4光电测试技术课件四：电致发光显示、其它显示技术解析

电致发光、其它显示技术§6.4电致发光显示电致发光（Electroluminescence,EL）是将电能干脆转换成光能的一种物理现象。电致发光按激发过程不同可分为两大类：

注入电致发光——在半导体pn结加正偏压时产生少数载流子注入，与多数载流子复合发光。接受不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。PN结具有单向导电性。一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P型半导体和N型半导体的交界面旁边的过渡区称PN结。PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的PN结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。制造异质结通常接受外延生长法。在P型半导体中有很多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。N型半导体中有很多可动的负电子和固定的正离子。当P型和N型半导体接触时，在界面旁边空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消逝。因此在界面旁边的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。P型半导体一边的空间电荷是负离子，N型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面旁边产生电场，这电场阻挡载流子进一步扩散，达到平衡。在PN结上外加一电压，假如P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消逝，电流可以顺当通过。假如N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导电性。PN结加反向电压时，空间电荷区变宽，区中电场增加。反向电压增大到确定程度时，反向电流将突然增大。假如外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结烧毁。反向电流突然增大时的电压称击穿电压。基本的击穿机构有两种，即隧道击穿和雪崩击穿。PN结加反向电压时，空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压变更。依据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管：利用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二极管，利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管；利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管；利用结电容随外电压变更效应制作变容二极管。使半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件：利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管；利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可以制成光电探测器；用光生伏特效应可制成太阳电池。此外，利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大、振荡等多种电子功能。PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代电子技术的基础，在二级管中广泛应用。高场电致发光——将发光材料粉末与介质的混合体或单晶薄膜夹持于透亮电极板之间，外施电压，由电场干脆激励电子与空穴复合而发光。高场电致发光分为沟通和直流两种，如粉末型沟通电致发光与粉末型直流电致发光。6.4.1注入电致发光显示发光二极管（LightEmittingDiode,简称LED）是注入电致发光显示器件的代表。发光二极管是利用少数载流子流入pn结干脆将电能转换为光能的半导体发光元件。LED构造的核心是用磷化镓或砷化镓等半导体发光材料晶片做成的pn结，晶片的大小约0.3×0.3×0.2mm3，晶片外用透亮度高和折射率高的材料（一般用环氧树脂）包封，树脂外观视应用要求做成各种形式。也可以在LED的底座上安置两枚或两枚以上晶片，各晶片材料不同，发出不同的色光，当各晶片发不同强度的光时，它们将产生不同混色，使发光二极管显示不同色光。

单个LED常用来做各种指示灯，如将单个LED拼排成符号、字符或纵横矩阵排列，可显示符号、字符和图形。LED的主要特点：工作电压低，能在电压2V左右工作，可用电池供电或干脆与集成驱动电路相连，驱动简洁。LED是小型的高亮度发光元件，如GaAlAs材料的LED，当电流为20mA时，发光强度可达到100cd。发光响应快。由于注入pn结正向电流而发光，因此限制输入电流的大小，开断LED，发光响应特殊快，可达1ns，这对于光的高速度调制特殊有利。寿命长，耐冲击。亮度半衰时间达到十万小时以上，而且，LED是小型、固体发光元件，有高的牢靠性。LED目前存在的缺点：

LED发光效率太低，作为大屏幕显示时，显得功耗比较大。单色光LED的种类及其发展历史最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年头初。当时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。70年头中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。到了80年头初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。90年头初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λp=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。单色光LED的应用最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国原来是接受长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司接受了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年，我国起先在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级），可以及早让跟随车辆的司机知道行驶状况，削减汽车追尾事故的发生。另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电筒等领域都得到了应用。白光LED的开发对于一般照明而言，人们更须要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光放射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸取，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过变更YAG荧光粉的化学组成和调整荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉，其最好的发光效率约为25流明/瓦。YAG多为日本日亚公司的进口，价格在2000元/公斤。其次种是日本住友电工开发出以ZnSe为材料的白光LED，不过发光效率较差。某些种类的白色LED光源离不开四种荧光粉：即三基色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉在将来较被看好的是三波长光，即以无机紫外光晶片加R.G.B三颜色荧光粉，用于封装LED白光，预料三波长白光LED今年有商品化的机机会。但此处三基色荧光粉的粒度要求比较小，稳定性要求也高，具体应用方面还在探究之中。业界概况在LED业者中，日亚化学是最早运用上述技术工艺研发出不同波长的高亮度LED，以及蓝紫光半导体激光（LaserDiode；LD），是业界握有蓝光LED专利权的重量级业者。在日亚化学取得兰色LED生产及电极构造等众多基本专利后，坚持不对外供应授权，仅采自行生产策略，意图独占市场，使得蓝光LED价格昂扬。但其他已具备生产实力的业者相当不以为然，部分日系LED业者认为，日亚化工的策略，将使日本在蓝光及白光LED竞争中，逐步被欧美及其他国家的LED业者抢得先机，届时将对整体日本LED产业造成严峻损害。因此很多业者便想方设法进行蓝光LED的研发生产。目前除日亚化学和住友电工外，还有丰田合成、罗沐、东芝和夏普，美商Cree，全球3大照明厂奇异、飞利浦、欧司朗以及HP、Siemens、Research、EMCORE等都投入了该产品的研发生产，对促进白光LED产品的产业化、市场化方面起到了主动的促进作用。Fig.1SchematicdiagramoffabricatedLEDwithsurfacenano-structure.Fig.2Fabricationprocessesofperiodicnano-structureonLEDsurfacebyusingnanoimprintlithographyandreactiveionetchingmethod;(a)spincoatingresinonNifilm,(b)duplicatingnano-structureonresinbypressingthemold,(c)removingbacklogofresin,(d)etchingNifilmbyArplasmaetching,(e)etchingGaNandAlGaNfilmbyRIEusingBCl3andCl2gases,(f)removingNifilmbyaqueousHNO3.Fig.3SurfaceSEMimageafterfabricatingnano-structurebyNILusing500nmpitchmold.(a)(b)(c)(d)Fig.4ELimagesforthesampleswithvariouspitches(m)atthesamep-electrodediameterof20mm;(a)m=200nm,(b)297nm,(c)395nmand(d)498nmpitch(m),respectively.Fig.5ELangularspatialdistributiontakenfromthesampleswithnon-patternand500nmpitchnano-structureonthesamplesurface.6.4.2高场电致发光显示1.沟通薄膜电致发光显示（ACTFEL）目前ACTFEL多接受双绝缘层ZnS:Mn薄膜结构。器件由三层组成，发光层被夹在两绝缘层之间，这样就消退了不希望有的漏电流，并且在电场作用下不会击穿。ACTFEL结构示意图

发光层掺不同杂质可发不同的光，目前以锰的效率高。ACTFEL具有记忆功能：假如对ACTFEL器件施加一组脉冲电压，每个脉冲作用下器件发光亮度与前一脉冲的极性关系极大：当下一脉冲反极性时，器件的亮度显著增大；反之，当下一个脉冲为同极性时，器件亮度便显著地减小。在通常室内光照度下，这种记忆效应可维持几分钟，但在黑暗中可保持十几个小时。记忆效应机制：脉冲电压产生强电场，使发光层中电子加速。在这些电子穿过发光层时，激发锰发光中心。已穿过发光层的电子便在发光层与绝缘层的界面上积累起来，这些电子在电场移去后仍将留在界面处，于是在发光层两边形成极化电荷。假如下一脉冲方向反转，则极化电场与脉冲电压产生的电场叠加，总电场变大，所以发光亮度增大。ACTFEL的优点：亮度高（5000cd/m2，5Hz）寿命长（大于20000h，不劣化）稳定性极好具有本征灰度存储实力可用光笔或投影法实现光学书写擦除辨别率可以做得较高（100×100板中可得到20线/厘米的辨别率）工作温度范围宽（-55℃~+125℃）ACTFEL的缺点：静电电容大动作速度受限制没有自扫描、自位移功能

所以，驱动电路不易简化，顔色只有橙黄色效率较高，其他顔色效率很低，工作电压高，使集成化困难。2.沟通粉末电致发光显示沟通粉末电致发光板的发光粉用铜、铝等激活的硫化锌（ZnS：CU，AL或ZnS：Pb，CU，AL）与树脂等透亮有机介质混合后，涂布在两个电极中间，厚度为10um~100um，电极之一为透亮的，这就构成了电致发光板。大量的发光粉晶体悬浮在绝缘介质中，小晶粒线度为几微米到几十微米，由于发光层中介质是绝缘的，防止了发光材料与电极干脆接触。当外加电压后，通过容性电流时，发觉晶粒内呈线状发光。这与光致发光、阴极射线发光时荧光粉晶体发光不同，线状发光在多数状况下呈现尾对尾的慧星形。线对的两头间的距离：多晶粉末为1um~10um，单晶可大于100um，甚至达到毫米量级，发光线直径＜0.1um，亮度可高达3×105cd/m2。发光线对的两部分在交变电场作用下交替发光，而场强总是从其头部指向尾部，发光线长度随电场在线方向的重量增加而变长，但线对的头之间距离保持不变。6.5其他显示技术

6.5.1投影显示投影显示分为CRT投影和LCD投影显示两种。前投式液晶显示系统：接受三基色投影方式，光源为金属卤素灯，来自光源的白光经两个二向色镜分别成红、绿、蓝三基色，形成3个TFTLCD。经液晶光阀调制后的三基色光再经过两个二向色镜并通过一个投影透镜投射到屏幕上，也可通过3个投影透镜分别投射到屏幕上合成彩色图像。每个基色的亮度取决于光源每种光谱的强度、二向色镜的色调分别特性和每个液晶光阀的调制度，运用适当的滤色片和调制度能得到正确的亮度比例。背投式液晶显示的基本原理同前投式液晶显示系统。通常认为液晶投影适用于前投式系统，在光线较暗的室内显示特殊大的影像，液晶前投式投射装置特殊紧凑，体积小，屏幕简洁安置（可挂在墙上），光源的寿命也较长。目前，接受强光光源（金属卤素灯）和高辨别率液晶光阀的液晶投影得到的图像质量，已可与直视式CRT显示相媲美。CRT背投式显示无须外光源，它在较亮的室内环境下也能产生特殊生动的影像，但由于受投影空间的限制，屏幕尺寸大通常在40~60英寸之间，最大可达70英寸左右。现在，CRT和LCD的前投和背投式显示四种方式中，CRT背投影电视和LCD前投影电视得到了较快的发展。6.5.2真空荧光显示真空荧光显示（VFD），也称低能电子发光显示，它利用了氧化锌（ZnO:Zn）等荧光粉在数十伏以下的低能电子轰击下的发光现象。VFD器件是一个典型的真空三极管结构，它由阴极、栅极、阳极组成。阴极放射的电子在栅极限制下加速飞向阳极，在阳极电压作用下，这些具有确定能量的电子轰击图形阳极上的荧光粉使其发光，如对阳极图形电极选址，就可显示不同数字与图形。阴极是一根或多根细钨丝的灯丝，上面涂覆一层碱金属钡、锶、钙的三元碳酸盐，在管子制造工艺中，玻壳排气封接前对灯丝通电加热，使阴极激活，这时三元碳酸盐分解，在灯丝上留下碱金属氧化物。这种直热式氧化物阴极是很好的电子放射源，工作温度约650℃。阴极的激活条件对VFD的特性有很大影响。位于阴极和阳极之间的栅极是用极薄的金属板蚀刻成的细密格子或龟纹形金属网，它对电子有较高的透过率，透过率的凹凸对VFD管子中的电流支配、亮度、显示质量等都有干脆的影响。阳极和荧光粉层做在玻璃底板上，将涂层材料借助厚膜印刷技术和烧结工艺反复进行，在玻璃底板上依次做好金属导线、绝缘层和阳极的图形。当图形较困难、连线密度高时，接受厚膜印刷工艺只能在玻璃底板上规定尺寸内做成多层结构，这会使成本增高，驱动不便，这时可接受厚膜、薄膜混合工艺，将阳极和引线做成铝薄膜，而用厚膜技术印制绝缘层。涂在阳极外的荧光粉接受低压电子荧光粉ZnO:Zn等，不同用途要求VFD的荧光粉发不同顔色的光，接受ZnO:Zn发绿色光。6.5.3电致变色显示电致变色：指电致着色和发光现象，从显示的角度看则是特地指施加电压后物质发生氧化还原反应使顔色发生可逆性的电致变色现象。电致变色有三种主要形式：（1）离子由电解液进入材料引起变色；（2）金属薄膜电沉积在视察电极上；（3）彩色不溶性有机物析出在视察电极上。电致变色的优点：显示显明、清晰，优于液晶显示板；视角大，无论从什么角度看都有较好的对比度；具有存储性能，如书写电压去掉且电路断开后，显示信号仍可保持几小时到几天，甚至一个月以上，存储功能不影响寿命；在存储状态下不消耗功率；工作电压低，仅为0.5V~20V，可与集成电路匹配；器件可做成固体化。电致变色显示的缺点：响应慢，响应速度（约500ms）接近秒的数量级；对频繁变更的显示，功耗大致是液晶功耗的数百倍；往复显示的寿命不高（只有106~107次）。很多液态或固态的有机物或无机物都有电致变色功能，其中三氧化钨WO3被探讨较多，因为在WO3中离子的迁移率高，电子注入会产生对可见光的猛烈吸取。6.5.4电泳显示电泳是指悬浮于液体中的电荷粒子在外电场作用下的定向移动并附着在电极上的现象。电泳显示的基本原理：在两块玻璃间夹一层厚约50um的胶质悬浮体，两块玻璃上都涂有透亮导电层，胶质悬浮体由悬浮液、可溶性着色染料、悬浮色素微粒及稳定剂或电荷限制剂组成。其中色素微粒由于吸附液体中杂质离子而带同号电荷。当加上外电场，微粒便移向一个电极，该电极就呈色素粒子顔色，一旦电场反向，微粒也反向移动，该电极又变成悬浮液的顔色。即悬浮液顔色相当于背景顔色，微粒顔色就是欲显示的字符顔色，两者之间应有较大反差。将透亮电极制成须要的电极形态时，就可以显示较困难的图形。电泳显示的主要优点有：在大视角和环境光强变更大时仍有较高的对比度；具有较高的响应速度，且显示电流低；有存储实力，撤出外电压后仍能使图像保持几个月以上；工作寿命长（104小时）或可开关108次以上；接受限制技术可实现矩阵选址，可与集成电路协作；价格低、工艺简洁。“反斗篷”让哈利波特无处隐身

哈利•波特当心！一组中国科学家开发出了一种能让你的隐形斗篷显形的方法。依据美国光学学会（OSA）的开放获得杂志《光学快报》（OpticsExpress）最新一期发表的一篇新论文，一件隐形斗篷下面的某些物质可能让隐形的物体重新可见。“隐藏是一个重要的问题，因为隐形可以有助于在敌对的环境下生存”，中国上海交通高校的HuanyangChen说。他和同事提出了一种理论的“反斗篷”，它可以部分抵消隐形斗篷的效应，这是隐形斗篷导致的另一个重要的问题。假如这听上去更像是电影魔术，那么这绝非偶然。从1933年的经典电影《隐身人》到最近分集上映的《哈利•波特》系列电影，能实现隐形的装置许久以来是电影幻想的素材。然而，近年来，科学家利用特殊类型的“超”材料证明白这些好莱坞幻想总有一天可能成真。这些材料能够有效地隐形是由于它们与光相互作用的方式。全部的材料都会用散射、反射和吸取等方式变更照射到它们的光线。例如，我们看到颜色是由于不同的材料和涂层和光的相互作用不同。转变介质斗篷是特殊的材料，它可以让光线弯