（物理电子学专业论文）pdp中mgo二次电子发射系数的测试.pdf

东南人学砸j j 论文 摘要 摘要 等离子体显示技术( p d p ) 是目前新兴的显示技术，与传统显 示技术相比具有发光效率、亮度高，使得p d p 更加适合于大屏面、 高分辨率显示。目前市场出现的p d p 因其制造成本过高，发光功 率低，很难在市场上推广。 本文从p d p 制作工艺出发，本着降低成本，延长p d p 显示屏 寿命，提高发光效率的原则，以实验为主，详细介绍了实验室里 的p d p 显示屏m g o 保护膜的工艺流程，测试方法和各种工艺参数 的确定。并且m g o 的二次电子发射系数y 这重要参数进行了更 深一步的研究。发现提高二次电子发射的方法，及p d p 显示屏中 的潘宁气体可以有效的降低其着火电压，降低发光功率。 本文的研究为进一步降低p d p 显示屏的着火电压，提高显示 寿命，提高发光效率提供了实验依据。 关键词：等离子显示氧化镁 二次电子发射 尔南大学坝十论文 摘要 a b s t r a c t p l a s m ad i s p l a y p a n e l ( p d p ) t e c h n o l o g y i s j u s t a d e v e o p i n g d is p l a y t e c h n o l o g ya tp r e s e n t c o m p a r ew i t ht r a d i t i o n a ld i s p l a y t e c h n o l o g y ，i th a sh i g h e rl u m i n a n c e 、l u m i n a n c ee f f i c i e n c y ，w h i c h m a k ei tm o r es u i t a b l ef o rl a r g es c r e e na n dh i g hd e f i n i t i o nd i s p a y h o w e v e r ，b e c a u s eo fi t sh i g hc o s ta n d1 0 wl u m i n a n c ee f f i c i e n c y ，t h e p d pp r e s e n t l ya tm a r k e ti sd i f f i c u l tt o e n l a r g ei t sc o n s u m e r t od e c r e a s et h e c o s t p r 0 1 0 n gp d p sl i f e a n de n h a n c e lu m i n a n c ee f f i c i e n c y ，a c c o r d i n gt ot h e p r o d u c t i v e t e c h n i c s ，b yt h ee x p e r i m e n t st h ep a p e rd e t a i lt h ep r o t e c t i v e f ii mm g oo fp d p ，w h i e hi n c l u d et h et e c h n i c a l p r o c e ssa n d m e t h o d0 ft e s ta n dc o n f i r m i n gt e c h n ic a lp a r a m e t e r s a n dw e f u r t h e rr e s e a r c hf o rt h e s e c o n d a r y e l e c t r o ne m i s s i o nc o e f f i ci e n t y ，w h i c hi sav e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e r w ef i n dt h ew a yt oi n c r e a s e t h es e c o n d a r ye l e c t r o nc o f f i c i e n ta n dd e c r e a s et h ef i r e v o t a g ei n p d pb ym i x a b l e g a s t h er e s e a r c ho ft h is p a p e ro f f e rt h ee x p e r i m e n t a lp r o o f f o rf u r t h e r d e c r e a s i n gt h ef i r ev o l t a g ei n p d p ，e n h a n c i n g t h ep d p s1 i f ea n d 1 u m i n a n c ee f f ic i e n c y k e y w o r d s ：p l a s m ad i s p l a y m 9 0 t h e s e c o n d a r ye e c t r o ne m i s s i o n 学位论文独创性声明 y 6 9 4 4 薯4 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加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，也孙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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：怎3 弦日期：逊 关于学位论文使用授权的说明 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。 ，妒 签名：蔓盘堑堡导师签名： 丝筮车臼期：基坚型! 东南土= 学颂 。论文 第一章结论 第一章绪论 材料、能源和信息是物质生产力的三大基本要素，随着人类活动领域的 日益扩张和科学研究的深入，知识的作用越来越重要，信息的处理量也越来 越大，因此，信息这个要素在技术发展中上升到首位。而在信息的传输、处 理的过程中，显示技术是人机器一系统的重要一环。显示技术具有技术新、 发展快、应用广、前景好等特点。 目前的显示器件包括彩色显象管( c r t ) 、液晶显示屏( l c d ) 、等离子显示 屏( p d p ) 、有机发光二极管( o l e d ) 、电致发光屏( e l ) 、场致发射显示屏( f e d ) 等。各种不同器件采用了不同的电子物理规律，各有特点，应用范围也个不 相同。理想的显示技术应实现高亮度、高对比度、高分辨率并具有大显示容 量、能全彩色显示、驱动电压低、低功耗、高可靠性、使用寿命长的薄而轻 的平板显示。但是，目前的形形色色的彩色技术中，尚没有一种显示技术能 全面实现这些要求。目前显示技术正在以下几个方面谋求发展：( 1 ) 高分辨 率、大容量显示；( 2 ) 平板化；( 3 ) 大型化。 第一节等离子体显示技术的发展 1 9 6 6 年，美国的i l l i n o i s 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；1 9 6 8 年荷兰飞利浦公司的波依尔发明了直流等离子体显示板； 1 9 7 0 年，美国布劳斯公司研制成功自动扫描等离子体显示板，此后，p d p 的 研究急速发展并日益成熟。在计算机终端显示图形、字符显示方面得到广泛 应用，p d p 平板电视也取得了很大的进展。可以说，p d p 比其它平板显示更 适合于做大画面的显示。7 0 年代开始了彩色等离子显示的研究，最早的彩色 交流p d p 采用了双基板对象式放电结构。但是由于离子轰击造成荧光粉损 伤，因此并不成功。为了解决该问题，人们开始了表面放电式结构的研究”h “， 但直到1 9 8 9 年反射式表面放电技术的发明才出现了使用型的彩色交流p d p 样机，该结构将显示的寻址电极分开，提高了寿命，采用反射式发光使可见 光直接发出而不用穿过荧光粉层，从而提高了亮度13 1 。进入2 0 世纪9 0 年代， 尤其是后期，彩色等离子体显示板的发展非常迅速，p d p 被认为是最适合作 为高清晰度电视( h d t v ) 彩色显示终端的技术。1 9 9 2 年，n h k 展示了4 0 英寸 彩色直流p d p 实现了彩色h d t v 显示。1 9 9 3 年，日本的富士通公司采用表 东南、学似1 一论史第章绪论 面放电结构率先实现5 4c m 彩色p d p 量产。由于存在着工艺难度、成本、功 耗、亮度、寿命、图织质量等问题，在此之后p d p 技术处于低谷阶段。1 9 9 5 年8 月富士通在市场上推出第一台4 2 英寸1 6 ：9 交流彩色p d p 电视。1 9 9 6 年 被称为“等离子体电视时代的开始”，到1 9 9 7 年日立、n e c 、先锋、松下、 m a t s u s h i t a 、t h o m s o n 、p h o t o n i c s 等公司相继推出了大屏幕的彩色等离子体电 视产品。多家公司的1 0 7 c m 产品开始在日本和中国等地销售。其中，3 家公 司已展出12 8 c m 样品，并将投放市场。除月本外，韩国的l g 、三星、大宇， 法国的t h o m s o n 、美国的p l a s m a c o ，台湾的宏基、中华映管等都加速了开发 的步伐。到1 9 9 7 年底，投资兴建p d p 生产线的资金已超过10 亿美圆。2 0 0 0 年全年彩色p d p 产量达到2 1 2 万台。预计2 0 0 2 2 0 0 5 年是p d p 产量的快速 增长期，到2 0 0 5 年年产可达4 0 0 万台左右1 4 1 。 等离子体显示技术具有以下一些特点： ( 1 ) 等离子体显示与液晶显示相比，它是自发光型显示，能进行单色 与彩色显示。具有良好的发光效率和亮度。早期量产的彩色p d p ，虽然可以 显示视频图象。但亮度低，仅2 5 0c d ，班2 ，与c r t 的图象质量相差很大。经过 数年的研究开发，1 0 7 c m 的v g a 产品的亮度已经超过了6 5 0 c d m ：。功耗3 0 0 3 5 0 w 。而实验室样品的亮度可达l0 0 0c d m 2 ，超过了c r t 的峰值亮度，显 示出彩色p d p 在技术上的生命力。 ( 2 ) p d p 适合于大屏幕、高分辨率显示。目前单色p d p 已做到对角线达 1 5 f 【l ，分辨率2 0 4 8 2 0 4 8 。而彩色p b p 已能超过6 0 英寸，分辨率超过1 0 0 0 线，2 4 b i t ，1 6 m i l l i0 1 l 彩色。 ( 3 ) 等离子显示单元具有很强的非线形电特性。作为矩阵显示，为了 能对单元寻址，要求单元从熄灭到点亮有很强的非线形，这种非线形越强， 能显示的行数就越多，而气体放电具有很强的非线形，或称开关特性，即当 单元上施加的电压低于着火电压时，单元基本上不发光。因此，即使每行多 达3 0 0 0 个像素，全选点和半选点仍有很高的对比度；另一方面p d p 单元的 开关特性大大减少了必须的驱动电路数。 ( 4 ) 存储特性。p d p 特有的存储特性使等离子体显示单元可工作在存储 方式或刷新方式。而存储工作方式在大屏幕显示时能得到比低占空比扫描刷 新方式显示时高得多的亮度，这使得制造高分辨率大型p o p 成为可能。 ( 5 ) p d p 具有合适的阻抗特性，由于放电气体的介质常数近似为【，与 其它矩阵型显示，如薄膜电致发光( e l ) 相比，p d p 单元电容小，这使得它 有较小的驱动电流。 ( 6 ) 响应快。p d p 响应时间为微秒级，使显示图象时更新像素信号不成 问题。 2 第一章绪论 第二节p d p 的基本结构和工作原理 p d p 的基本结构由前后两块厚度约为3 毫米的平板玻璃组成，其间置有 障壁隔离并使之平行，间距约为lo o 一2 0 0 微米，四周用低熔点玻璃密封， 中i h j 以气体( x e 、n e 、h e 或其混合气体) ，每块平板玻璃的那表面均有条状 平行电极阻两组电极相互正交，每一对应的交叉点借障壁在两玻璃板之问形 成基本的放电单元空间。电极间施加一定幅度的电压，就会引起其问的气体 击穿产生放电，并产生紫外光激发在各放电单元的内壁涂覆的红、绿、篮荧 光粉，即形成了彩色p d p 显示。 彩色等离子体显示板从诞生到现在出现了多种结构，虽然各种结构有其不 同的特点，但总体来说可分为三大类型：直流型( d c p d p ) 、交流型( a c p d p ) 和交直流混合型( m s p d p ，m e m o r ys h e e tp d p ) 。其中直流型主要有 脉冲存储型和电子加速型；交流型主要有交流矩阵对向放电型( a c m ，a c m a t r ix ) 和交流表面放电型( a c c ，a cc o p l a n a r ) 。本文工作主要是针对a c p d p ，关于d c p d p 参考有关书籍”。 图1 - 1a cp d p 结构示意图 1 玻璃扳2 介质层3 潘宁气体 4 正变电投5 封接框 对于图l l 所示的a c p d p 放电结构，充入混合气体后，在任意两条 交叉电极间加上维持电压脉冲，且 以，则该单元就发光。放电时 形成的正离子和电子在电场的作用下，分别向瞬时阳极和瞬时阴极移动。并 在介质层表面形成壁电荷q 。，且壁电荷在放电空间会形成壁电压。因此单元 壁上一旦形成壁电荷，则加在单元上的净电压变的低于维持电压下限，放电 停止。但当外界电压反向时，该电压同上次放电中形成的壁电压叠加，峰值 又超过着火电压，再次产生放电。然后，此过程一直重复。因此，p d p 的放 电单元一旦着火，就可由维持电压维持脉冲放电。 毫 东南人学硕十论文 第一章绪论 第三节目前等离子体显示技术存在的问题 虽然现有的p d p 采用的是表面放电结构，它能大大提高了等离子体显示 屏的性能，而且已经开始批量生产，但是这种结构并不是最优结构。它仍然 存在许多问题和困难，这些问题阻碍了p d p 在市场上的推广。目前等离予显 示屏中存在以下几个问题。 ( 1 ) 成本过高 成本过高是目前p d p 存在最严重的问题。目前p d p 的成本大约在$ 2 0 0 2 5 0 英寸，台普通的4 2 ”v g a ( 16 ：9 ) p d p 的市场销售价格约为$ 8 0 0 0 ， 这是普通消费者难以承受的。影响p d p 的成本主要体现在屏和驱动两部分。 其中影响屏的成本主要为材料成本、制造过程和成品率；影响驱动成本的主 要是高压集成芯片。因此要降低p d p 的成本必须降低材料成本，简化制造过 程，提高成品率；改善显示屏的工作特性，降低对驱动的要求，降低工作电 压，提高屏的动态工作范围，以降低高压驱动芯片的成本。 ( 2 ) 显示性能有待提高 分辨率 目前表面放电结构的显示象素沿水平方向受到扫描电极和公共电 极的宽度所限制，不能做的太小，因此，影响了该显示板在水平方向的 分辨率。并且，随着分辨率的提高，障壁和电极的宽度愈窄，开口率也 下降，带电粒子扩散损失增大，发光效率下降，数据电压大幅提高。这 对发展高分辨率p d p 是非常不利的。 对比度 影响p d p 的对比度有以下三种光：显示用的气体发光亮度、控制用 的发光亮度和环境反射光的亮度。提高前者、降低后两者是提高对比度 的主要手段。而对p o p 来说提高亮度通常意味在着提高功耗和降低发光 效率。 功耗高 目前市场上销售的大多数4 2 寸p d p 的功耗均在3 0 0 w 以上，是c r t 的2 倍，这也是消费者难以忍受的。虽然经过改进，p d p 的功耗有所下 降，但仍没有较大的突破。 发光效率低 因为在p d p 中放电空间非常小，约为几百微米，通常只能利用效率较低 而亮度高的负辉区，而发光效率最高的正柱区出现较为困难。另外由于放电 空间小，壁上带电粒子的复合几率大大提高，电离的效率也降低了，大量的 电能被转化成对气体的加热。目前提高发光效率的主要途径有改进结构、工 术南人学硕土论文 第一章绪论 作气体的配比，提高紫外产生效率，提高紫外频谱的波长，以提高荧光粉的 转换效率或通过改进荧光粉提高14 7 r i m 的对荧光粉的激发效率；改进驱动电 路，利用能量复得电路，较低电路功耗。 第三节本论文的研究工作 为了降低p d p 成本，提高其寿命，人们在介质层上镀上一层m g o 保护膜， 以提高屏的抗离子轰击性。m g o 保护膜的二次电子发射系数的提高对提高其 性能，降低着火电压，延长p d p 的寿命有很大的作用。因此很多研究者在理 论上和实验上都做了很多工作 1 7 - 1 9 ，以找出提高m g o 二次电子发射系数的方 法。但由于实验条件的限制，很多工作者都只是针对某一种特定的气体来测 试m g o 的二次电子发射系数，而忽略了潘宁气体可以大大降低气体的着火电 压。 本论文主要对m g o 的性能和工艺方法进行研究。首先设计了一种简单实 用的实验装置测试m g o 二次电子发射系数。进而不仅在工艺上而且在工作气 体的配比即及种类方面找到一种途径提高m g o 的二次电子发射系数，以降低 等离子显示屏的着火电压，提高了发光效率，延长了显示器件的寿命。 东南大学硕十论文 第二章气体放电的基本原理 第二章气体放电的基本原理 p d p 中保护膜m g o 二次电子的测试，实际上是利用气体放电特性进行的； 并且等离子体显示技术也是利用气体放电发光实现显示的。因此，有必要了 解气体放电的基本原理。 第一节气体放电的物理模型， 1 气体放电中的基本粒子 气体放电过程中一般存在着六种基本粒子：光子、电子、基太原子( 或 分子) 、激发态原子( 或分子) 以及正离子和负离予。 气体放电中的中性粒子是原子或分子，包括基态、亚基态、激发态。带 电粒子包括电子、正离子和负离子。每一种离子都将影响气体放电的电特性， 不过电子的作用通常占主导地位。其中中性粒子和带电粒子对气体放电的电 特性是至关重要的；但是激发的中性粒予对于产生可见光或紫外线激发荧光 粉实现视频显示的p d p ；来说也是非常重要的；同样光子的吸收可引起光激 发、光电离和受激发射，所以光子的发射和吸收对气体放电的分析也是十分 重要的；而负离子则会阻碍气体放电。 2 基本粒子间的相互作用 气体放电中任何一个粒子会通过碰撞过程与其它各种粒子产生相互作 用。所谓碰撞是指两个或两个以上的粒子相互作用引起动量、动能或者内能 变化的过程。气体中粒子间经常不断地发生着碰撞，粒子间地碰撞，特别是 电子和原子地碰撞，是产生电离与激发的外因。要发生激发、电离、转荷、 复合等基本过程都离不开粒子间的碰撞。粒子间相互作用的过程相当复杂， 但可以用相应的碰撞特征参量( 如截面、几率等) 来表征。 相互碰撞的种类有弹性碰撞( 或弹性散射) 和非弹性碰撞( 或非弹性散 射) 两类。发生弹性碰撞时，碰撞粒子间遵守动能和动量守恒定律，碰撞粒 子之间只有动能和动量的交换而无内能的变化。般情况下，气体原子之间 的碰撞大多数是弹性碰撞。发生非弹性碰撞时，碰撞粒子之间遵守动量和能 量守恒定律，但粒子间既交换动能也交换内能，既碰撞前后，粒予的结构或 量子态发生变化。通常将导致粒子体系内能增加的碰撞称为第一类非弹性碰 撞。而导致粒子体系内能减少的碰撞称为第二类非弹性碰撞，或称为超弹性 东确大学硕上论文 第二章气体放电的基本原理 碰撞。 碰撞的特征参量 ( 1 ) 碰撞截面 剥丁两个刚体球之间的碰撞，当它f f 之间的距离小于或等于它们的半径 之和+ 时将发生碰撞。考虑各个方向的运动，通常用截面积仃( _ + ) 2 来表 征它们发生碰撞的可能性，简称碰撞截面。对于带电粒子，由于相互之问有 库仑力，它们之间作用范围远大于其半径。 ( 2 ) 碰撞几率和碰撞频率 碰撞几率表示发生某种碰撞的数目在总碰撞次数中的比值。发生碰撞的 总几率就是发生各种碰撞几率的总和。碰撞频率定义为单位时间内发生碰撞 的次数。 电子、离子与原子之间的弹性碰撞 在气体放电中存在这大量的电子与原子之间的弹性碰撞，这种情况下粒 子只交换动量，但不改变内能。当电子能量较小时，才具有较大的弹性碰撞 截面。而粒子的弹性碰撞截面随离子质量的增加而增大，随离子动能的增加 而降低，并趋于一常数。 气体原予的激发和电离 ( 1 ) 气体原子的激发和电离 电子与气体原子碰撞致激发和电离在气体放电中扮演着最重要的角色。 电子与另外一种粒子碰撞发生激发和电离的几率可用速率系数来描述： a = 仃v( 2 一l 一1 ) 其中，a 为速率系数，随电场强度e 的变化而变化。盯为电离或激发碰 撞截面，它是电子能量的函数。v 为电子的平均速度。 ( 2 ) 原子和离子与气体原子碰撞激发和电离 实验表明原子和离子与气体碰撞时产生激发和电离的几率都比较小。 ( 3 ) 光致激发和光电离 光致激发和光致电离是由具有一定能量的光子和原子“碰撞”使原子产 生激发和电离的过程，其特点在于碰撞后光子把能量传给原子而本身不在存 在。这是一个可逆过程。原子从较高能态回到较低能态时辐射出光予，而较 低能态原子吸收光子能量后会跃迁到较高的能态 ( 4 - ) 热激发和热电离 当气体温度较高时，快速运动的粒子数目大增。高能粒予间的相互作用使气 体粒子被激发或电离，这种现象成为热激发和热电离。在等离子体显示器中， 由于其工作在低温等离子体状态，因此热激发和热电离较少。 气体原子的激发转移和消电离 气体粒子从激发态回到较低能态或者进一步激发到更高的能态使粒子 从该激发态消失的可能途径，这种过程称之为气体粒子的激发转移。消电离 主要有带电粒子的复合、带电粒子的电荷转移以及负离子的形成、带电粒子 东南大学椭士论文 第二章气体放电的摹本原理 的扩散等，它直接与维持放电的条件有关。 气体粒子的激发转移和消电离是气体粒子的激发和电离的逆过程，这些 基本过程属于重粒子间的第二类非弹性碰撞。 ( 1 ) 气体原子的激发转移 气体原予从某一激发态消失的主要途径有： i 自发辐射跃迁； l i 激发态原子与电子碰撞，把激发能转给电子或从电子得到额外能量，原 子自身回到较低能态或进一步被激发到更高能态。 i i i 激发态原子与基态原子碰撞，把激发能转移为其它原予的激发能或电离 能。 上述后两种过程称为激发转移，属第二类弹性碰撞。 潘宁效应 适当的两种气体按一定的比例混合后，它的着火电压低于单种气体的着 火电压，这种效应称为潘宁效应。 a + + b 呻彳+ b + + e + e( 2 一l 一2 ) 其中一表示爿粒子的激发态，若该激发态的激发能接近日粒予的电离能 并是某个亚稳态时，发生潘宁效应的几率就大了。在单色等离子体显示中通 常采用n e + o 1 a r 的潘宁气体作工作气体来降低工作电压，而彩色等离子体 显示通常采用n e + 4 x e 的潘宁气体。 + e 一一n e + 0 6 6 e g 、+ e ( 2 1 3 ) n e ( 1 6 6 e v ) + a r 斗n e + a r + ( 1 5 8 e v ) + 8 一 ( 2 1 4 ) 话+ e 一斗n e ( 1 6 6 e v ) + e 一 ( 2 一i 一5 ) 肫4 ( 1 6 6 e v ) + x e 4 + x e + ( 1 2 1 3 e v ) + 口一 ( 2 一卜6 ) ( 2 ) 带电粒子的复合 电子和正离子间的复合 由于在气体放电中，电子的运动速度较大，当它接受正离子时，相互作 用时间短，通常不容易复合。但如果此时有第三者参与，如放电器壁或中性 原子吸附电子从而降低电子速度，则这种复合比较容易产生。传统的表面放 电结构中，当分辨率提高时，由于放电空间缩小，障壁的存在大大增加了电 子和离子在器壁上的复合，相应的工作电压提高了，发光效率下降了。 正负离子间的复合 由于正负离子的速度均较低，且质量、电荷量和速度相近，因此相互作 用时间长，所以复合几率很高。 ( 3 ) 带电粒子的电荷转移 正离子和气体粒子碰撞可能发生电荷的交换，这时正离子从原予获得一 个电子变成中性原予，但仍保持原来较大的速度；原来的中性原子碰撞后变 成了正离子，但具有较低的速度。负离子同原子相碰，也可以把多余的一个 电子转移给原子，本身成为速度较快的中性原予，同时使原来的中性原子变 东南人学硕士论文第二章气件放电的基本原理 成速度较慢的负离子。以上所述交换电荷的过程叫做电荷转移。用公式表示 为： ，4 4 + b a + b 爿一+ b 斗彳+ b 一 ( 2 一l 一7 ) ( 2 一l 一8 ) ( 5 ) 负离予的形成 在气体放电中，微量的负离子的存在会明显地影响气体地击穿以及放电 的光谱特性参量。实验表明惰性气体和，、日，等气体不会通过吸附电子而形 成负离子，但象o ，、h ，o 、c f ，等气体就可以在极短时间内吸附电子而形成负 离子，这对气体放电是极为不利的。因为它减少了空间电子的浓度，同时负 离子容易和正离子复合而减少正离子的浓度，所以会大大提高气体的击穿电 压，因此在等离子体显示板中，对上述杂质气体要严格控制。 3 、粒子在气体中的运动 在气体放电过程中除了上述微观的化学式的过程之外，大量存在着各类 粒子在气体中的宏观运动。 热运动 粒子在气体中的热运动可以用一个特征常数平均自由程来描述。自由程 反映着粒子问碰撞的几率。 瓦：上( 2 一l 一9 ) n o - 粒子碰撞的平均自由程反比于相应的碰撞截面与气体粒子浓度，可以从 平均自由程得到粒子碰撞的有效截面。 扩散运动 气体分子因为空间浓度的不均匀而在浓度梯度作用下靠杂乱无章的热 运动称为扩散。 j = 一d v n( 2 1 一1 0 ) 其中d 称为扩散系数。扩散系数d 是粒子流量速率与其浓度梯度之间的 比例常数。负号代表粒子的流动与浓度梯度方向相反，即粒子从浓度高处向 低处流动。 在实际情况下粒子的浓度梯度也随时间雨变化。单位时间内单位体积里 粒子数的变化速率为 窘一了或窘m 础 这就是连续性方程，该方程是流体力学方程中最基本的描述方程。 4 带电粒子在气体中的运动 9 vdv j i vd l i 塑劳 + 塑矿 + 塑酽 d 坠= 8 删vd l i 一，令 东南夫学硕j j 论文 第二章气1 木放电的基本原理 当气体中存在电场时，其中带电粒子的运动与它们的无规则热运动有所 不同，除了上面描述的热运动和扩散运动外，更表现出沿电场方向的定向运 动，通常称为漂移运动。带电粒子在电场驱使下的运动表现为一种群体运动， 其速度与电场方向一致，通常称为漂移速度。当存在大量的碰撞时，带电粒 子的平均漂移速度与电场强度直接有关，也与气体的浓度有关。因此可以用 单位强度电场作用下的粒子漂移速度表示其运动状态，即迁移率，其单位为 卅2 ( v j 、： v ， 舻詈 在气体放电中同时存在着离子和电子， 此电子的漂移速度比离子大3 4 个数量级 离子的漂移运动 ( i ) 离子在同种气体中的漂移运动 由于电子的质量远小于离子，因 两者的特性也大不相同。 考虑离子的统计分布，离子运动的迁移率为 p ，：鱼：0 6 4 竺 e2 m o 在实际使用中，可以把h e 、n e 、和心离子的迁移率“与e p 的关系表示 为以下经验关系式，其中。为单位压强下离子的迁移率： 舻础州爷 ( 2 ) 离子在其它气体中的漂移运动 离子在其它气体中的迁移率为 舻o s s 熹c 半，i 式中肘和眠分别为离子和气体原子的质量，v 是离子的均方根速度，五 是离子在气体中的平均自由程。 电子的漂移运动 电子在电场中的漂移运动由于它本身的特性，与离子有很大的差异，电 子漂移运动得理论分析要比离子复杂得多。在离子的漂移运动中，离子的漂 移速度与作用电场强度成线性关系，因此可以用一个迁移率常数描述，而电 子只有在很小的电场强度范围内才存在这种简单的线性关系，因此不存在屯 子迁移率常数，它是随电场变化很大的函数。 v d e 以2 百 显然以与e 有关，在较高的电场作用下，电子与原子会发生非弹性碰撞 这将使电子速度减小，相应的乜也减小。 东南人学坝十论文 第二章气体放电的基奉燎理 出于在大多数输运过程中，电子的漂移和扩散同时在起作用，扩散和漂 移之间满足爱因斯坦关系式： dk7 1 1 p e 可见，旦具有电子能量的量纲，通常称之为特征能量。 斗e 带电粒子的双极性扩散运动 当带电粒子的浓度达到1 0 ”肺3 量级时，必须考虑正负粒子之间的相互作 用。在相同的电场作用下，电子比离子得到更大的加速，运动得更快；在浓 度梯度作用下，电子比离子扩散得更快。因此在实际的放电空间里，电子比 离子更快到达边界而消失，而放电空间留下过剩的离子使放电空问出现过剩 的正电荷，从而出现了电荷分离，产生了内部电场，而该电场趋向于减速电 子和加速正离子。最后达到稳定的条件是正负粒子以相同速度扩散。这样的 扩散称之为双极性扩散。 第二节气体放电的特性 1 充气二极管的伏安特性 气体导电的物理机制是很复杂 的，在不同的条件下会出现各种不同 形式的导电现象。但总的来说，可分 为自持导电和非自持导电两大类型。 所谓非自持导电，是指欲使电流通过 气体，必须要有外致电离源。导电后， 若去掉电离源，虽然电极上仍维持原 】 电压，但电流很快减少，以致放电不 能维持而熄灭，这就是非自持导电。 而自持导电，是指在外电离源的作用 下，当放电管两端的电压增加到某一 特定值时，管内电流突然增大，而使 气体击穿。这时若去掉外电离源，气 体仍处在导电状态，继续维持稳定的 放电，这种状态称为自持导电。由非 自持导电转变为自持导电状态过程 称为气体击穿过程或着火过程。本世 v 图2 1 充气二极管伏安特性 东南大学硕j 论文 第二章气体放电的基奉原理 纪初，汤生建立了气体击穿理论，这是气体导电的第一个定量理论，至今一 直被人们公认为气体导电的基本基础理论之一。 图( 2 1 ) 所示为充气二极管伏安特性曲线。用具有平板电极系统的放 电管( 管内气脏较低) 同直流电源e 。串连，调节电源电压从零开始逐渐增加， 然后在减小限流电阻月，就可以得到如图的全伏安特性曲线。可将此曲线分 成七个区域。第1 区为非自持放电区，其特点是当没有外界催电离剂( 如宇 宙射线和光等) 时，放电不能自行维持。另外，此区的放电电流很小，常在 1 0 1 0 。2 a 范围。由于气体的电离度低，故放电不发光。因此非自持放电是 一种暗放电。在特性曲线启点之后，放电进入自持阶段。b c 称为无声放电区， 此区气体放电发光极微弱，电流在1 0 。1 0 1 0 。a 范围。经过第1 i i 区( 欠辉区) 到达正常辉光放电区( 即e f 区) ，此区放电很稳定。如果电压继续升高，放 电进入第v 区( f g 区) ，此区称为反常辉光放电区，其特点是放电电流大， 会产生强烈的阴极溅射。当电压高于g 点所对应的电压时，而且限流电阻又 较小，放电就会进入第区，即弧光放电区。放电一旦到达此区，端点压急 剧下降，放电电流剧烈增加。图2 1 中的g 点相对应的电压是弧光放电的着 火电压，曲线上的d 点对应的电压称为辉光放电的着火电压( v ，) ，和起辉 电压，或击穿电压。点对应的电压称为维持电压旷。若控制放电管中的气 体种类、压强、端点压及串连电阻的数值，就可以使气体放电由一种形式转 化到另一种形式，或维持在某一种放电形式。欠辉区的放电不稳定，反正常 辉光放电区容易使电极溅射，弧光放电区的放电电流很大，容易烧毁电路。 因此，绝大多数等离子体显示板应该工作在辉光放电区，在此区域内放电电 流较小，功耗小，并可得到足够的亮度。 2 汤生电离系数 在低气压( p 2 中m ( 2 3 2 ) 金属表面就有电子发射现象，其发射系数与离子本身的动能大小关系不 明显，这主要是由离子势能激发的电子发射。式中e 矿是轰击离子的势能，也 就是该离子的原子电离能。这种现象可以用离子中和理论来解释。当低能的 入射离子接近金属表面时，在表面形成离子场，金属中的自由电子就可被离 子所俘获，与离子符合成中性原子。复合时放出电离能量，这能量被另一个 电子吸收，当它吸收的能量大于逸出功时，即可逸出金属成为二次电子。因 此利用离子势能激发电子发射，由于需从金属中拉出两个电子，所以e 矿必须 大于2 中。如果上述两个电子都处于金属的费米能级e ，上，那么发射出的二 次电子具有的能量为： 乓= e k 一2 0 。 ( 2 3 3 ) 由于惰性气体原子的电离电位是随着原子序数增加而减小的，因此对于 惰性气体放电中，由于离子势能激发的二次电子发射系数是随原子序数增加 丽减小的。 离子动能激发电子发射 由轰击离子的动能作用引起的二次电子发射称为离子动能激发电子发 射，其系数用表示，且y 。随离子动能的增加而增大。 实际上，离子的动能与势能是同时作用的，也就是说与，i 是同时并存 的，所以离子轰击下的二次电子发射系数y i = y 。+ y p 二次电子的发射对p d p 显示板有着很重要的意义。为了降低p d p 显示板 的着火电压，降低功率，提高发光效率，有必要选择一种保护膜，提高二次 电子发射率降低着火电压，延长p d p 显示板的寿命。目前，保护膜通常选 用m g o 。 东南人学坝j 。论义 第二章气体放电的基本原理 2 影响击穿电压的因素 气体的种类和成分 根掘巴邢定律，气体的着火电压与气体种类有如下关系： _ ：阜r ( 2 3 4 ) i n ( p d ) 一l n 二 1 n ( 1 + 二) 其中，a 、b 是常数与由气体的种类确定，y 是二次电子发射系数。因此，气 体的种类不同，a 与b 常数不同，击穿电压也就不同。通常当原予的电离能 较低时，v ，值也偏低。在上述讨论中，我们之讨论了单一气体击穿问题。实 际上，气体的纯度对v ，有很大影响。当在纯气体中混入微量杂质气体是若 两种气体间满足潘宁电离条件，混合气体可产生潘宁电离过程，从而增大空 问的电离增长率，使气体击穿电压下降。放电中潘宁效应越强，击穿电压下 降越大，其影响关系与两种气体的性质和它们量的混合比有非常密切的关 系。如果混入气体使负电性气体，它易吸附电子形成负离子，使在击穿中起 主导作用的电子浓度下降，空间电离系数减小，为了达到击穿条件，矿，定 要提高。如果混入分子性气体，一般击穿电压也要升高。总之，杂质气体对 击穿过程有很大的影响，它直接影响到击穿电压的数值。所以一般气体方电 器对真空度的要求是非常严格的。 阴极材料表面状况与电极结构 阴极材料与表面状况的变化直接影响到正离子轰击下的二次电子发射 系数y 值的大小，从而影响到击穿电压的大小。阴极表面的工艺处理情况对y 系数值的影响是一个很复杂的问题，表面上吸附有任何杂质都可对y 系数产 生一定的影响。因此，一般气体放电管在研制过程中必须对电极进行严格的 工艺处理，使阴极发射电子稳定，击穿电压稳定。显然，一切有利于y 系数 增大的措施都可以使击穿电压降低。 巴邢定律是假设了放电管内电极是平行平板结构，气体击穿前放电空间 电场均匀分布。而在实际的放电管内，由于很多原因，例如电极的结构、形 状、尺寸等因素都直接影响到放电空间电场的分布。由于电场对汤生第一电 离系数口有很大的影响，阴极表面附近空间的电场强度对汤生第三电离系数 也有很大的影响。因此，它们对击穿电压都有显著的影响。 预电离 放电管电极间在未加击穿电压之前，由于外界电离源的作用，使气体空 间形成初始带电粒子的状态称为预电离。显然预电离的程度对气体击穿有很 大影响。预电离越强，击穿电压越低。为了降低击穿电压，常用的增强预电 离的措施是多种多样的。例如，用强紫外光照射阴极可产生光电子发射，用 它照射气体可使气体原子光电离；在放电管内或周围放置微量放射性元素， 放利性射线使气体原予电离；在高气压放电管内也可加辅助电极，首先辅助 电极产生预放电使整个放电管内产生预电离。总之，一切可使气体电离的措 东南人学硕士论史 第一章气体放电的基奉蟓理 施都可形成预电离。 6 东南人学硕_ 上论义第三章p d p 中的m g o 保护膜的t 艺流程 第三章p d p 中m g o 保护膜的工艺流程 a c p d p 发展过程中的一个主要问题是工作的稳定性和寿命特性。等离子 体屏一般是低熔点玻璃介质层通过热融化法涂敷在含有电极的玻璃基板上， 含铅丰富的低熔点玻璃是最适宜的介质层材料，因为它熔点温度低，透光性 好，膨胀系数合适，具有较好的放电特性。但这种板的寿命特性不好，因为 在工作过程中，潘宁气体离子高速轰击板两侧，引起介质层的分离和溅射， 导致器件的着火电压升高，工作寿命降低。为了解决这个问题，需要在介质 上涂敷保护膜。另外覆盖在介质层上的荧光粉经常受离子轰击，引起光衰及 光效下降，降低器件的发光亮度及效率，也必须覆盖保护膜。保护膜不仅能 使显示板获得极好的寿命特性和稳定性，并可使板的工作特性获得明显的改 善，如能显著降低器件的着火电压，降低驱动成本，减小放电时问延迟，改 善板的动态放电特性等。 保护膜直接与放电气体相接触，是决定p d p 寿命的主要因素，同时对p d p 的放电特性有显著影响。保护膜特性主要决定于所用膜材及膜表面特性，膜 表面特性则主要决定于成膜方法和工艺参数。工艺参数影响膜结构、成分及 表面形貌等特性，进而影响a c p d p 的性能。因此，成膜材料与方法的选取及工 艺参数的确定是很重要的。 第一节介质保护膜材料的选择 1 用作p d p 中介质保护膜的材料应满足以下几方面的要求【8 】： ( 1 ) 着火电压低 ( 2 ) 表面电阻率及体电阻率高：p ；) 1 0 ”q m ，a 1 0 “q m ( 3 ) 耐离子轰击 ( 4 ) 击穿强度高：e ( 8 一】0 ) 1 06 v m ( 5 ) 与介质层的膨胀系数相近 ( 6 ) 放电延时小 ( 7 ) 易于制备 为寻求合适的保护膜材料，前人曾对十种可能的材料做过实验研究，这 一工作至今仍在不断进行。 东南大学硕士论文第三章p d p 中的m g o 保护膜的工艺流程 2 可供选择的保护膜材料 ( 】) 碱金属氧化物( c s o ) ：优点是使p d p 工作电压低，缺点是c s o 在空气 中极不稳定，难以制备保护膜。 ( 2 ) 碱土金属( a 族) 氧化物：b a o 、m g o 、c a o 、s r o 工作电压低，且提 高了p o p 的工作稳定性，但它们在空气中的稳定性也较差。 ( 3 ) i i i 及旅氧化物：a i ：0 ，、s i o ：、t i 0 2 、z r o ：等，工作稳定性好，但 工作电压两。 ( 4 ) l a 系金属氧化物：l a ，q 、c e o ，等，工作电压低，工作稳定，但放电 延时大。 在这些材料中性能较好的是坞0 、c e o ：和l a ：0 ，这三种材料的主要性能 列比： i工作稳定性( 用离解热来表征) ，在器件的整个寿命过程中，器件工 作电压保持在几个伏特之间，为满足这苛刻的稳定性标准，保护膜材料 必须具有大的结合能以便在被离子、电子、质子或亚稳态原子撞击时不 会分解或溅射。结合能可由与之相关的物理量一离解热推出。经研究， 作为p d p 的介质保护膜要求离解热大于2 10 于焦耳克分子 m g o ：2 5 0 千焦耳克分子 c e o 。：3 14 千焦耳克分子 三日，q ：3 3 4 干焦耳克分子 j j上述材料的二次电子发射系数y 及着火电压形的关系见图3 一) ，可 以看出m g o 最优。所以m g o 成为介质保护膜的首选材料，广泛地用于 p t c p d p 中。而到现在为止，真空用于p d p 器件中的介质保护膜的材料也只 有m g o 一种。 v f 蕃 o o s j 0 2 、 r 磐 oq 20 40 6o 8 y 图3 1二次电干发射系数与着火电压关系图 第二节m g o 保护膜的性质与制备 东南夫学硕1 j 论文 第三章p d p 中的m g o 保护膜的工艺流程 存p d p 的制造过程中，显示屏中介质保护膜的制备是一道非常重要的_ j 二 序，保护膜制各的好坏直接关系到显示器的各个性能指标。m g o 膜由于良好 的性能而成为目前最理想的p d p 介质保护膜。 1 m g o 保护膜的物理特性 m g o 薄膜作为p d p 工作时辉光放电过程的保护层，满足以下几方面的要 求： i 着火电压足够低 i i 寿命足够长 1 存储性能足够好 对可见光透过率足够高 m g o 是种具有n a c 结构的离子晶体，熔点为2 8 0 0 。c ，膨胀系数( 1 2 】5 ) 10 “，密度为3 6 5 2 9 c m3 ，晶格常数为4 2 l 3 a ，m g o 薄膜主要有三种 结晶取向( 1 1 1 ) 、( 2 0 0 ) 、( 2 2 0 ) 。薄膜制备方法、基底材料性质、沉积温度、 沉积速率等影响薄膜生长取向。不同结晶结构的m g o 薄膜具有不同的二次电 子发射系数，m g o 薄膜的二次电子发射系数影响p d p 的工作特性。m g o 薄膜 ( 1 1 1 ) 晶面相对其它晶面具备最大的电子发射面积，故具有( 1 1 1 ) 晶面择优取 向的m g o 薄膜具有最大的二次电子发射系数。低能粒子( 能量为3 0 0 e v 以下 的氖离子) 激发下测得的二次电子发射系数结果如下表3 1 。 表3 一lg g o 薄膜的二次电子发射系数9 2 m g o 的化学性质 室温下发生以下反应趋势： m g o + h ，0 一m g ( o h ) ，( 3 - 2 1 ) m g o + c o ，一m g c o ，( 3 - 2 2 ) m g o + c l ，一m g c l( 3 2 3 ) 在高温下将发生以下反应： m g o + n ，一m g n ，( 3 - 2 4 ) m g o + c m g c ，( 3 - 2 - 5 ) m g o 膜暴露大气后的性能变化： m g o 膜吸水性很强，暴露大气后，会很快吸收水汽，使m g o 膜