如较大面积的冷阴极阵列的制备、显示的均匀性、多极结构的研制、适合场发射显示器的荧光粉等诸多问题。场发射阴极材料的研究是目前场致发射显示器研究中一个国际性的热点问题,目的是为了研究出大面积且低成本高性能的场致电子发射阴极,能够实现好的均匀性及亮度,并且简化制作工艺，达到容易实现的目的。其中阴极材料的特性在某些方面很大程度上决定了显示器的均匀性，并且场发射显示器亮度和显示器的分辨率也直接受到阴极材料特性的影响。其中FED阴极结构主要分为两大类,一类是Spindt型阴极结构，另一类是平面薄膜型阴极结构。在这两大类型下，根据阴极材料的不同又可以进行更为详细的划分。Spindt型根据阴极材料的不同分为金属Mo-Spindt型和Si-Spindt型与其他的类型；平面薄膜型分为金刚石薄膜型、和类金刚石薄膜型、纳米金刚石涂层型、SED型、碳纳米管型等，具体分类如图3所示。场发射阴极Spdint型Si发射极型其他型金属发射极型4图3阴极结构材料分类3.1Spindt型Spindt型是传统型结构中最早的,它主要是通过增大发射体曲率以此来增强发射体附近的场强,进而达到降低工作电压的目的,即减小功耗与成本的发射体。这种类型的阴极材料可以是物理、化学特性比较稳定的各种金属、半导体和介质(金刚石)或者是它们的复合体,如钼尖、硅尖和Spindt微尖。根据阴极场发射阵列结构的不同又可分为二级管型结构和三极管型结构。其中二极管型结构中只有阴极和阳极两种极性,当我们给阳极加上一定的电压时,阴极表面就会发射出电子,并在阳极电压的电场力加速下,轰击到阳极荧光粉而达到发光的效果。如图4所示为二极管型结构。因为一般二极管型结构阴极与阳极的间距比较大,因此所加的电压会较大,图5所示为三极管型结构，与二极管型相比较而言,三极管型结构中多了一个栅极,因此最终所需的电压比二极管型结构所需要的电压小一点，其结构是将栅极加在阴极三角锥型发射体与阳极之间，当在栅极加上一定的电压，且所加的电压应该大于三角锥型阴极产生电子的阈值电压，致使电子将发射出，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。图4FED的二级管型结构平面薄膜型金刚石、类金刚石类型纳米金刚石涂层型SED型CNT型5图5FED的三极管型结构在上述材料中，场致发射阴极阵列的制备技术已经发展的最为成熟的是Spindt型中的钼锥，但是相比较其他的材料，它的制作工艺比较复杂，需要大量亚微米工艺,因而成本很高，且制备难度大，因此对显示大面积制造并不是最佳的选择。与Spindt型阵列技术相比，硅锥阵列制备的发展呈现出多样化，但硅锥也有一些缺点，它的发射能力比较低，平均单个硅锥的发射在几个到几十个纳安的水平。虽然Spindt微尖发射体能够得到比较稳定的发射电流、比较高的发射效率和比较低的驱动电压，但是这类微尖阵列基于薄膜技术与半导体加工方法之上，采用熔点比较高的金属作发射体,尽管色纯、亮度及寿命等性能与传统阴极射线管的性能很接近，尺寸也达到38.1cm，但与此同时它在某些方面也存在一些难以克服的缺点:由于它涉及到精密光刻、刻蚀、和薄膜沉积技术，加工精细，工艺复杂，难于制造,不但很难应用在大尺寸显示上,并且成本也相对比较高，这些缺点都在一定程度上限制了Spindt型阴极场发射显示器的发展。3.2表面传导电子型发射体表面传导电子发射体显示器(SurfacecConductionElectronemitterDisplay，SED)是在1996年由日本佳能（Canon）公司推出的新型显示器结构并拥有多项专利技术。表面传导电子发射显示器的结构如图6所示。SED的发射体采用的是喷墨技术涂敷,平面电极采用印刷技术。SED的阴极是由厚度为10nm左右的PdO膜形成的玻璃基板。在它的中心部分有一条10nm左右的缝隙，这个缝隙的形成的主要原因是在两个电极之间施加高电压，击穿PdO薄膜,因此才形成了这条10nm的缝隙。在阴极和引出线之间施加的15V电压中,一个很大的比例落在了这条缝隙上,其间电场达到1v/nm以上,比较容易实现场发射。当在该薄膜上施加10V左右的电压时，在一侧PdO膜上的电子开始将向另外一侧PdO膜运动，此时在阳极加上高电压时，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。6图6表面导体发射型阴极结构在图像质量方面，SED的图像质量可以和CRT相媲美，因为SED的荧光粉材料与CRT中使用的荧光粉材料相似，因此颜色再现能力和视频响应都接近于CRT的水平；在响应时间上，由于荧光材料的延迟特性决定，SED的响应时间小于1ms，它几乎看不到拖尾和轮廓模糊的现象，因此SED的响应时间比液晶显示和等离子体显示都要短；在对比度方面，由于SED的暗色能够有效的进行定位，对比度可以达到10000:1。与其它材料的场发射显示器相比较，SED的驱动电压低，这是它最大的一个特点，因此脉宽驱动模式可以实