（物理电子学专业论文）双向发射特性fed驱动电路的研究.pdf

摘要 摘要 随着信息技术的发展，显示技术在人类社会中扮演着越来越重要的角色。同时人们对显示器件 的要求也越来越高，各种新型显示器件应运而生。场致发射显示( f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ，f e d ) ， 被认为是集高性能、低功耗、小体积等优点于一身的新型显示方式之一。 利用丝网印刷工艺研制了新型结构的表面传导发射( s u r f a c e c o n d u c t i o ne l e c t r o n e m i s s i o n d i s p l a y ，s e d ) 显示屏，s e d 属于f e d 的一种，具备该新结构的显示屏体现了新的特性双向 发射，即三极结构显示屏中，当阴极电压比栅极电压高，或者栅极电压比阴极电压高时，显示屏都 能够发射显示。本文基于这种双向发射特性，采用多行寻址( 又称多线寻址m u l t i 1 i n ea d d r e s s i n g ， m l a ) 原理，设计了多行寻址方式驱动的s e d 驱动电路。在多行寻址方式的驱动中，输入的阴极 驱动信号首先需经过正交变换，再将变换生成的数据所对应的电压送给显示屏阴极，与此同时，将 正交变换用的正交矩阵作为阳极的扫描信号，一次选中多行进行扫描，在帧周期不变的情况下，通 过增加被选像素在一帧中的驱动次数来实现高质量的显示。 一 整个驱动电路包括显示的主控电路以及针对该驱动原理所设计的相应的行电极和列电极驱动 电路。主控电路采用列序硬件构架在f p g a 中编程实现，主要用来进行数据的处理，主控板输出的 数据加载到s e d 屏的行电极和列电极驱动板上，行、列电极驱动板的核心单元是多种电压输出的电 路单元，在经过比较验证后最终选择了用高压驱动芯片来实现。 由于同时选择的行数越多，在进行矩阵运算时的运算量越大，硬件实现困难，故在设计中选择 一次同时扫描4 行，每个像素的电压是经过4 次的电压累积而成，因而具有低驱动电压，一次可以 送出4 个行驱动电极的扫描信号，画面的更新频率提高为原来的四倍，且多行寻址时的正交变换原 理有效地减小丝网印刷式s e d 在逐行寻址时的串扰，以上特性使得多行寻址技术在对比度、扫描频 率、功耗及电路串扰等方面具有优势，从而能有效提高s e d 的显示质量。 关键字：场致发射显示表面传导发射纳米氧化锌双向发射驱动电路多行寻址 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er a p i d l ye v o l v i n gi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ye n v i r o n m e n tm a k e sd i s p l a yt e c h n o l o g yas i g n i f i c a n tr o l e o fh u m a ns o c i e t y t os a t i s f yt h eu s e ri n c r e a s e dd e m a n d s 1 0 t so fn e wt y p ee l e c t r o n i cd i s p l a yd e v i c e d e v e l o p e d f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ( f e d ) i so n eo ft h e ma n dc o n s i d e r e da sam u c hp r o m i s i n gt e c h n o l o g y w i t hh i g hp e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rd i s s i p a t i o na n ds p a c es a v i n g d r i v i n gc i r c u i td e s i g ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti s s u e so fe l e c t r o n i cd i s p l a yd e v i c e t h ep a p e rw o r k st o f i n das u i t a b l ed r i v i n gm e t h o da n dc o r r e s p o n d i n gd r i v i n gc i r c u i tf o rf i e l de m i s s i o nd i s p l a y , e s p e c i a l l yf o r t h es c r e e np r i n t e df i e l de m i s s i o nd i s p l a y p r e s e n t l y , n e ws t r u c t u r es u r f a c e c o n d u c t i o ne l e c t r o n e m i s s i o nd i s p l a y ( s e d ) i sd e v e l o p e db yu s i n g s c r e e np r i n t e dt e c h n i q u ei no u rl a ba n di ti sak i n do ff e d t h i sd i s p l a yh a st h ep r o p e r t yo fb i d i r e c t i o n a l e m i s s i o n w r h e nt h ec a t h o d ev o l t a g ei sh i g h e ro rl o w e rt h a nt h eg r i dv o l t a g e t h ep a n e lb o t hc a ne m i tw i t h t h en e w s t r u c t u r e b a s e do nt h ep r o p e r t yo fb i d i r e c t i o n a le m i s s i o n w ed e s i g nac i r c u i tu s i n gt h e t e c h n o l o g yo fm u l t i l i n ea d d r e s s i n g ( m l a ) i nt h em e t h o do fm l a t h ei n p u ts i g n a l so fc a t h o d eh a v et o d oo r t h o g o n a lt r a n s f o r m s a n dt h e ns e n dt h ev o l t a g ea c c o r d i n gt ot h et r a n s f o r m e dd a t at ot h ec a t h o d eo f d i s p l a yp a n e l a tt h es a m et i m e t h es c a n i n gs i g n a l so ft h ea n o d ea r et h eo r t h o g o n a lm a t r i xt h a tu s e dt od o o r t h o g o n a lt r a n s f o r m s s ot h e ys e l e c tm o r et h a no n er o wa tat i m e i n c r e a s i n gt h es e l e c t e dt i m e so ft h e p i x e li nt h es a m ec y c l eo f t h ef l a m et oa c h i e v eh i g h q u a l i t yd i s p l a y t h ew h o l ed r i v ec i r c u i t si n c l u d eam a i nc o n t r o lc i r c u i ta n dt h ea c c o r d i n gr o w c o l u m ne l e c t r o d e s t h e m a i nc o n t r o lc i r c u i ti sr e a l i z e db yc o l u m ns e q u e n t i a lh a r d w a r ef l a m ei nt h ef p g aa n di ti su s e dt op r o c e s s d a t a t h eo u t p u td a t ao fm a i nc o n t r o lc i r c u i tl o a dt or o w c o l u m ne l e c t r o d e so fs e dp a n e l m u l t i v o l t a g e o u t p u tc i r c u i ti st h ec o r eu n i to ft h er o w c o l u m ne l e c t r o d e s w h i c hi sf i n a l l yi m p l e m e n t e db yh i g hv o l t a g e d r i v em o d u l ea f t e rc o m p a r i n ga n dv a l i d a t i n g t h em o r el i n e sw e r es e l e c t e da tt h es a m et i m e t h em o r ec a p a c i t yo fm a t r i xo p e r a t i o nd o e s s ow ed e s i g n t os e l e c tf o u rl i n e sa to n et i m e t h ev o l t a g eo fe v e r yp i x e li sc u m u l a t e df o u rt i m e s s ot h ev o l t a g eo fd r i v e c i r c u i ti sl o w e rt h a nb e f o r ew h i c hc h a n g e df r o m15 0v o l t a g e st o8 0v o l t a g e s f o u rr o w ss i g n a lc a nb eg o t a tt h es a m et i m e s ot h er e f r e s hf r e q u e n c yo ft h ed i s p l a yi sf o u r f o l di n c r e a s e d o r t h o g o n a lt r a n s f o r mo f m u l t i l i n ea d d r e s s i n gc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ec r o s s t a l kt h a to c c u r r e di ns c r e e np r i n t e ds e du s i n gl i n eb y l i n ea d d r e s s i n g h e r e i n b e f o r e ，m u l t i l i n ea d d r e s s i n gh a sm a n ya d v a n t a g e si nc o n t r a s t r e f r e s hf r e q u e n c y , p o w e ra n dc r o s s t a l kw h i c hc o u l de f f e c t i v e l yi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ep i c t u r ed i s p l a y e db vs e d k e yw o r d s ：f i e l de m i s s i o nd i s p l a y , s u r f a c ec o n d u c t i o ne l e c t r o n e m i s s i o nd i s p l a y , n a n o - z n o ， b i d i r e c t i o ne m i s s i o n ，d r i v i n gc i r c u i t ，m u l t i l i n ea d d r e s s i n g l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特i i i i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：史幕t日期： p 嚣p 。冰 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：尊盘至导师签名：日期：p ! p 。 1 1 显示技术的发展现状 第一章绪论 硅、拄术被认为世决定术米i t 发展的二人基础技术_ 2 一，高浦i u 视、数字影院、多姒体中心等 梦想的实现将在镁人程度i ：取决于显示技术的蛙胜，平板化， 8 “化和赢清显示将是今后彩电市场 朐舡雕方向。 目前土要的显示器件”有c r ( 州极射线符) 、t n s t n 【c d ( 手i 曲硅h 扭曲液品显示器) 、 t f t - l c d ( 薄膜品体管液晶够示器) 、f e d ( 场发射显示器) 、v f d ( 真空荧光显示器) 、o l e d ( 古 机发光显示器) 和p d p ( 等离子体显示器) 以段c r t 背投、l c d 背 投、l c o s ( 单品硅液晶娃示器) 、 d l pl 数字微镜显示器) 等。除c r t 和投影显吓器外其它显示器f l 。都属于甲板显示器件( f p d ) ， 2 0 1 1 1 纪c r t 曾经枝独再但 j 2 i 世纪，再娄艟示器件将荐领风骚。总的拄腰趋势将是：c r r 会缓慢减少f p d 将快进增长。我国半板显示技术的发展现状我国虽然已经发展成为显示产品的生 j “人国，具备了定的产业自i 技术基础，但还不能葬是产、i k 强国，粘体史力落后丁同本、韩国舸中 国台湾特刖足对鹄个产业具有决定意义的品示屏制造环节。国内企业所用的高端显示屏几乎全部 依赖进n ，优井力量l 瑶集t l 在低端渡d f - 和真宅荧光显示等技术音世较低的平扳显示技术方面。 近年来国内的相戈企业、大。、科q f 机构等l 经在平板显小技术领域取得r 些人啊口的 垃就。在产业发艘a f i i ，求女、方、上广i b 两家业显求器生产企业先后引进了人尺q t f t - l c d 显示 屏生产线；i 。海松r 和南康【j g 也经建成等离f 显圻模块生产线。我国甲板显示产业初步形成空间积 聚态势。住技术研发方面，以j e 京维信诺公刊为代表的o l e d x 岍拄企业在有机发光罹示技术方而已 拥有多项国际发明等利，该公司率先建成田内第条o l e d | i , h t 生产线，井即将建成团内第壕大 蜘模生产线- 在o l e d 技术研发中创造数个中圜( 人陆) 第东南大学成功研发出具有n 主知识 产权的全彩色高分辨率的荫掣式等离子体显示屏，并丌始向产业转化；福州人学采用低逸出功材料 研制叮印刷型单也和彩色场致发射屁示器。我国罹不技术的进步止逐步缩小与田际先进水平的差 目2 1 0 2 1 1 0 ”。 1 2 场致发射显示 12 1 场致发射显不研究概况 场致发射显示器，即f e d 作为平扳显不器家旗中的一员，是显示与真空微 ur 相鲇台的产物 是发光i 作原理最接近传统c r t 的一种平扳显不器仆，如图1 1 所日i 。 半板显示器 - 的l a i 嚣勰鬻：凳，年。 图i i b 场致发射显示 8 5 亿美无，预剑2 0 1 0 年将会达到7 0 0 亿炎元 东南大学硕士学位论文 2 0 0 7 年t f tl c d 显示器的产量首次超过c r t ，众多平板显示器件研究的热潮此起彼伏，继l c d 和 p d p 之后，未来哪种显示器件可望主导2 l 世纪的显示器市场呢? 就显示器图像的质量及前景来看， 场致发射显示器( f e d ) 最适合电视特性。它具有c r t 高画质和l c d 薄型低耗的双重技术优势，称 作显示器的“未来之王”。 场致发射显示器的基本原理与阴极射线管相同，即从阴极吸引出电子并使其碰撞涂覆于阳极上 的荧光体而发光。所不同的是，场致发射显示采用冷阴极，场致发射显示器是为数众多的微细电子 枪依阵列状排列，每一个像素对应于一把电子枪，如图1 2 所示。发射体发出的电子径直碰撞所面 对的荧光体而发光显示图像，它与阴极射线管一样具有高亮度、高对比度，且由于图像不是通过电 子束扫描来显示，因此不需要偏转线圈，可以做得很薄。 图1 - 2f e d 的n o r m a l - - g a t e 结构图 电阻层 间隔 光粉 在国际上，s a m s u n g ，i s e ，c a n d e s c e n t ，m o t o r o l a 等都在场致发射显示器件的研究上投入了大 量的人力财力。1 9 9 0 年法国l e t i 首先制成了6 英寸单色f e d 0 4 i 。如今p i x t e c h 已小批量生产此类 单色f e d 。1 9 9 8 年m o t o r o l a 已建成2 7 5 0 0 平方米的新厂房，计划一年后批量生产5 1 英寸1 4 v g a 的全色f e d ，他们在9 8 s i d 会上展出了其样机，图像质量很好。1 9 9 8 年5 月，美国c a n d e s c e n t 公司宣布已集资1 2 5 亿美元建生产线，生产该公司的5 英寸f e d ( 该公司将其定名为t h i nc r t ) 。有 关人士看好f e d 的前景，称f e d 将是2 1 世纪初的主要的自发光显示技术。 国内从事这方面研究的则有台湾工研院，福州大学，中山大学，西安交通大学等。各机构都希 望自己在该领域有所突破，主导下一代显示器件的研究开发和市场空间。东南大学显示技术研究中 心，从事场致发射显示器的研究已有多年，并从阴极制备，结构优化，器件封装，系统构件等方面 取得相当进展。 第一代f e d 是基于薄膜技术和半导体工艺技术，尽管在包括色纯度、亮度、寿命和大尺寸( 1 5 英寸) 等方面获得了较大的成功，但f e d 仍有很大的技术研究前景1 0 5 | 。f e d 最大的市场优势在于 它的大尺寸、低成本。降低成本、增大尺寸一般通过两种方法：( 1 ) 是采用新的发射材料；( 2 ) 是 设计新型结构，采用无需光刻和薄膜工艺的制备工艺。由于l c d 采用光刻和薄膜工艺可以得到小 于3 0 0 9 m 3 0 0 9 m 的像素，同尺寸的f e d 用同样的的工艺可以达到同样的水平，所以，第二代场 致发射显示应该致力于寻找具有更好发射性能的新型电子发射材料取代目前的硅锥、钼锥发射阴 极，这种材料应该能实现低驱动电压，由此降低驱动电路的生产成本。第二代对角线尺寸大于4 0 英寸的场致发射显示器的主要竞争对手是等离子体显示器( p d p ) 1 0 6 j 和背投式c r t 显示器，而p d p 和背投式c r t 显示器都不需要精细光刻技术和薄膜工艺，所以f e d 要在市场上具有竞争力就必须 摒弃生产成本高昂的薄膜工艺，而采取成本较低的厚膜工艺，在产量和尺寸上提高市场竞争力。所 以，适合大尺寸( 4 0 英寸) f e d 和传统小尺寸( 1 5 英寸) f e d 在选择阴极发射材料上存在很 大的区别。 液晶显示器由于其复杂的结构实现大屏幕显示的成本较高，p d p 则由于气体放电物理过程中放 电空间的限制而无法实现小于4 0 英寸的显示，这就为场致发射显示提供了一个极好的市场机会， 采用薄、厚膜复合工艺的中等尺寸的f e d 成为填补这一空白的有力竞争者。对第二代尺寸小于1 5 英寸的场致发射显示器件而言，研究人员通过应用其他冷阴极场发射材料取代难熔金属发射体材料 2 第一章绪论 来降低整个显示器件的生产成本。近年来，研究人员的研究对象集中在具有较低逸出功或较高场增 强因子的发射材料。 1 2 2 场发射基本理论 场致电子发射也称冷电子发射，是与热电子发射完全不同性质的一种电子发射方式。热电子发射 是靠升高物体温度，给发射体内部的电子以附加能量，使一些电子越过发射体表面势垒逸出而形成的 电子发射方式。这种方式的发射能耗高，同时还有时间的延迟性。场致发射则不同，它并不需要提供 给体内电子以额外的能量，而是靠强的外加电场来降低物体的表面势垒，使表面势垒的高度降低、宽 度变窄，这样发射体内的人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。而且它没有时 间延迟、功耗低、发射电流密度高。因此，场致发射是一种非常有效的电子发射方式【0 7 】。 魄 t ， 童 汰。一一t 9 一i r af 墓 韶氏削 w 圣 。)l 三 图1 3 外加电场时势能曲线的变化 肖脱基 削减 能级 如图1 - 3 所示，在常温情况下导体内部电子能量高于势垒的很少。在费米能级附近，含有比较 多能量较高的电子，它们穿透较薄的势垒而发射的概率也比较大；而低于费米能级的电子对应的势 垒比较厚，电子穿透概率很小，所以发射电子的能量集中在费米能级附近较窄的能量范围内。其发 射电流密度与两个因素有关：1 导体内部x 方向能量为w 的单位时间打在单位面积上电子的数目， 称为供给函数n ( w ) ；2 这些电子穿透势垒的概率，即透射系数d ( w ) 。 因此，能量在w w + d w 中每秒钟打到单位发射表面上的电子数为n ( w ) d w 。穿过势垒的电子 数为： p ( w ) d w = d ( w ) n ( w ) d w ( 1 1 ) 发射的电子流密度为： p 譬p ( w ) d w = p 譬d ( w ) n ( w ) d w ( 1 2 ) 积分下限e 是导带底能级。 f o w l e r 和n o r d h e i m 最早对金属场发射电流的定量计算公式进行了推导。根据下述理想化条件： 仅考虑绝对零度下的电子，其分布符合费米一狄拉克统计； 金属表面为无限大孤立的光滑平面，忽略其原子尺度的不规则性； 金属表面的逸出功均匀分布。 考虑经典电镜像力和量子隧穿效应，经过一系列计算可得： ( 形) = 竺笋l i l 1 + e x p 一( 一砟) 灯 ) ( 1 3 ) 厂广1 d ( 形) e x p 卜堕烈堕v ( y ) i ( 1 4 ) l 加昭 j 结合式( 1 2 ) ，可得出理想条件下的f o w l e r - n o r d h e i m 场致发射公式： 3 东南大学硕上学位论文 邶) ：型型竺e x p _ 下6 8 3 x 1 0 7 ( # 3 2 l ( 1 5 ) 缈 l 已 j 上式也可以转换成发射电流1 与场强e 之间的关系式： 1 = a e 2 e x p 卜纠e i ( 1 6 ) 式( 1 6 ) 中，e 为外加电场场强的大小，a 和b 是与发射体的功函数v 有关的常数。由此可见， 场致发射电流密度大小与外加电场场强以及发射体的功函数有密切的关系。 目前，在实际的场致发射实验研究过程中，一般会利用f o w l e r - n o r d h e i m 公式及实验结果绘制 伏安特性曲线( i v ) t nf - ni t t 线( 1 n ( 1 v 2 ) 与1 对应曲线) 来估计发射体或材料的场致发射性能。 1 2 2 1 传统微尖阵列结构f e d 场致发射显示器件f e d 是一种真空电子器件，与c r t 和真空荧光显示v f d ( v a c u u mf l u o r e s c e n t d i s p l a y ) 有许多共同的特点。与c r t 和v f d 一样，f e d 中也是处于真空状态，靠电子轰击荧光粉发 光，并且具有基本相同的荧光屏结构。在f e d 中，电子是由与荧光屏大小相同的场致发射阴极阵列 发出的，每个荧光粉发光点对应一个场致发射阴极。阴极发射电流由行和列电极上的电压控制，发 光逐行进行。图1 4 为传统微尖阵列f e d 的结构示意图。 图1 - 4 传统微尖阵列f e d 的结构示意图 阳极板有红、绿、蓝三基色荧光粉条，它们之间由黑矩阵( 或称黑底) 隔开，黑矩阵可以适当 减小环境光的反射，提高对比度，同时降低串色的可能性。阴极板上有行列寻址的微尖场致发射阵 列和栅极。阳极板和阴极板之间有支撑结构( s p a c e r ) ，以抵抗大气压。支撑一般是柱状或墙状结构， 材料多用陶瓷。支撑结构的放置应以不干扰电子束的轨迹为准。两个极板之间用玻璃边框和低熔点 玻璃封接，为了维持真空度，器件中需放置适当量的消气剂。一般情况下，阳极加正电压，其电压 值的大小与荧光粉发光效率有关。阴极在栅极与阴极之间的高场强作用下，发射的电子通过栅极孔 近贴聚焦到相应的荧光粉上，激发荧光粉发光。因此，通过控制栅极与阴极之间的电压，就可以决 定哪些像素发光以及发光亮度的大小。 场致发射显示最突出的特点就是它是真空器件，具有与c r t 和v f d 相同的工作原理，因此场 致发射显示在不同的环境下具有良好的稳定性。由于电子在真空中的高速运动，场致发射显示实现 了快速响应，通过静态单元模拟或数字信号的控制实现电影质量的画面。最重要的是这些真空器件 的优点已经在c r t 和v f d 中得到了证明【u 引。 场致发射显示实际上是一种平板c r t 。它采用发射阵列阴极产生场发射电流激励荧光粉发光， 因而结合了c r t 和其他平板显示器的优点，在亮度、分辨率、响应速度、视角、功耗、工作电压、 颜色再现以及工作温度范围等方面都有优良的性能。场致发射显示与c r t 相比，具有薄、轻、平板 化、无电磁干扰等特点。与液晶显示相比，场致发射显示为直接发光式器件，没有背景光源、滤波 器及偏振片，制备流程简单，功耗低1 0 引，而且不受视角的限制。与p d p 技术相比，f e d 具有发光 效率高，功耗低，无红外辐射等优点。 韩国三星、日本i s e 等公司目前在c n t - f e d 方面有较大进展。s a m s u n g 的研究人员将将含有 单壁纳米碳管、银粉和有机粘结剂浆料采用丝屏印刷的方式在玻璃基板上做出2 0 微米宽的纳米碳 管发射层，热处理除去有机黏合剂，经过表面处理使得纳米碳管垂直排列在表面上，以此为阴极他 们制作了对角线尺寸为4 5 英寸二极结构的f e d ，同时也成功地制造了n o r m a l g a t e 结构的场致发 射显示和u n d e r - g a t e 结构场致发射显示【l o 】【1 1 | ，图1 5 所示，从左至右依次为n o r m a l - - g a t e 和u n d e r g a t e 结构。 4 第十论 凹i 一5s a m s u n g 的f e d 样一* 2 22 表血传导发射 丧而传导发射显示姓近年来出现的一种新型平扳显示技术，是一种特殊的场致发射显示”“被 誉为c r t 的最终形态。它的山现为场致发射显示器进入大屏幕显示领域提供了u r 能。首先，对s e d 作个简要的同顾o i 3 j i4 l is l 。s e d 是f e d 研发的另一个热点，在蛀初研制时电被称作s u r f a c e c o n d u c t i o ne m i i _ t e r ( s c e ) 佳能公司在1 9 8 6 年开始s e d 技术的研发从1 9 9 9 年起住能与口本最人 的半导体生产商东芝公刊一起丁【= 发s e d 显示器。2 0 0 4 年1 0 月仕能雨l 东芝儿同投资组建了s e d 公 川，总投资逃到1 8 2 亿美元。新组建的s e d 公司枉2 0 0 5 印正式将s e d 显示器l 萄品化开始生产 主要提供大尺寸平板电视使用的s e d 而板。 商品化s e d 的结构与j 。忭原理如hl 一6 所不。前玻璃基板1 滁宵红、绿、监三色荧光粉并作 为刚极相对后玻璃基扳加自儿干伏的高压。通过丝网印刷法在后玻璃基板上制作对应每个像紊的金 属电极，井川喷墨印刷的方法庄金属l 【 极问制作氧化钯( p d o ) 薄睽电子发射阴极。上图右下角就 是单个像素的示意圈”。当金描电极i 口】加上十儿伏的电压后极问将形j 旦超高电场，氧化钯麒中的 电子会被牵引山来形成电子发射。由于金属电极足沿着同一块玻璃基板排列，所以刚发射出束的 电子足在玻璃基板表面传导的这是这种器件被命名为表面1 专导电子发射显示器的原因，这也是 s e d 与其它的场致发射显示器的区别所在。 h1 6s e d 结构与工作原理示意目 发射出来的电子传导到* c u 极的表面时，会有一部分电f 被弹性散射到两玻璃基扳之【日l 的空 间中上，这时前破璃基板r 所由的阳极高压将对这些t uf 加谜，并使之快速撞击刮前玻璃基扳所涂 数的荧光粉j 二以发出可见光。这样s e d 的发光原理川一句话来说明就是高速咀子撞击荧光粉发光， 这1 7 酱通电视显像管( c r t ) 的原理是一样的，只是l u ，发射阴极小同m 己。 虽然，口前关丁s e d 的研究已经取得丁不错的进腰，佳能公司已经研制出了3 6 ”的样机，显示 散泉见斟i 7 ，但是通过苒报道我们可以看出，纳米i 目隙( n a n o g a p ，址图中的放大部分) 的存在对 g 南 学坝1 学n 女 电子的发射米晓是必需的。山丁在阴撒的制造过wc l t ，纳米川隙的制需址| 常幽难的，这使褂阴 极制】成乖较高；同时由丁其l hr 发射效率较低，仅为3 ( n i 极【n 流值+ j 栅极电流恤之比) 川 人 ；i ：蒂：警动电流太犬从而使得产品功耗较高 所以我们认为基于9 4 。的8 6 。难以早h 人规 2 3 氧化锌场发射显示 幽i - 7 商晶化s e d 的艟示效果 碳纳米管( c n t s ) 足目前被研究娃每的场致发射材料，具有开启场强低发射电流密度大等优点。 孽r 场致发射j 其肚基于碳纳米管场致发射的平扳显不器赦 泛的研究【】“。 研究人员竹提出过多种碳纳米符的场致发射器设计方案，但由于发射的均匀性和稳定性的限 制- 这些山案都报难达到相邻像素亮度的小均匀眭1 3 的高画质指标另外，其对器什内部的真空 度要求比较高如果真空度不够庄温度过高时，碳纳米管尖端会被残留的氧所氧化，进一步导致 场致发射的不稳定性，给f e d 的世计和实施带来困难| l 。， j z n o 来替代碳纳米管作为场致发射的阴 极材丰 ，能够根蚶的解决这种凼难。因为z n o 自身的抗氧化性，即使在真窀度比较低的情况f ，电 能很好地j 二作。对j 二制作军川，k 川器件，能够降低成乖，都足个不错的选择。z n o 是种自着 广阏前景的n 型_ 斑祭带、r _ 导体材料，其室温禁带宽度为33 7 e v 激于求缚能为6 0 m e v 。铍人量用于 佧l u 换能器、透明导电材料、光波导自l 气被、湿敏传感器等的研究刈1 2 2 1 。 氧化 澎自术材料在很多打面得刨了应用，苴中， 维纳米结构作为町以替代碳纳米管( c n t ) 的i 判极利料已经被广泛研究而四脚状纳米氧化锌具有独特的阴脚状- 维空间结构，比一维结构的 氧化锌纳米材料更加适合作为场致拄射材料，止在被再研究机构作为热点进行研究。 到日l ；t 为i l ，已经有很多文献报道了纳米氧化锌的t 长这些生长打法包括金属有机化学气相 沉积( m o c v d ) 、脉冲激光沉积( p l d ) 、分f 求外延( m b e ) 和热蒸发等等j ”】，所生成的纳米氧 化锌形貌也多种多样，如纳米线、纳水棒、纳米带、纳米环以及纳米梳等。而且，定向氧化锌的纳 米阵列也已经制备出米。下【自j 简单介绍实验室制备四针状氧化锌的流程及发射特性。本实验室通过 热蒸发的方往制备四什状结杜j 的氧化锌，制需z n o 的工作环境如酬1 8 。整个实验环境在纯氧中进 钉首先清洗锌粒，将洗净后的锌粒放 e “阻炉石英管巾的小“英舟里，通氩气以清除石英管中的 空气以驶粉尘，然后加热至高温8 5 0 ，保温3 0 分钟，口然降温到室温。 进气口 出气口 目l _ 8 制备z n o 的下作环境 熟电偶 庄宏现r 删磬 我们可以发现z n o 足一色柔软的物质。微观条件f - 我a i 】借助r 于1 描电子罹微镜 ( s e m ) - 如| 冬】i 一9 所示- 人部分品1 十们形貌肚四针状的，针状体的k 鹰为3 - s u m 针尖曲率、r = 鲁约 ：勰最摇熊：j 黜。这种微尖的场增强潮虬啾九熊够刖删位咀虹舻种 hi9 四针状z n o 村料的s e m 照片 在实验室的前艄研究中拉现- 阳引状纳米z n o 结构具有很好的机械稳定性种】撤大的场增强嶂 r a 除此之外，洲针状氧化锌纳米结杜j 还具有定的电子表面传导能山。利川四针状纳米z n o 的独 特性能，可以制备基r 网针状氧化谇纳米结构的s e d ”j 1 2 5 1 。 实验室利川四针状z n o 作为发射材料制作三极结构表【酊i b f 传导发射锓下屏其结构及原理如 f 幽i 一1 0 所小。 图i - 1 0 纳米氧化锌表嘶传导电子发射结构段原理示意幽 在图l - 1 0 的结构中在、右两盘属l u 极2 间沉社j 有四计状的z n o 发射体层，与电极直接相连。 当在左、右电极施加一定屯压后，由于四钳状纳米z n o 材料的表面传导电子传导性能，有定的表 面也流培通过z n o 层。我们认为，作为一种典型的n 掣、r 导体，在z n o 与金属阴极接触点将形成 个二极订( t r i p l e - j u n c t i o n ，半导体、金属和真卒的结合点) 。当栅极电场足够大时，i ur 将从阴极 中隧穿出来穿过j 极节中的势垒到l , z n o 的表面。山y - z n o 的电子亲和势较小。l br 枉z n 0 表 叫具有比较人的流动性。在栅极电场的作用f ，电子将册着z n o 的表面从二极节往栅极加速运动( 形 成，栅极电_ = ! c ) ，在此过科巾获得能昔，部分且有高能量的- b r 撞击氧化锌品体形成二次电f 和散 射电子，发射剑真空1 - 去，”在刖扳电场的作用下到边槛井轰击荧光粉发光。 在该尘l l i 构中，l 叫极电流的发射特性土耍取决丁四引氧化锌的表而传导电子传导能力以及半血金 然淤壤 讼霆 属电饭州的电m v g 。利j t i 网针状纳米氧化锌的表面传导电子发射，当日f 极电压j ( j 3 k v 时可以获得 低ji o o v 的调制电压。故网计状轧化锌纳米结构的丧l “传导电f 发射硅一种能蝣在较低的栅极电压 获得较人阳极电流的场发射炎刑。它克服了基y - p d o 的表面传导电子投射需要构造纳米间隙的技术 障碍h 电f 发射效率【l f 高选6 0 ，远高y - p o l o f j 3 “从而降瓶了产鼎的功耗，具有= 1 f = 常高的实 用价值。图i - i l 显示了日j 板芨射电流和时间的甬数，从图中町以君，经过数天的测量电流值在 个轻微的f 降后保持稳定r 浊动幅度不超过4 。图巾的插h 是选扦砰的一行时的点亮效果围，具 有很好的均一性和亮度。我w j 相信z n o 表面传导电子发射现象的挂现将对s e d 的发艘产b 人的 推动。 1 3 场致发射显示器件驱动技术 任何显示器的发展部离不扦驱动电路，它足显示器j 。业的一大分点cj - 有极其重要的地忙。从 功能上米说，显吓器什在没有任何驱动电路的情况f 小可能显示任何信息：从成本r 米说，驱动系 统所专川的控制、驱动集成电路的成本j 一了整机系统的根大部分”。 对丁甲板显示器的驱动电路来说，它要求有低的驱动电压、低功耗、驱动电路与显示器件连接 为一体、高可靠性、长寿命以及薄而轻。而其中拉心的专用控制、驱动。出片又与般的集成电路有 若i l 常不同的特殊要求，岂要求器件必须在冉限的封装内有较高的耐压、较人的驱动能力和较多的 驱动输山。所以半扳显示器驱动系统的研发过程，1 不比显示器件的研发过栏简单，甚至可以说驱动 电路的发展往定程度r 制约着平板显示器的发展与进步，下m i 摘要介纠一些场致发射常卅的驱动 技术。 i3 1 显示器件驱动办法概述 13 i l 扫描方式 、隔行f 1 描 模拟电视系统十廿l j 的制作、笈送、传输平_ i 接收都是以模拟古式进行的。模拟电视存回际上有 p a l 、n t s c 、s e c a m 三种制式，被不同的酮家采用。这三种电视制止都采川隔行扫描方式，所谓 隔行扫描是指将一帧蚓像分成两场，第一场寸j 描奇数行。第一场扫描偶数行的扫描方式。 隔行描是从电影做l 块p 受到启发的。在l 影技术巾每秒钟放2 4 个画面这样会有习烁感， 一 1 ) 行，那么一个像素的亮度除了与它本身的像素信 息有关外，还与同一列上的其他n - 1 个像素的信息有关。于是，灰度级的支持又重新引入了交叉效 应。为了解决这个问题而使式( 2 7 ) 重新成立，则需要对式( 2 1 0 ) 做如下修改： ( 2 1 1 ) ， n 、 对于式( 7 ) 中加上的c 2 l 一巧l 项，只要在啄。上加上一个校正项即可，该校正项为： ，= l 1 9 、l ，“：， 只 ，v 瑚 c = 、l ， “：一q l 一2 一、 、， 弘吁 商 一 ，l 2 c+ 巧 斟 c+ 乃 c2一 ，、 f i | 、， 一口 u ， 东南大学硕上学位论文 式中r + ，( f ) 是和目，) 正交的向量。第n + i 行是虚拟行； ( 2 1 2 ) 驱动信号以避免交叉效应。并且将厢+ j ( ，) 作为行信号输出。将c _ 1 万代入式( 2 1 2 ) ，同时设 则有： g j ( ，) = 丽1 善n 毛f ( ，) + 嘉 2 2 3 多行寻址原理的硬件转换 ( 2 1 3 ) 将m l a 算法应用到硬件设计需要进行一些转换。图像的像素信息在硬件中以二进制的形式存 放在r a m 中，矩阵i 中的每一个元素代表了r a m 中对应位置的像素信息。行驱动信号以脉冲的 形式输出，如果行信号有t 列，则把行信号在一个周期里分为t 个时隙，第i 行信号在第t 个时隙 里的输出与行信号里的第i 行第t 列对应。如果e ( f ) = + 1 ，则该行该时隙输出信号为+ s ；如果e ( f ) = 1 ，则该行该时隙输出信号为s 。由式( 2 1 3 ) ，每个时隙中第i 行第j 列像素信息在s e d 上显示所 需的驱动信号如下： g j ( 0 ) g j ( 1 ) q ( r ) = 毛一i ( k + o j i ， f o ( o ) f o ( 1 ) 冗( f ) 曩( o ) 互( 1 ) 巧o ) z ( o ) e ( 1 ) e o ) e ( 0 ) e ( 1 ) e ( f ) ( 2 1 4 ) 式中l 为虚拟像素，作为消除交叉效应的第i + 1 行校正项；r 为虚拟行信号。这里，把i 行( 1 i n ) 做为一组，在一个周期里同时驱动，其他行此时输出零电压，在下一个周期中，对其后的一组进行 驱动。同样，对不驱动的组，行信号为零电压。依次类推，直至完成一帧图像的驱动。可以理解为 在每一组内进行m l a ，组与组之间进行单线寻址( s i n g l el i n ea d d r e s s ，s l a ) ，从而简化计算，降低 电路的复杂度，并提高计算速度。 不同时隙里的列信号的计算并不是一次全部完成的，在第t 个时隙里，只需用行信号中该列的 数值来计算当前时隙所需的列信号g 胸。因此将式( 2 1 4 ) 展开后得： ( o ) = 昂( o ) + + 1 ) 曩( o ) + + i + 1 ) e ( o ) + l g j ( 1 ) = 毛f o o ) + 4 t + 1 ) e ( 1 ) + + t + f ) l ( 1 ) + l q ( ，) = x f o ( t ) + i ( 女+ 1 ) 墨( ，) + + + i ) ，互( f ) + l ( 2 1 5 ) 暂不考虑式( 2 1 3 ) 中的常数n ，它可以在列信号输出时由模拟电路控制。在电路设计中可以用1 和0 分别表征行信号中的元素+ 1 和一l 。对于给定行信号的g ，( f ) 的运算即展开为五，和l 的关系式。对 于表征灰度的浮点数，采取将r