6.3等離子體顯示解析課件

1、1 等 離 子 體 顯 示 26.3 等離子體顯示 一、什么是等離子體? 被激發(fā)電離氣體，達(dá)到一定的電離度，氣體處于導(dǎo)電狀態(tài)，這種狀態(tài)的電離氣體表現(xiàn)出集體行為：電離氣體中每一帶電粒子的運(yùn)動(dòng)都會(huì)影響到其他周圍帶電粒子，同時(shí)也受到其他帶電粒子的約束。 由于電離氣體整體行為表現(xiàn)出電中性，也就是電離氣體內(nèi)正負(fù)電荷數(shù)相等，稱這種氣體狀態(tài)為等離子體態(tài)。由于它的獨(dú)特行為與固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)都截然不同，故稱之為物質(zhì)第四態(tài)。 3固體 冰液體 水氣體 水汽等離子體 電離氣體溫度00C1000C100000C4 等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)，即電離了的“氣體”，它呈現(xiàn)出高度激發(fā)的不穩(wěn)定態(tài)，其中包括離子(具有不同符號(hào)和電荷)

2、、電子、原子和分子。 人們對(duì)等離子體現(xiàn)象并不生疏。在自然界里，熾熱爍爍的火焰、光輝奪目的閃電、以及絢爛壯麗的極光等都是等離子體作用的結(jié)果。 對(duì)于整個(gè)宇宙來(lái)講，幾乎99.9以上的物質(zhì)都是以等離子體態(tài)存在的，如恒星和行星際空間等都是由等離子體組成的。 用人工方法，如核聚變、核裂變、輝光放電及各種放電都可產(chǎn)生等離子體。5 分子或原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由電子和原子核組成。 在通常情況下，即固、液、氣前三種物質(zhì)的形態(tài)，電子與核之間的關(guān)系比較固定，即電子以不同的能級(jí)存在于核場(chǎng)的周圍，其勢(shì)能或動(dòng)能不大。 等離子體是由離子、電子以及未電離的中性粒子的集合組成，整體呈中性的物質(zhì)狀態(tài)。 普通氣體溫度升高時(shí)，氣體粒子的

3、熱運(yùn)動(dòng)加劇，使粒子之間發(fā)生強(qiáng)烈碰撞，大量原子或分子中的電子被撞掉，當(dāng)溫度高達(dá)百萬(wàn)開(kāi)到1億開(kāi)，所有氣體原子全部電離。電離出的自由電子總的負(fù)電量與正離子總的正電量相等。這種高度電離的、宏觀上呈中性的氣體叫等離子體。6 等離子體和普通氣體性質(zhì)不同。 普通氣體由分子構(gòu)成，分子之間相互作用力是短程力，僅當(dāng)分子碰撞時(shí)，分子之間的相互作用力才有明顯效果，理論上用分子運(yùn)動(dòng)論描述。 在等離子體中，帶電粒子之間的庫(kù)侖力是長(zhǎng)程力，庫(kù)侖力的作用效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)帶電粒子可能發(fā)生的局部短程碰撞效果： 等離子體中的帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)，能引起正電荷或負(fù)電荷局部集中，產(chǎn)生電場(chǎng)；電荷定向運(yùn)動(dòng)引起電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)。電場(chǎng)和磁場(chǎng)要影響其他帶電粒

4、子的運(yùn)動(dòng)，并伴隨著極強(qiáng)的熱輻射和熱傳導(dǎo)；等離子體能被磁場(chǎng)約束作回旋運(yùn)動(dòng)等。等離子體的這些特性使它區(qū)別于普通氣體被稱為物質(zhì)的第四態(tài)。7 等離子體可分為兩種：高溫和低溫等離子體。 高溫等離子體只有在溫度足夠高時(shí)發(fā)生。太陽(yáng)和恒星不斷地發(fā)出這種等離子體。低溫等離子體是在常溫下發(fā)生的等離子體（雖然電子的溫度很高）。低溫等離子體物理與技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)由60年代初的空間等離子體研究向80年代和90年代以材料為導(dǎo)向研究領(lǐng)域的大轉(zhuǎn)變，高速發(fā)展的微電子科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源與材料科學(xué)等，為低溫等離子體科學(xué)發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在，低溫等離子體廣泛運(yùn)用于多種生產(chǎn)領(lǐng)域。例如：等離子電視，嬰兒尿布表面防水涂層，增加啤

5、酒瓶阻隔性。更重要的是在電腦芯片中的蝕刻運(yùn)用，讓網(wǎng)絡(luò)時(shí)代成為現(xiàn)實(shí)。8二、 等離子顯示的原理 等離子體顯示器(Plasma Display Panel)縮寫(xiě)為PDP。 等離子體顯示器的工作原理與一般日光燈原理相似： 在顯示平面上安裝數(shù)以十萬(wàn)計(jì)的等離子管作為發(fā)光體（象素）。每個(gè)發(fā)光管有兩個(gè)玻璃電極、內(nèi)部充滿氦、氖等惰性氣體，其中一個(gè)玻璃電極上涂有三原色熒光粉。 當(dāng)兩個(gè)電極間加上高電壓時(shí)，引發(fā)惰性氣體放電，產(chǎn)生等離子體。 等離子產(chǎn)生的紫外線激發(fā)涂有熒光粉的電極而發(fā)出不同分量的由三原色混合的可見(jiàn)光。 每個(gè)等離子體發(fā)光管就是我們所說(shuō)的等離子體顯示器的像素，我們看到的畫(huà)面就是由這些等離子體發(fā)光管形成的“光

6、點(diǎn)”匯集而成的。等離子體技術(shù)同其它顯示方式相比存在明顯的差別，在結(jié)構(gòu)和組成方面領(lǐng)先一步。9 由于PDP屏中發(fā)光的等離子管在平面中均勻分布，這樣顯示圖像的中心和邊緣完全一致，不會(huì)出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的純平面。由于其顯示過(guò)程中沒(méi)有電子束運(yùn)動(dòng)，不需借助電磁場(chǎng)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，因此外界的電磁場(chǎng)也不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生干擾，適于不同環(huán)境條件下使用。 PDP是在兩片玻璃板之間注入電壓，產(chǎn)生氣體及肉眼看不到的紫外線使熒光粉發(fā)光，利用這個(gè)原理呈現(xiàn)畫(huà)面。101、交流等離子體顯示板（ACPDP，1966，美國(guó)） 放電氣體與電極由透明介質(zhì)層相隔離，隔離層為串聯(lián)電容作限流之用，放電因受該電容的隔直通交作用，需用交變脈沖電壓驅(qū)

7、動(dòng)，為此無(wú)固定的陰極和陽(yáng)極之分，發(fā)光位于兩電極表面，且為交替呈脈沖式發(fā)光。ACPDP因其光電和環(huán)境性能優(yōu)異，是PDP技術(shù)的主流。 PDP的分類：11 2、直流等離子體顯示板 （DCPDP，1968，荷蘭 ）放電氣體與電極直接接觸，電極外部串聯(lián)電阻作限流之用，發(fā)光位于陰極表面，且為與電壓波形一致的連續(xù)發(fā)光。 自掃描等離子體顯示板（SSPDP）屬于DCPDP1970，美國(guó) 。123、蔭罩式等離子體顯示器（SMPDP）以金屬蔭罩代替?zhèn)鹘y(tǒng)的絕緣介質(zhì)障壁。具有制作工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)；放電電壓低，亮度高，響應(yīng)頻率快的優(yōu)點(diǎn)。13等離子體顯示具有以下一些特點(diǎn)： （1）等離子體顯示為自發(fā)光型顯示，有較

8、好的發(fā)光效率與亮度。 （2）適于大屏幕、高分辨率顯示。 （3）等離子體顯示單元具有很強(qiáng)的非線性。 （4）存儲(chǔ)特性。 （5）PDP結(jié)構(gòu)上可以采用不透明但電阻低的金屬電極。 （6）PDP有合適的阻抗特性。 （7）響應(yīng)快。PDP響應(yīng)時(shí)間為數(shù)毫秒，使顯示電視圖像時(shí)更新像素信號(hào)不成問(wèn)題。 （8）剛性結(jié)構(gòu)，耐振動(dòng)，機(jī)械強(qiáng)度高，壽命長(zhǎng)。14三、氣體放電基本知識(shí) 平板電極間充有：氖氣(Ne)或氖(Ne)+0.1%氬(Ar)混合氣體。 充氣二極管的伏安特性15 曲線AC段屬于非自持放電，在非自持放電時(shí)，參加導(dǎo)電的電子主要是由外界催離作用（如宇宙射線、放射線、光、熱作用）造成的，當(dāng)電壓增加，電流也隨之增加并趨于飽

9、和，C點(diǎn)之前稱為暗放電區(qū)，放電氣體不發(fā)光。 16 隨著電壓增加，到達(dá)C點(diǎn)后，放電變?yōu)樽猿址烹?，氣體被擊穿，電壓迅速下降，變成穩(wěn)定的自持放電（圖中EF段）。 EF段被稱為正常輝光放電區(qū)，放電在C點(diǎn)開(kāi)始發(fā)光，不穩(wěn)定的CD段是欠正常的輝光放電區(qū)，C點(diǎn)電壓Vf，稱為擊穿電壓或著火電壓、起輝電壓，EF段對(duì)應(yīng)的電壓VS稱為放電維持電壓。 17 陰極電流密度為常數(shù)是正常輝光放電的特點(diǎn)。 當(dāng)放電電流更大時(shí)進(jìn)入異常輝光放電FG段，這時(shí)放電單元阻抗變大。 當(dāng)電流進(jìn)一步增大，放電進(jìn)入弧光放電后，在H點(diǎn)曲線變得平坦，壓降小、電流大是弧光放電的特點(diǎn)。 實(shí)際的顯示器件必須應(yīng)用在正?；虍惓］x光放電區(qū)，這個(gè)區(qū)域放電穩(wěn)定、功耗

10、小。 18靜態(tài)的伏安特性分成三個(gè)狀態(tài)：熄火態(tài)、過(guò)渡態(tài)和著火態(tài)。 氖氣產(chǎn)生的可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍在400-700nm，其中峰值波長(zhǎng)為582 nm的光輻射占整個(gè)光強(qiáng)的35-40%，因此氖氣發(fā)橙紅色光。 19氣體放電機(jī)理 氣體放電是氣體中帶電粒子的不斷增殖過(guò)程：由外界催離作用或上一次放電殘存下來(lái)的原始電子從外電場(chǎng)得到能量并電離氣體粒子，新產(chǎn)生的電子又參加電離過(guò)程，使電子、離子不斷增加。初始自由電子對(duì)引起放電是不可少的，為了產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的放電，在實(shí)際器件中常采用附加的穩(wěn)定輔助放電源。20電極間兩個(gè)重要發(fā)光區(qū)負(fù)輝區(qū)：發(fā)光緊靠陰極，比正柱區(qū)強(qiáng)。正柱區(qū)：氣體放電光源常利用該區(qū)發(fā)光照明。 PDP放電單元特別之處在于

11、放電間隙小，因此，放電常常不能顯現(xiàn)正柱區(qū)而只利用了負(fù)輝區(qū)的發(fā)光。 維持放電的基本過(guò)程都在陰極位降區(qū)，電極間壓降幾乎都集中在這里，控制放電氣壓、電壓和間隙大小可決定是負(fù)輝區(qū)還是正柱區(qū)發(fā)光為主。 負(fù)輝區(qū)內(nèi)電場(chǎng)較弱，自由電子不具備足夠的能量使多數(shù)氣體原子電離，但能使經(jīng)過(guò)該區(qū)的多數(shù)氣體原子的能量從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，這些激發(fā)態(tài)壽命只有10-8s，當(dāng)原子恢復(fù)到基態(tài)時(shí)，這些能量的全部或部分便以光子形式釋放出來(lái)。21四、單色等離子體顯示 基本結(jié)構(gòu) Ne-Ar混合氣體在一定電壓下產(chǎn)生氣體放電， 發(fā)射出582nm橙色光。圖6-31 AC-PDP和DC-PDP結(jié)構(gòu)比較22DC-PDP由于無(wú)固有的存儲(chǔ)特性，全靠刷新方

12、式工作，因此亮度比較低，目前已不大流行。AC-PDP用電容限流，其電極通過(guò)介質(zhì)薄層以電容的形式耦合到氣隙上，因此只能工作在交流狀態(tài)，它沒(méi)有電極濺射的問(wèn)題，壽命很長(zhǎng)。它有固定的存儲(chǔ)特性，所以亮度可以做得很高，是目前等離子體顯示技術(shù)的主要發(fā)展方向。23圖6-32 單色AC-PDP的典型結(jié)構(gòu)在研磨過(guò)的兩塊平板玻璃上用光刻或真空鍍膜的方法制作電極，矩陣型的條形電極彼此正交，交點(diǎn)處構(gòu)成一個(gè)放電單元。電極材料采用金、銀、鉻合金或透明的氧化錫。AC-PDP的介質(zhì)層材料、厚度對(duì)顯示質(zhì)量和放電的穩(wěn)定性都有較大的影響。通常在電極表面沉積一層約10um-50um的介質(zhì)層。在介質(zhì)表面沉積一層MgO保護(hù)層。兩塊玻璃的間

13、隙約為80um-120um，經(jīng)密封、排氣、烘烤后沖入Ne-Ar混合氣。242. 工作原理 圖 6-33 AC-PDP的維持、書(shū)寫(xiě)和擦除脈沖工作方式25 （1）當(dāng)放電單元的電極加上比著火電壓Vf低的維持電壓VS時(shí)，單元中氣體不會(huì)著火。 如果在維持電壓間隙加上幅度高于Vf的書(shū)寫(xiě)電壓Vwr，單元將放電發(fā)光，放電形成的電子、離子在電場(chǎng)作用下分別向該瞬時(shí)加有正電壓和負(fù)電壓的電極移動(dòng)。 由于電極表面是介質(zhì)，電子、離子不能直接進(jìn)入電極而在介質(zhì)表面累積起來(lái)，形成壁電荷，在外電路中，壁電荷形成與外加電壓極性相反的壁電壓，這時(shí)，放電空腔上的電壓為外加電壓和壁電壓之和。26圖 6-33 AC-PDP的維持、書(shū)寫(xiě)和擦

14、除脈沖工作方式27 （2）放電空腔上的電壓將小于維持電壓，使放電空間電場(chǎng)減弱，致使放電單元在26us內(nèi)逐漸停止放電。因?yàn)榻橘|(zhì)電阻很高，壁電荷會(huì)不衰減地保持下來(lái)。 當(dāng)反向的下一個(gè)維持電壓脈沖到來(lái)時(shí)，上一次放電形成的壁電壓與此時(shí)的外加電壓同極性，疊加電壓峰值大于Vf，單元再次著火發(fā)光并在放電腔的兩壁形成與前半周期極性相反的壁電荷，并再次使放電熄滅直到下一個(gè)相反極性的 脈沖的到來(lái)。 因此，單元一旦由書(shū)寫(xiě)脈沖電壓引燃，只需要維持電壓脈沖就可維持脈沖放電，這個(gè)特性稱為AC-PDP單元的存儲(chǔ)特性。28圖 6-33 AC-PDP的維持、書(shū)寫(xiě)和擦除脈沖工作方式29 （3）要使已放電的單元熄滅，只要在下一個(gè)維持

15、電壓脈沖到來(lái)前給單元加一窄幅（脈寬約1us ）的放電脈沖，使單元產(chǎn)生一次微弱放電，將儲(chǔ)留的壁電荷中和，又不形成新的反向壁電荷，單元將中止放電發(fā)光。 （4）PDP單元雖是脈沖放電，但在一個(gè)周期內(nèi)它發(fā)光兩次，維持電壓脈沖寬度通常510us，幅度90100V，主要工作頻率范圍3050kHz，因此光脈沖重復(fù)頻率在數(shù)萬(wàn)次以上，人眼不會(huì)感到閃爍。以上工作方式為AC-PDP的存儲(chǔ)模式。303. AC-PDP的驅(qū)動(dòng) 由驅(qū)動(dòng)電路、顯示控制電路和電源組成。31x、y方向驅(qū)動(dòng)電路可采用專用集成塊，在控制電路的控制下產(chǎn)生PDP所需要的維持、書(shū)寫(xiě)和擦除脈沖，掃描部分工作在浮地上。顯示控制電路以單片微處理器為核心，在系統(tǒng)

16、軟件的協(xié)調(diào)下，提供驅(qū)動(dòng)控制電路所需要的各種信號(hào)。電源部分提供整個(gè)系統(tǒng)所需的多組電壓，并根據(jù)驅(qū)動(dòng)控制電路提供的信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)合適的復(fù)合波形作為顯示屏的浮地信號(hào)?！暗亍笔请娮蛹夹g(shù)中一個(gè)很重要的概念。 “地”的分類與作用有多種。 “接地”有設(shè)備內(nèi)部的信號(hào)接地和設(shè)備接大地，兩者概念不同，目的也不同?！暗亍钡慕?jīng)典定義是“作為電路或系統(tǒng)基準(zhǔn)的等電位點(diǎn)或平面”。 浮地，即該電路的地與大地?zé)o導(dǎo)體連接。（ 虛地:沒(méi)有接地，卻和地等電位的點(diǎn)。）其優(yōu)點(diǎn)是該電路不受大地電性能的影響。浮地可使功率地（強(qiáng)電地）和信號(hào)地（弱電地）之間的隔離電阻很大，所以能阻止共地阻抗電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。 其缺點(diǎn)是該電路易受寄生電容的影

17、響，而使該電路的地電位變動(dòng)和增加了對(duì)模擬電路的感應(yīng)干擾。 一個(gè)折衷方案是在浮地與公共地之間跨接一個(gè)阻值很大的泄放電阻，用以釋放所積累的電荷。注意控制釋放電阻的阻抗，太低的電阻會(huì)影響設(shè)備泄漏電流的合格性。33整個(gè)系統(tǒng)除掃描電路及掃描控制電路工作在浮地外，其余均工作在系統(tǒng)地上。驅(qū)動(dòng)電壓的幅度對(duì)顯示器亮度有影響，但曲線比較平緩且很快趨于飽合。驅(qū)動(dòng)電壓的頻率對(duì)亮度影響很大，在一定范圍內(nèi)跟亮度有線性關(guān)系，因?yàn)轭l率越高，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)光的次數(shù)增多。但頻率高時(shí)PDP功耗也增加，器件的溫升明顯，現(xiàn)在最高的維持頻率一般在60kHz。34單色PDP單元中，氖氣放電只能產(chǎn)生橙紅色單色光，不能產(chǎn)生多色或全色顯示的彩色光

18、。彩色PDP中，利用氣體放電產(chǎn)生的電子或紫外光激發(fā)低壓熒光粉或光致發(fā)光熒光粉發(fā)出彩色光，實(shí)現(xiàn)彩色圖像顯示。目前，彩色PDP主要采用紫外光激發(fā)發(fā)光的方式。五、彩色等離子體顯示 35對(duì)向放電式AC-PDP表面放電式AC-PDP兩種實(shí)現(xiàn)彩色顯示的交流PDP36對(duì)向放電式AC-PDP與單色結(jié)構(gòu)相同，兩個(gè)電極分別在相對(duì)放置的底板上，在MgO層上涂覆熒光粉，當(dāng)?shù)入x子體放電時(shí)，熒光粉受離子轟擊會(huì)使發(fā)光性能變差，因此難以實(shí)用化。表面放電式AC-PDP避免了上述缺點(diǎn)，顯示電極位于同一側(cè)的底板上，放電也在同側(cè)進(jìn)行?，F(xiàn)在上市的大多數(shù)商品都采用表面放電式結(jié)構(gòu)，是彩色PDP的主流技術(shù)。37等離子體顯示板可工作在刷新工作方式或存儲(chǔ)工作方式。刷新工作方式一行顯示單元被按順序點(diǎn)亮?xí)r，前面各行已不再發(fā)光，這樣，顯示板的平均亮度隨著顯示板行數(shù)增加而成比例地下降，因此，刷新方式只適于掃描行數(shù)少于100行的中小容量顯示板。存儲(chǔ)工作方式：當(dāng)一行顯示單元被書(shū)寫(xiě)時(shí)，其他行的顯示信號(hào)仍被保持，單元在一幀時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)光，顯示板的亮度比刷新方式高得多。38PDP一般采用時(shí)間調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)有灰度層次的圖像顯示。放電單元的時(shí)間調(diào)制技術(shù)通常采用 “子