（物理电子学专业论文）新型smpdp放电单元中的二次电子发射研究.pdf

摘要 本论文从p d p 的放电机理出发利用流体模型模拟p d p 放电单元中的放电过程。基于本中心自行开发 研制的计算模拟软件，增加了模拟二次电子发射特性模块，对s m p d p 结构的放电过程进行二维数值模拟， 研究了s m p d p 中二次电子发射特性对放电过群的影响。通过选择不同的气体种类，不同的气体掺杂浓度 等，计算了相应的二次电子发射系数，给出了不同时刻电位，电场。粒子浓度和壁电荷分布等重要信息， 从理论上对s m p d p 放电单元中二次电子发射对放电特性的影响进行研究分析。 本论文首先研究了影响二二次电子发射特性的主要因素，对比了不同材质表面的二次电子发射情况，确 立了二次电子发射系数与入射离子能量和电场与气压比值( e p ) 的函数关系。从二次电子发射的基础理论 出发，参照二次屯子在金属表面和! 卜导体表面发射的数学模型，建立了离子所致的二次电子在绝缘体表面 ( m g o 介质) 发射的数学模型。利用该数学模型，拟合了二次电子发射系数随e p 值变化的曲线。在流体 模拟软件中采用该拟合曲线，得到随e p 变化的二次电子发射系数，分别针对n e 、a r 混合气体和n e 、x e 混合气体计算了随e p 值变化的二次电子发射系数情况下粒子的平均浓度随时间变化的规律以及相应的电 场变化情况。针对s m p d p 放电单元结构中同时存在介质表面和金属表面的情况，本论文还对障壁表面的 计算进行了改进，使该软件可以分* u 模拟计算金属障壁和绝缘体表面两种情况的二次电子发射。 本论文同时对s m p d p 的单元结构进行分析，对比各种可能的结构，得出了能够提高粒子束聚焦性能， 减少对障鼙荧光粉轰击，延跃显示板寿命的设计方案。 关键词：s m - p d p 流体模拟二次电子发射m g o a b s t r a c t i no r d e rt os t u d yt h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so fs h a d o wm a s k - p l a s m ad i s p l a yp a n e l ( s m p d p ) c e l l ，a s o f t w a r ei sp r o g r a m m e dt os i m u l a t et h ed i s c h a r g ep r o c e s sa c c o r d i n gt ot h eg a sd i s c h a r g em e c h a n i s ma n df l u i d s i m u l a t i o nt h e o r y i nt h i sp a p er ，t h i ss o f t w a r ei su p g r a d et oh a v et h ef u n c t i o no f s i m u l a t i n gt h es e c o n d a r ye l e c t r o n e m i s s i o ni ns m p d pc e l l s w i t ht h i sn e ws o f t w a r ew ec a l c u l a t et h ed i f f e r e n tm i x t u r ea n dt h ed i f f e r e n tc o m p o n e n t s o ft h e mi nt h ep d pc e l l s t h r o u g ht h es t u d yw eg e tt h ev o l t a g e ，t h ee l e c t r i cf i e l da n dt h ed e n s i t yo fp a r t i c l e s i n f o r m a t i o n w h i c ha r ea 1 1i m p o r t a n tt ot h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c st 1 1 e o r e t i c a l l y i nt h i sp a p e r , t h es e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o np r o p e r t yo f m g oi sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ed i s c h a r g ep r o c e s si n ap d pc e l li no r d e rt oi n t r o d u c eam o r ep r e c i s ec u e f f i c i e n to ft h es e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o ni nt h es i m u l a t i o n m o d e lo f t h en o v e ls m p dp - t h es e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o np r o c e s so nt h em g of i l m si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h es e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o nc o e f f i c i e n t ( ) i sc a l c u l a t e da sa f u n c t i o no f t h ee n e r g yo f i n c i d e n t i o n s ，w h i c h a r en o b l eg a si o n s d i f k r e n tg a sm i x t u r e sa f f e c tt h es e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o nc o e 舒c i e n t f i n a l l yt h ep r o p e r r e l a t i o n s h i pb e t u e e n a n dt h ef i e l ds t r e n 垂hi nt h ed i s c h a r g ec e l s i sf o u n d e d t h ei n f l u e n c eo f o nt h e d i s c h a r g ep r o c e s si ns m - p d pc e l li sc a l c u l a t e d a t t h es a m e t i m e ，d i f f e r e n ts t r u c t u r e s o f s m - p d p d i s c h a r g ec e l ia r ec o m p a r e d t h es t r u c t u r e o f d i s c h a r g ec e l l i sv e r yi m p o r t a n tt ot h ef o g a so ft h ei o n sa sa ne l e c t r o nl e n s t h et r a j e c t o r i e so ft h ei o n sa n dt h ef i e l do ft 1 e d i s c h a r g ec e l la r es i m u l a t e d a no p t i m i z e ds t r u c t u r eo f t h ed i s c h a r g ec e l l l so b t a i n e d k e y w o r d s ：s m p d p , f l u i dm o d e ls i m u l a t i o n ，s e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o n ，m g o 东南大学学位论文独创性声明 y s 4 4 3 6 4 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丁作及取得的研究成果。尽我所知，除 了文中特别加以标注雨l 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二b 而使用过的材料。与我一同： 作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了i 身 意。 妣衅仁啦 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、国家图啪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，允许论文被套阅和借阅，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：兰雕导师签名：肄日期：泗争 东南大学硕士论文 第一章绪论 现代社会的信息化发展对信息交换的要求日益增高。其中，显示技术已成为信息交换的重要支柱之一。 目前人类通过视觉获取的信息量已占全部信息量的9 0 ，足见显示技术的重要性。随着现代科学技术的进 步，人们对现实图像质量不断提出了更高的要求。上世纪中叶以来显示技术的研究和开发工作异常活跃， 已经陆续有种类繁多的新型显示器问世。 在各类显示器中，以彩色显象管( c p t ) 和彩色显示管( c d t ) 为代表的阴极射线管( c r t ) ，经过长期 发展，在亮度、分辨率、色皮、响应速率、对比度、寿命、视角、驱动方法、调制特性等方面十分卓越， 并且已经形成巨大的产业，产品售价低廉，规格尺寸多样化，有大量的类型和型号可供选择，无论在电视 接收机领域，还是在计算机终端方面，目前都还占据着市场主导地位。但是c r t 的缺点随着科学技术的发 展日益变的突出：笨重、需用高电压、有x 射线辐射等等。随着高清晰度电视( t v ) 的即将推广，显示 器平面尺寸的不断增大，其重量、厚度也随之不断增大，传统的c r t 无法满足人们对大屏幕、薄型化日益 增长的要求 1 。 近年来平板显示器件已逐步受到普遍关注。目前研究工作比较集中的平扳显示器件中，液晶显示器 ( 1 i q u i dc r y s t a ld is p l a y ，l c d ) 汞i 等离子体平板显示器( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ，p d p ) 占主导地位。 其中p d p 则是最有前途的超火屏幕h d t v 接收机之一。 1 1 等离子体平板显示器( p d p ) 基本特点与发展 1 p d p 的特点 p d p 具备许多独特的优点： 平板化、重量轻、可实现壁挂式显示： 为自主发光型显示，冈此与l c d 相比。等离子体显示屏具有较高的亮度，而且等离子体显示屏的视角 比较宽，可以达到1 6 0 0 以上； 适合大屏幕、高分辨率显示。目前单色p d p 己做到对角线达到1 5 m ，分辨率2 0 4 8 2 0 4 8 ，而彩色p d p 已能超过6 0 英寸，分辨率超过1 0 0 0 线，2 4 位，1 6 7 0 万种颜色； 等离子体显示单元具有很强的非线性特陡。作为矩阵显示。为了能对单元寻址，要求单元从熄灭到点 亮具有很强的非线性，而气体放电具有很强的非线性，或称开关特性，即仅当单元上施加的电压超过 着火电压时，气体才发生放电。因此，等离子体显示屏非常适合用于数字化显示； 存储特性。p o p 特有的存储特性使等离子体显示屏在存储工作方式下能得到比低占空比扫描刷新方式 显示高的多的亮度，这使得高分辨率大屏幕p d p 成为可能； 寿命睦，目前等离子体显示屏的使用寿命已超过1 0 万小时； 响应快，p d p 的响应时间为微妙级，使显示图像时像素信号的更新不成问题： 受磁场影响小无需磁屏蔽 2 。 p d p 的上述特点使得它成为新一代显示器研究开发工作的热点。 2 p d p 的发展历程 p d p 是利_ | = | 惰性气体在一定电压下产生气体放电( 形成等离子体) 而直接发射可见光，或发射真空紫 外线( v u v ) 转而激发光致荧光粉而间接发射可见光的一种发光型( 主动型) 平板显示技术。显示屏由许 2 查塑查堂型主笙苎 多微小放电单元矩阵式排列组成，通过选址让放电单元产生放电。 对气体放电的研究可以追溯到1 9 世纪，但真正开始对p d p 显示技术进行大规模的研究开始于2 0 世纪6 0 年代中期： 1 9 6 6 年，美国l l l i n o is 大学的b i t z e r 和s l o t t o w 教授发明了交流等离子体显示板a c p d p ：1 9 6 8 年， 荷兰p h i l i p s 公司发明了直流等离子体显示板d c p d p ：1 9 7 0 年，美国布劳斯公司又研制成功了自扫描等离 子体显示板，从而逐步推动了等离子体显示器的发展。进入2 0 世纪9 0 年代以后，等离子体显示板的发展 非常迅速，p d p 被公认为是蹑适合作为高清晰度电视( h d t v ) 的大屏幕彩色显示终端技术。1 9 9 3 年，日本的 富士通公司采用表面放电式结构率先实现了5 4 c m 的彩色p d p 量产；1 9 9 6 年被称为“等离子体电视时代” 的起点，从1 9 9 6 年开始，多家公司相继推山了火屏幕的彩色等离子体电视产品。目前，日本的日立、n e c 、 先锋、松下等多家公司的产 ；【| 开始市场化。韩国的l g 、三星、o r i o n ，法国的t h o m s o n 等都加速了开发和 规模生产的步伐，投资兴建p d p 生产线的资金累计已超过2 0 亿美元。 3 p d p 存在的问题 诱人的前景吸引了各国投入大量的人力物力对p d p 进行开发完善。虽然p d p 具有许多的优点，目前也 已经实现了量产，但目前的p d p 显示屏要大面积的走向市场，仍然有许多问题需要克服： 不能承压，功耗大。由于是大型超薄平扳显示器。结构上不能承压。驱动电压高，功耗大； 亮度低。虽然与l c d 相比，p d p 的亮度提高了许多。但作为壁挂式的显示器件其亮度仍需要进一步提 高： 发光效率低。由于p d p 利用的是辉光放电的负辉区，效率比较低； 成本高。要降低成本，必须降低材料成本，简化制造过程，提高成品率，这样才可以降低屏的成本， 改善显示屏的工作特性，降低对驱动的要求，从而降低驱动电路的成本； 显示质量有待提高。如存在串扰，在分辨率、对比度、动态图像伪轮廓等方面，仍需要进一步的提高。 2 1 4 p d p 研究中已取得的技术进展 p d p 自上世纪6 0 年代问世以来，从单色到彩色；d c p d p 到a c p d p ，得到了k 足的发展。 p d p 结构上，电极从暴露在空气中到镀有保护膜：荧光粉在阴极上精确定位的解决，从而提高了光效， 延氏了p d p 的使用寿命；日本富士通提出了适用于4 0 英寸以上大屏幕的新型结构，美国p h o t o n i c 与法国 t o m s o n 的双基板结构，日本n h k 的改进型d c p d p ，以及本中心的金属荫罩式p d p ，都是p d p 在结构上所取 得的技术进步。 p d p 制作材料上，从基板材料到电极，基板从铅玻璃到陶瓷成分的添加，电极从镍基材料到银材料的 使用，新型材料的使用为提高p d p 性能，降低成本提供了实质基础。 在性能上，p d p 研究工作已经在提高光效，提高亮度，降低功耗，提高分辨率，改进对比度，克服虚 像，以及提高彩色再现能力上取得了进展。同时各研究机构和生产厂家也一直致力于扩大p d p 产品的功能 与用途的开发与扩展，并为p d p 能降低成本，真正走进家庭做出努力 3 。 5 p d p 的研究方向 今后p d p 的研究方向主要集中在以下儿个方面： 通过采用一些新的实验方法，精确地估计放电单元壁电荷在时间和空间上的特性 实现各种放电结构不同形式的结合，开发出具有新型放电结构的p d p 研制山更适合p d p 显示的材料； 寻找辐射v l v 最强的气体及其混合比例： 3 东南大学硕士论文 对工艺进行监测。 1 2p d p 显示单元放电数值模拟发展 为了改善p d p 的性能，在各研究方向上取得突破，研究显示单元的放电情况十分必要。由于p d p 放电 单元非常小。采用实验的方法研究它的放电特性非常困难，而且成本高。目前，比较流行的是采用数值模 拟与实验相结合，研究p d p 的气体放电过程。不但节省大量的时间和经费，还能为实验提供大量的理论依 据，加快研发步伐。不仅如此，数值模拟还可以实现用实验手段难以完成的优化设计工作，对设计起指导 作用。目前采用的模拟方法主要包括动力学模弛( k i n e t i cm o d e l ) ，流体力学模型( f l u i dm o d e l ) ，和混 合模型( h y b r i dm o d e l ) 4 。 数值模拟p d p 单元放电已经累集了大量的研究成果。七十年代，s a h n i 和l a n z a 利用一维流体模型研 究了单色p d p 的放电情况，证实二次电子发射对放电有很大的影响 5 。v e r r a s i n g a m ，c a m p b e l l 等人利用 一维和二维流体模型研究了混合气体下对向放电式p d p 的放电情况，计算结果和实验数据本质上比较的吻 合，数据上的差异认为楚由于电子碰撞截面数据和二次电子发射系数的不确定性以及本地场近似的误差 6 。d r a l l o s 等人发展了一维动力学分析模型，模拟结果表明本地场近似在解决阴极位降区的细节问题上 存在较大的误差。b o u e u f 等人使用二维混合模型研究了n e x e 混合气体的放屯情况，研究表明障壁在避免 相邻单元间的串扰中起着重要的作用 7 。 b o e u f 等人通过比较流体模型和混合模型的模拟结果说明在a c - p d p 显示单元放电的数值模拟中，流体 模型虽然引入了许多的假设因素，但仍然可以正确的预测各种参量的定性行为和变化趋势，即使从定量角 度分析，由于流体模型引入的误差，并不比碰撞界面、二次电子发射系数等基本数据的不确定性引入的误 差大。因此，在本论文中。仍然使硝流体模型，这主要是考虑了流体模型的计算简单，速度较快，适合于 工程应用，方便应用到实际的p d p 结构优化中来。 1 3 本论文的研究工作 目前p d p 新的研究方向，主要是通过新的实验方法，精确地估计放电单元壁电荷在时间和空间上的特 性：实现各种放电结构不同形式的结合，开发出具有新型放电结构的p d p ；以及寻找辐射v 最强的气体 及其混合比例等。 针对这系列的要求，本中心自行研制开发了新型荫罩式等离子体显示器( s m p d p ) ，本论文的研究 工作主要是采用数值模拟方法研究s m p d p 放电单元中的= 次电子发射特性。基于s m p d p 结构，研究不同 工作气体成分，不同的入射粒子能量，以及不同气体压强等因素对二次电子发射特性的影响，得到了二二次 电子发射系数随电场强度变化的函数关系，并根据此关系建立了放电单元m g o 表面的二次电子发射特性的 数学物理模型。采用该模型研究了二次电子发射对s m - p d p 放电单元中空问电位分布和空间粒子浓度分布 的影响以及粒子浓度随时间的变化关系。并针对不同成分、不同掺杂浓度的工作气体得出了变化的二次电 子发射系数情况f 的放电过程模拟结果。同时还针对荫罩式p d p 结构会改变放电单元空间电场分布的特点， 研究了不同单元结构对放电过程及带【乜粒子轨迹的的影响。 本论文第一章为绪论，主要介纲p d p 的研究发展方向。数值模拟研究的重要性，并总括论文的研究： 作。第二章研究p d p 的结构，提出了各种台理的单元结构方案，对比其对放电过程的影响，提出提高粒子 柬聚焦性能，减少对荧光粉轰击的设想方案，并同时结合各种结构介绍了p d p 的工作原理。第三章介绍数 值模拟方法，以及本中心白行开发的数值模拟软件。第四章研究了二次电子发射的影响冈素，对比了在不 同材料体表面二次电子发射的异同，建立绝缘体表面二次电子发射数值模拟的数学模型。第五章给出计 算及分析结果。第六章得出结论。 4 东南火学硕士论文 第二章p d p 工作原理简介与单元结构研究 早在上世纪5 0 年代，n i c l o s o n 就设想出分别垂直硐i 平行扫描的点阵式等离子屏结构。1 9 6 7 年，针对 计算机用乎板显示器，美国i l l i n o i s 大学开发出了对向型交流放电a c p i ) p 。与此同时p h i i p s 开发出了直 流放电d c p d p 。1 9 7 6 年首次提出了面放电概念。在p d p 发展的过程中还出现了各种各样的放电单元结构， 由此，p d p 类型丰富多样 8 。 2 1p d p 分类 以不同的驱动方式来区分，p d p 分为d c p d p 和a c p d p 两种：d c p d p 中，放电气体与电极直接接触，电 极外部串联电阻作限流之用发光位于阴极表面且为与电压波形一致的连续发光。d c p d p 可分为负辉区 发光型和正辉区发光型。除了绪论中提到的n h k 开发的新型d c p d p 外，目前的研究工作及推广重点都在 a c p d p 上。a c p d p 中，放电气体与电极由透明介质层相隔离，隔离层为串联电容作限流之用，放电因受该 电容的隔直通交作用，需用交变脉冲电压驱动为此无固定的阴极和阳极之分，发光位于两电极表面，且 为交替呈脉冲式发光。a c p d p 义可分为对向放电式a c p d p 和表面放电式a c p d p 。对向放电式a c p d p 的x ，y 电极在上下两个基板上璺正交分布。在每个电极交叉处有个放电单元。放电发生在上下两介质之间。表 面放电式a c p d p 的x ，y 电极位于同一基板上，放电发生在介质的表面，而荧光粉在另基板表面。表面 放电型a c p d p 由丁：其结构简单，易于制造，发光效率高，寿命长而倍受重视 g 。 a c p d p 中，为了减少放电单元之间的串扰，提高发光强度和亮度，提出了多种放电单元结构。主要有 华夫( w a f f l e ) 结构：在上下两个发光单元间增加了物理阻隔，降低了串扰，提高了发光率，但有电极对 位和排气上的困难；d e l t a 结构：蜂窝状的电极结构，实现了高亮度高光效，排气畅通，但提高了对电极 对位精度的要求：c s p 结构：增加了i t o 膜和放电单元的数量，平抑电流强度，提高发光效率，减少了串 扰；不等宽单元结构和c c f 结构：解决了色温和色平衡的问题；栅型c r c u c r 结构：代替i t o 膜，无须 汇流电极，无须高温工艺，降低了成本，但同样带来了其它工艺问题 1 0 。 ( 1 ) 对向放电式 ( 2 ) 表面放电式 图2 一la c p d p 放屯单元结构比较 东南大学显示技术研究中心发明了一种新型的荫罩式结构s 卅p d p 1 i 。这种结构如图2 2 所示，其 放电单元结构图如图2 - 3 所示。这种结构与对向放电式a c p d p 看起来是很类似的，但是放电单元的分隔 方法不一样，新型s m p d p 结构不用介质障壁而用金属荫罩将各个放电单元隔开。图2 - 2 中最上面一层为 上电极，晟下面一层为下电极，上下电极正交，以驱动放电单元。在两电极之间，从上到。f 分别是上介质 层、金属罩层，下介质层。上下介质层表面涂敷氧化镁膜m g o ，起保护介质层的作用，同时还能增强二次 电子发射at 作时，上电极加上一个电压，下电极加上一屯压，中间的金属罩也可加上电压。在交变电 压的作用下，气体将会的放电发光。该结构的主要特点是放电性能好，制作成本低。 5 东南大学顶：| = 论文 2 2p d p 的工作原理 图， s m p d p 显示照元栽而图 图2 - 3s m p d p 立体结构图 以a c p d p 为例，介绍p d p 的工作原理。 a c p d p 的基本结构如图2 4 所示，图中所指是一个放电单元结构，放电单元按矩阵式排列，构成p d p 显示板。 寻址电襁 图2 4a c p d p 放电单元基本结构及工作原理简图 p d p 是利用气体放电的原理米： 作的。彩色p d p 放电气体通常为n e 和x e 混合气体。在电极上加上足够的 电压后，放电单元中将会产生放电。在放电过程中，气体会发出可见光，并辐射紫外线。在n e x e 混合气 体放电中，紫外线由x e 的激发态辐射产生。同时气体放电会发出可见光，但p d p 通常不直接利用放电产 生的辉光，而是利用放电产生的紫外线照射到放电单元内壁的荧光粉而激发山可见光。每个显示单元由三 个放电单元构成，这三个放电单元分别沉积能够激发红、绿、蓝色的荧光剂。放电时只要产生足够的激发 态x e 原子，这些激发态x e 能够辐射紫外线，紫外线能够分别使红、绿、蓝三色荧光剂发出红、绿、蓝可 6 东南大学颁士论文 见光。控制不同的色度就可以得到希望显示的颜色 1 2 。 每一个放电单元是由驱动电路进行选择控制的。图2 5 所示为a c p d p 所加的各种电压的工作时序。x 电极、y 电极间始终加有维持电压矿( 低于气体放电点火电压v r ) ，这是一个上下交变的电压。当需要点 燃某象素时，对该象素施加大于点火电压的二似写脉冲k 。而使气体发生放电。放电产生的止离子和电子在 电场作用f 向瞬时阴极和瞬时阳极运动，积累到电介质表面形成壁电荷魏，并产生壁电压r ，。壁电压k ，。 与外加电场方向相反，且随时间而增大，最终使放电停止。当维持电压变反时，维持电压k 和壁电压k 。， 方向相同，此时不需要再加上写电压，维持电压与壁电压之和k + 。大于点为电压矿，能够再次产生放 电。接着壁电位发生改变，放电又熄灭，熄灭后由于维持电压方向改变又重复前述过程，发生放电，周而 复始。总之，只要加上一写电压，气体就能够一直断续放电。如果要想使发光单元停止发光，或者说让上 面所说的断续放电不再发生，则需施加一擦除脉冲e 。加上擦除脉冲后，气体发生一次微弱放电，将壁电 荷吼中和掉。由于壁电荷被中和掉因而没有了壁电压，维持电压又低丁着火电压，因而放电将不会发生， 始终处于熄灭状态。 图2 - 5a c p b p 所加电压的t 作时序图 2 3p d p 的放电特性和发光机理 p d p 的气体原理主要有两个基本过程：气体放电过程。放电单元内所充的惰性气体在外加脉冲信号的 作用下产生放电，使气体原子受激而跃迁，发射出真空紫外线；荧光粉发光过程。利用气体放电产生的紫 外线，激发光致荧光粉发射可见光。由于气体放电过程不仅产生紫外线，还决定p d p 的显示特性，是理论 研究工作的重点所在。 2 3 1 气体放电中粒子的运动与相互作用 气体放电过程是指当作用于气体的电场强度超过某临界值时出现的气体放电现象。此时气体从绝缘状 态转变为导电状态，通常气体放电时伴随着热、光和x 射线等物理效应，并且不同的气体在放电过程中具 有不同的伏安特性。气体放电过程是一个复杂的粒子运动体系，需要研究电子、基态原子( 或分子) 、激 发态原子( 或分子) 、离子，以及光子的运动以及相互作用。粒子在放电空间将进行大量无规则的热运动， 在外加电场作i 【 下，带电粒子还要进行上沿屯场方向的漂移运动。在运动的同时，气体粒子会通过碰撞过 程与其他各种粒子发生相互作用，粒子之间通过碰撞交换动量、动能、位能、电荷，使粒子发生激发、电 离、复合、光子发射和吸收等物理过程。气体放电的典型，v 关系如图2 6 所示 1 3 ，图中的横坐标为电 压，纵坐标为电流。从图可以看到放电曲线具有明显的非线性。 东南大学硕士论文 l 矿 1 0 。1 l o 2 1 0 1 曼趋墼童蔓一= 二： 异靠趣光放电区 1 0 1 辉光敲电 1 0 5 1 0 一 1 0 ld - 1 l 旷 i 三i 。 游森放电区 c 自搀拔电) 。一t | i h p o 叫 l 屯卜j 取瑰于胡斋 制始条件 _ 电丑 l a o 2 0 03 0 0 4 0 0 i 阴鬻雾子l f 一n 墓装 图2 - 6 气体放电的反馈模型图2 7 气体放电的伏安特性曲线 显示单元放电过程的产生与电子雪崩的形成是密切相关的。电子雪崩的物理模型是：电子在向刚极运 动的过程中不断的从电场吸收能蛩，如果场强足够强，则电子会不断的发生电离碰撞。而产生的新电子又 发生电离碰撞，如此电子的数量便产生雪崩式的增长。由电子繁流理论可知，要使放电得以自持，就必须 依靠放电本身由阴极及时补充消失在阳极的电子，消失多少，就补充多少。这个电子繁流倍增过程可以用 图2 7 所示的反馈模型米描述，图中口为气体电离系数，v 为电极间电压。屯子雪崩导致电子数目以指数 关系增长，雪崩产生的离子回轰阴极产生了次级电子发射，这些次级电子又继续参与电子雪崩，于是便出 现了个正向反馈。若反馈增益大于1 ，则这个系统就会变得不稳定。气体放电从稳态到非稳态的过渡点 电压称为着火电压。当电极间电压大于着火电压时，若存在一个起始电流l ，则放电电流将呈指数增欧。 2 3 2p d p 中的气体放电特性 一般认为等离子体平扳显示器中的气体属于弱电离状态，不同于高温等离子体中的气体状态。所谓弱 电离一般是指气体的电离度小于1 0 ，研究弱电离气体中粒子的运动时，可以忽略带电粒子间相互场的作 用，使运动行为的讨论大为简化。 等离子体显示屏一般= l j 作在辉光放电区。正常辉光放电的光区分布、电位分布和光强分布如图2 8 所 示。辉光放电具有以下的基本特征： 1 4 】 稳态的自持放l 【= l ： 放电电压明显低于着火电压； 放电时，放电空间呈现明暗相间的、有一定分布的光区； 正柱区和阴极辉区均属于等离子区电子浓度和离子浓度都很大并且相等； 放电主要依靠二次电子的繁流来维持。 正常辉光放电区有四个明显的发光区域，即阴极辉区、负辉区、正柱区和阳极辉区。阴极辉区和阳极 辉区对发光的贡献远小于负辉区和正柱区。负辉区的发光强度最大，但发光区域较小。正柱区的发光区域 最大，对光通量的贡献也最大。但是，气体放电时，以上四个区域并不一定全部出现。当电极间距离逐渐 缩短时，正柱区也逐渐缩短并首先消失，然后是法拉第暗区和负辉区相继消失。当负辉区的左端和阳极 重台时，放电就会停i e 。也就是说阴极位降区( 它包括阿斯顿暗区、阴极辉区和阴极暗区) 是维持辉光放 电必不可少的部分，阴极位降区的宽度随气体压力成反比例变化。 8 查堕盔堂堡土堕苎 ( a ) 光区分布 ( b ) 光强分布 ( c ) 电位分布 图2 - 8 正常辉光放电的光区、电位和光强分布 ( 卜阴极辉区2 一负辉区3 一正柱区4 一阳极辉区 5 一阿斯顿暗区6 一阴极暗区7 一法拉第暗区8 一阳极暗区) 与正常辉光放电不同，p d p 发光效率低，放电间距只有几十到儿百微米，虽然与日光灯有类似的发光 机理但目前p d p 的发光效率只有1 m w 。造成发光效率低的主要n n 是n n 日光灯放电时其正柱区长， 而p o p 发光的主要贡献者是负辉区，放电时正柱区非常短甚至没有。 2 3 3p d p 的发光机理 p d p 虽然有许多不同的结构，但其放电机理都是相同的。下面以n e + x e 混合气体为例，来说明p d p 的 发光机理 1 4 。 n e + x e 混合气体放电时，由于n e 的距稳能级( 1 6 6 2 e v ) 大下x e 的电离能( 1 2 1 2 7 e v ) ，因此，亚稳原 子 喊与x e 原子碰撞的过程为： n e ：+ 皿_ + 皿+ + 8 ( 潘宁电离) ( 2 - 1 ) 所产生的电子在电场的作用下发生如下反应： 8 + 斗他+ + 2 e ( 电子碰撞电离) ( 2 2 ) p + 胁斗n e ：+ 。( 亚稳激发) ( 2 - 3 ) e + 皿斗x e + + 2 e ( 电子碰撞电离) ( 2 4 ) 如此循环，使x e 的电离儿率极高，大大提高了气体电离截面并加速了寿命较长的的消失和n e 原子的 电离雪崩，降低了p d p 的工作电压。 与此同时，被加速后的电子也会与x e + 发生碰撞。碰撞复合后，激发态x e 原子的外围电子，由较高能 级跃迁到较低能级，产生碰撞跃迁： p + 爿毒+ 一x e ( 2 p 5 或2 p 6 ) + 向p ( 2 - 5 ) 由丁- x e 原子2 p 5 和2 p 6 能级的激发态琉“很不稳定，极易由较高能级跃迁到较低的能级，产生逐级跃迁： x e ”( 2 p 5 或2 风) 一x e ( 1 s 4 或l j 5 ) + h v ( 8 2 3 n m ，8 2 8 n m ) ( 2 - 6 、 x e ( 1 s ，) 与周围的分子相互碰撞，发生能茸转移，但并不产生光辐射，即发生碰撞转移 9 东南大学硕士论文 x e ( i s 5 ) 斗皿( i s 4 ) ( 2 - 7 ) 这里1 s 4 是x e 原子的谐振激发能级。x e 原子l s 4 能级的激发态跃迁至x e 的基态时，就发生共振跃迁，产 生使p d p 放电发光的1 4 7 n m 紫外光： x e ( i s 4 ) 一x e + h v ( 1 4 7 n m ) ( 2 - 8 、 n e ，x e 原子的能级与发光光谱图如图2 - 9 所示。 挞态n e基态x e 图2 - 9n e ，x e 原子的能级与发光光谱图 由于1 4 7 n m 的真空紫外光能量大，发光强度高，所以大多数p d p 都利用它来激发红、绿、蓝荧光粉发光， 实现彩色显示。这种发光被称为光致发光。真空紫外光激发荧光粉发光的原理如图2 1 0 所示。当真空紫 外光照射到荧光粉表面时，一部分被反射，一部分被吸收，另一部分则透射出荧光粉层。当荧光粉的基质 吸收了真空紫外光能量后，基质电子从原子的价带跃迁到导带，价带中因为电子跃迁而出现一个空穴。在 价带中，空穴因热运动而扩散到价带顶，然后被掺入到荧光粉中的激活剂所构成的发光中心俘获。例如红 粉y 2 0 3 ：e u 。其中e u 是激活剂，它是红粉的发光中心。没有掺杂的荧光粉基质y 2 0 3 是不具有发光本领的。 另一方面，获得光子能量而跃迁到导带的电子，在导带中运动，并很快消耗能量厉下降到导带底，然后与 发光中心的空穴复合，放出一定波长的光。同一种基质的荧光粉，由于掺杂元素不同，构成的发光中心的 能级也不同，因而产生了不同颜色的可见光。 0 东南大学硕七论文 l 就重f 导带 i l ” 檗谁 ji 。 盟 、自发光巾心 , r - 一 竹错 图2 1 0 真空紫外光激发荧光粉发光的过程示意图 2 4s m - p d p 单元结构分析研究 在本中心自行研制的新型s m p d p 结构中，由于金属荫罩的引入改变了放电单元中的场分布，从而改 变了放电单元的放电特性。本论文比较了各种不同结构金属障壁放电单元的电场分布和对带电粒子运动轨 迹的影响。轨迹与电场分布情况如图2 一l l 所示e 1 5 。 金属障壁分别为直边形状，梯形和弧形时： ( 1 ) 离子轨迹 ( 2 ) 电场分布情况 图a 直边形障壁情况 ( 1 ) 离子轨迹 ( 2 ) 屯场分布情况 图b 梯形障壁情况 东南大学硕士论文 ( 1 ) 离子轨迹( 2 ) 电场分布情况 图c 弧形障肇情况 幽2 - i i 不同障蔽单元结构对放电的影响 对s m p d p 放电单元结构，改变金属障壁( 荫罩) 形状对改善离子轰击金属障壁上荧光粉的情况有重 要意义。根据离子的轨迹形状，采用上大下小的障壁形状时，轰击到两侧障壁上的离子最少；类碗状金属 障壁比梯形金属障壁克服离子轰击的效果好。除了在单元形状上可以对离子束的聚焦情况加以改善，还可 以利用金属障壁的特殊性，适当增加障壁电位来达到减少离子轰击荧光粉的目的。当障壁上电位为正时， 对离子会有较好的会聚效果。理论上，当金属障壁上电位加至超过5 0 v 时，恰能避免离子轰击金属障壁上 的荧光粉，当加至1 0 0 v 时有良好的离子聚焦效果，没有离子轨迹轰击金属障壁。如图2 。1 2 所示。 ( 1 ) 离子轨迹( 2 ) 电场分布情况 幽2 一1 2 障壁电位为5 0 v 时的离子轨迹与电场分布 i 2 东南大学硕士论文 第三章p d p 放电过程的数值模拟 3 1 数值模拟的分类 目前采用的模拟方法主要包括动力学模裂( k i n e t i cm o d e l ) ，流体力学模型( f l u i dm o d e l ) ，和混合 模型( h y b r i dm o d e l ) 。 动力学模型包括p i c 模型( p a r t i c l e i n e e l l ) 和对流体系( c o n v e c t i v es h e m e s ) 模型。它们可以在 时间维和空间维上完全的解决粒子能量分布问题。电子利离子的能量分布是积分b o l t z m a n 方程得到，通 过m o n t e c a r l o 统计的方法( p i c ) 或在对流体系( c o n v e c t i v es c h e m e s ) 中直接求解。这样就能很好的描 述带电粒子能量分布中的非平衡因素，从而可以精确的描述带电粒子传输中的非平衡状态。但是动力学模 型耗时较长，计算复杂。 流体力学模型中，流体的运动用一组表达质量、动量和能量守恒关系的方程米描述，即粒子连续性方 程、动量方程和能量方程。流体模型从宏观上把握粒子运动，克服了动力学模型耗时和复杂的缺点。但当 气体处丁低气压低浓度的情况时，气体的平均自由程和放电器件的长度可以相比较时( 意味着气体粒子运 动处于滑动流动和自由分子运动之间) ，此时使用流体模型就有问题了，需要使用动力学模型描述。流体 模型不能很好的解决电子能量分布问题，因此必须假发电子的碰撞反应系数和传输系数和e n 有关( 电场 和气体粒子密度的比值) ，或者和电子的平均能量有关。对tp d p 中的放电气体而言，满足流体力学模型 的使用条件。 混合模型将上述两种模型结合起来，用p i c 模型中的m o n t e c a r l o 的统计方法来模拟电子的能量分布， 用流体模型来求解粒子的浓度和电场，由此综合了上述两种模型的优点，是近年米数值模拟研究工作中常 用的一种模型。 对等离子体平扳显示单元的数值模拟而言，目前采用的模拟方法主要包括动力学模型，流体力学模型 和混合模型。 当气体处于低气压，低浓度的情况时，气体的平均自由程和放电器件的跃度和相比较时，就意味着气 体粒子运动处丁滑动流动( f l i p f l o w ) 和自由分子运动( f r e em o l e c u l e f l o w ) 之间，此时就不能使用流 体模型，需要使用动力学模型描述。但对于我们感兴趣的平板显示器件中的放电气体而言，满足流体力学 模型的使用条件。而流体模型计算比较简单，因此在我们编制的模拟软件中，使用流体模型。 流体力学模型中，流体的运动刖一组表达质量、动量平能量守恒关系的方程来描述，即粒子连续性方 程、动量方程和能量方程。 3 2 等离子体的流体特性 等离子体是物质存在的一种状态，与同态、液态和气态并列，称为物质的第四态。等离子体是由大量 带电粒子组成的非凝聚系统，等离子体的运动与电场的运动紧密耦台，存在极其丰富的集体效应和集体运 动模式。对于我们所研究的平板显示器中的放电气体而言，我们更关心它在外部电参数的影响下表现出的 宏观特性。因此，将粒子的运动看成群体运动，采_ l _ j 流体力学中所用的流体模型来描述粒子在放电空间的 运动情况 i 6 1 7 。 3 东南大学硕 ：论文 3 2 1 流体模型的基本方程 流体力学模型中，流体的运动用一组表达质量、动量和能量守恒关系的方程来描述 1 8 1 9 2 0 ， 即粒子连续性方程、动量方程和能量方程。这一组方程，可咀以b o l t z m a n n 方程出发，通过引入适当的假 设米推导，由- 丁放电空间存在大量的粒子，要具体计算每个粒子的运动情况是不可能的。因此，在计算 时只能忽略粒子的个性，将粒子的运动看成不同的流体元之间的运动，即采用流体力学中所用的模型来描 述粒子在放电空间的运动情况。从计算结粟可看到，该模型可很好地描述气体放电过程。 导+ v ( ”一面) 一v ( d , v n i ) ：s = l ，2 ，n c ( 3 _ 1 ) 删 m i 方程( 3 1 ) 给出了粒子平衡方程。其中下标i 对应各种状态的粒子，n ；为该粒子的浓度，q 。为该粒子所带 电荷量，和d t 为该粒子在场中的迁移系数利扩散系数。e 为电场强度，s 为该粒子的净产生量。为所 有粒子种类数。方程左端第一项为单位时间粒子浓度的变化量。第二项为迁移通量的散度。它是由于带电 粒子在电场中受电场力的作用而产生的运动引起的浓度变化。第三项为扩散通量的散度。它是由于在放电 空间粒子浓度不同，粒子从高浓度处向低浓度处扩散，从而引起浓度的变化。方程右端为由于粒子间相互 碰撞而引起的各种反应导致的粒子的净产生量。 当粒子为中性粒子时，方程( 3 - 1 ) 中的迁移项为零。对丁带电粒子，迁移系数与电场有关。而粒子 的净产生鼙由反应方程年反麻系数决定。 詈刮莩m v 一莩丢 ( 1 + 舶 z ， 方稃( 3 2 ) 给出了介质表面电荷方程。a 为介质表面面电荷分布，h 为基本电荷量。y 为相应的粒子在介 质表面的二次电子发射系数。对于基态原子和电子，相应的二次电子发射系数为零。这里假设当带电粒子 打到壁上后，留下所带电荷，然