1、1 等 离 子 体 显 示 26.3 等离子体显示 一、什么是等离子体?被激发电离气体，达到一定的电离度，气体处于导电状态，这种状态的电离气体表现出集体行为：电离气体中每一带电粒子的运动都会影响到其他周围带电粒子，同时也受到其他带电粒子的约束。由于电离气体整体行为表现出电中性，也就是电离气体内正负电荷数相等，称这种气体状态为等离子体态。由于它的独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故称之为物质第四态。3固体 冰液体 水气体 水汽等离子体 电离气体温度00C1000C100000C4 等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子
2、、原子和分子。人们对等离子体现象并不生疏。在自然界里，炽热烁烁的火焰、光辉夺目的闪电、以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用的结果。对于整个宇宙来讲，几乎99.9以上的物质都是以等离子体态存在的，如恒星和行星际空间等都是由等离子体组成的。用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。5 分子或原子的内部结构主要由电子和原子核组成。在通常情况下，即固、液、气前三种物质的形态，电子与核之间的关系比较固定，即电子以不同的能级存在于核场的周围，其势能或动能不大。等离子体是由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态。普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子
3、之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开到1亿开，所有气体原子全部电离。电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等。这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体。6 等离子体和普通气体性质不同。普通气体由分子构成，分子之间相互作用力是短程力，仅当分子碰撞时，分子之间的相互作用力才有明显效果，理论上用分子运动论描述。在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果：等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场。电场和磁场要影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的
4、热辐射和热传导；等离子体能被磁场约束作回旋运动等。等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第四态。7 等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。高温等离子体只有在温度足够高时发生。太阳和恒星不断地发出这种等离子体。低温等离子体是在常温下发生的等离子体（虽然电子的温度很高）。低温等离子体物理与技术经历了一个由60年代初的空间等离子体研究向80年代和90年代以材料为导向研究领域的大转变，高速发展的微电子科学、环境科学、能源与材料科学等，为低温等离子体科学发展带来了新的机遇和挑战。现在，低温等离子体广泛运用于多种生产领域。例如：等离子电视，婴儿尿布表面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性。更重要的是在电
5、脑芯片中的蚀刻运用，让网络时代成为现实。8二、等离子显示的原理 等离子体显示器等离子体显示器(Plasma Display Panel)缩写为缩写为PDP。等离子体显示器的工作原理与一般日光灯原理相似：等离子体显示器的工作原理与一般日光灯原理相似：在显示平面上安装数以十万计的等离子管作为发光体（象在显示平面上安装数以十万计的等离子管作为发光体（象素）。每个发光管有两个玻璃电极、内部充满氦、氖等惰性气素）。每个发光管有两个玻璃电极、内部充满氦、氖等惰性气体，其中一个玻璃电极上涂有三原色荧光粉。体，其中一个玻璃电极上涂有三原色荧光粉。当两个电极间加上高电压时，引发惰性气体放电，产生等当两个电极间加
6、上高电压时，引发惰性气体放电，产生等离子体。离子体。等离子产生的紫外线激发涂有荧光粉的电极而发出不同分等离子产生的紫外线激发涂有荧光粉的电极而发出不同分量的由三原色混合的可见光。量的由三原色混合的可见光。每个等离子体发光管就是我们所说的等离子体显示器的像每个等离子体发光管就是我们所说的等离子体显示器的像素，我们看到的画面就是由这些等离子体发光管形成的素，我们看到的画面就是由这些等离子体发光管形成的“光点光点”汇集而成的。等离子体技术同其它显示方式相比存在明显的差汇集而成的。等离子体技术同其它显示方式相比存在明显的差别，在结构和组成方面领先一步。别，在结构和组成方面领先一步。9 由于PDP屏中发
7、光的等离子管在平面中均匀分布，这样显示图像的中心和边缘完全一致，不会出现扭曲现象，实现了真正意义上的纯平面。由于其显示过程中没有电子束运动，不需借助电磁场进行偏转，因此外界的电磁场也不会对其产生干扰，适于不同环境条件下使用。PDP是在两片玻璃板之间注入电压，产生气体及肉眼看不到的紫外线使荧光粉发光，利用这个原理呈现画面。101、交流等离子体显示板（ACPDP，1966，美国）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。ACPDP因其光电和环境性能优异，是P
8、DP技术的主流。PDP的分类：11 2、直流等离子体显示板（DCPDP，1968，荷兰）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。自扫描等离子体显示板（SSPDP）属于DCPDP1970，美国。123、荫罩式等离子体显示器（SMPDP）以金属荫罩代替传统的绝缘介质障壁。具有制作工艺简单，易于实现大批量生产；放电电压低，亮度高，响应频率快的优点。13等离子体显示具有以下一些特点：（1）等离子体显示为自发光型显示，有较好的发光效率与亮度。（2）适于大屏幕、高分辨率显示。（3）等离子体显示单元具有很强的非线性。（4）存储特性。（5）PDP结构
9、上可以采用不透明但电阻低的金属电极。（6）PDP有合适的阻抗特性。（7）响应快。PDP响应时间为数毫秒，使显示电视图像时更新像素信号不成问题。（8）刚性结构，耐振动，机械强度高，寿命长。14三三、气体放电基本知识、气体放电基本知识 平板电极间充有：平板电极间充有：氖气氖气(Ne)或氖或氖(Ne)+0.1%氩氩(Ar)混合混合气体。气体。充气二极管的伏安特性充气二极管的伏安特性100200300400 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 HGFEVfVs与初始引发有关着火电压VDCA15 曲线AC段属于非自持放电，在非自持放电时，参加
10、导电的电子主要是由外界催离作用（如宇宙射线、放射线、光、热作用）造成的，当电压增加，电流也随之增加并趋于饱和，C点之前称为暗放电区，放电气体不发光。100200300400 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 HGFEVfVs与初始引发有关着火电压VDCA16 随着电压增加，到达C点后，放电变为自持放电，气体被击穿，电压迅速下降，变成稳定的自持放电（图中EF段）。EF段被称为正常辉光放电区，放电在C点开始发光，不稳定的CD段是欠正常的辉光放电区，C点电压Vf，称为击穿电压或着火电压、起辉电压，EF段对应的电压VS称为放电维持电压。1
11、00200300400 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 HGFEVfVs与初始引发有关着火电压VDCA17 阴极电流密度为常数是正常辉光放电的特点。当放电电流更大时进入异常辉光放电FG段，这时放电单元阻抗变大。当电流进一步增大，放电进入弧光放电后，在H点曲线变得平坦，压降小、电流大是弧光放电的特点。实际的显示器件必须应用在正常或异常辉光放电区，这个区域放电稳定、功耗小。100200300400 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 HGFEVfVs与初始引发有关着火电压
12、VDCA18静态的伏安特性分成三个状态：熄火态、过渡态和着火态。氖气产生的可见光波长范围在400-700nm，其中峰值波长为582 nm的光辐射占整个光强的35-40%，因此氖气发橙红色光。19 气体放电机理 气体放电是气体中带电粒子的不断增殖过程：由外界催离作用或上一次放电残存下来的原始电子从外电场得到能量并电离气体粒子，新产生的电子又参加电离过程，使电子、离子不断增加。初始自由电子对引起放电是不可少的，为了产生稳定可靠的放电，在实际器件中常采用附加的稳定辅助放电源。20电极间两个重要发光区 负辉区：发光紧靠阴极，比正柱区强。正柱区：气体放电光源常利用该区发光照明。PDP放电单元特别之处在于
13、放电间隙小，因此，放电常常不能显现正柱区而只利用了负辉区的发光。维持放电的基本过程都在阴极位降区，电极间压降几乎都集中在这里，控制放电气压、电压和间隙大小可决定是负辉区还是正柱区发光为主。负辉区内电场较弱，自由电子不具备足够的能量使多数气体原子电离，但能使经过该区的多数气体原子的能量从基态跃迁到激发态，这些激发态寿命只有10-8s，当原子恢复到基态时，这些能量的全部或部分便以光子形式释放出来。21四、单色等离子体显示四、单色等离子体显示 1.基本结构基本结构 Ne-Ar混合气体在一定电压下产生气混合气体在一定电压下产生气体放电，体放电，发射出发射出582nm橙色光。橙色光。图6-31 AC-P
14、DP和DC-PDP结构比较22 DC-PDP由于无固有的存储特性，全靠刷新方式工作，因此亮度比较低，目前已不大流行。AC-PDP用电容限流，其电极通过介质薄层以电容的形式耦合到气隙上，因此只能工作在交流状态，它没有电极溅射的问题，寿命很长。它有固定的存储特性，所以亮度可以做得很高，是目前等离子体显示技术的主要发展方向。23图6-32 单色AC-PDP的典型结构在研磨过的两块平板玻璃上用光刻或真空镀膜的方法制作电极，矩阵型的条形电极彼此正交，交点处构成一个放电单元。电极材料采用金、银、铬合金或透明的氧化锡。AC-PDP的介质层材料、厚度对显示质量和放电的稳定性都有较大的影响。通常在电极表面沉积一
15、层约10um-50um的介质层。在介质表面沉积一层MgO保护层。两块玻璃的间隙约为80um-120um，经密封、排气、烘烤后冲入Ne-Ar混合气。242.工作原理工作原理 图 6-33 AC-PDP的维持、书写和擦除脉冲工作方式25 （1）当放电单元的电极加上比着火电压Vf低的维持电压VS时，单元中气体不会着火。如果在维持电压间隙加上幅度高于Vf的书写电压Vwr，单元将放电发光，放电形成的电子、离子在电场作用下分别向该瞬时加有正电压和负电压的电极移动。由于电极表面是介质，电子、离子不能直接进入电极而在介质表面累积起来，形成壁电荷，在外电路中，壁电荷形成与外加电压极性相反的壁电压，这时，放电空腔
16、上的电压为外加电压和壁电压之和。26图 6-33 AC-PDP的维持、书写和擦除脉冲工作方式27 （2）放电空腔上的电压将小于维持电压，使放电空间电场减弱，致使放电单元在26us内逐渐停止放电。因为介质电阻很高，壁电荷会不衰减地保持下来。当反向的下一个维持电压脉冲到来时，上一次放电形成的壁电压与此时的外加电压同极性，叠加电压峰值大于Vf，单元再次着火发光并在放电腔的两壁形成与前半周期极性相反的壁电荷，并再次使放电熄灭直到下一个相反极性的 脉冲的到来。因此，单元一旦由书写脉冲电压引燃，只需要维持电压脉冲就可维持脉冲放电，这个特性称为AC-PDP单元的存储特性。28图 6-33 AC-PDP的维持
17、、书写和擦除脉冲工作方式29 （3）要使已放电的单元熄灭，只要在下一个维持电压脉冲到来前给单元加一窄幅（脉宽约1us）的放电脉冲，使单元产生一次微弱放电，将储留的壁电荷中和，又不形成新的反向壁电荷，单元将中止放电发光。（4）PDP单元虽是脉冲放电，但在一个周期内它发光两次，维持电压脉冲宽度通常510us，幅度90100V，主要工作频率范围3050kHz，因此光脉冲重复频率在数万次以上，人眼不会感到闪烁。以上工作方式为AC-PDP的存储模式。303.AC-PDP的驱动的驱动 由驱动电路、显示控制电路和电源组成。由驱动电路、显示控制电路和电源组成。31 x、y方向驱动电路可采用专用集成块，在控制电
18、路的控制下产生PDP所需要的维持、书写和擦除脉冲，扫描部分工作在浮地上。显示控制电路以单片微处理器为核心，在系统软件的协调下，提供驱动控制电路所需要的各种信号。电源部分提供整个系统所需的多组电压，并根据驱动控制电路提供的信号产生一个合适的复合波形作为显示屏的浮地信号。“地”是电子技术中一个很重要的概念。“地”的分类与作用有多种。“接地”有设备内部的信号接地和设备接大地，两者概念不同，目的也不同。“地”的经典定义是“作为电路或系统基准的等电位点或平面”。浮地，即该电路的地与大地无导体连接。（虚地:没有接地，却和地等电位的点。）其优点是该电路不受大地电性能的影响。浮地可使功率地（强电地）和信号地（
19、弱电地）之间的隔离电阻很大，所以能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰。其缺点是该电路易受寄生电容的影响，而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰。一个折衷方案是在浮地与公共地之间跨接一个阻值很大的泄放电阻，用以释放所积累的电荷。注意控制释放电阻的阻抗，太低的电阻会影响设备泄漏电流的合格性。33 整个系统除扫描电路及扫描控制电路工作在浮地外，其余均工作在系统地上。驱动电压的幅度对显示器亮度有影响，但曲线比较平缓且很快趋于饱合。驱动电压的频率对亮度影响很大，在一定范围内跟亮度有线性关系，因为频率越高，单位时间内发光的次数增多。但频率高时PDP功耗也增加，器件的温升明显，现在最高的维持频
20、率一般在60kHz。34 单色PDP单元中，氖气放电只能产生橙红色单色光，不能产生多色或全色显示的彩色光。彩色PDP中，利用气体放电产生的电子或紫外光激发低压荧光粉或光致发光荧光粉发出彩色光，实现彩色图像显示。目前，彩色PDP主要采用紫外光激发发光的方式。五、彩色等离子体显示 35对向放电式AC-PDP表面放电式AC-PDP两种实现彩色显示的交流PDP36 对向放电式AC-PDP与单色结构相同，两个电极分别在相对放置的底板上，在MgO层上涂覆荧光粉，当等离子体放电时，荧光粉受离子轰击会使发光性能变差，因此难以实用化。表面放电式AC-PDP避免了上述缺点，显示电极位于同一侧的底板上，放电也在同侧
21、进行。现在上市的大多数商品都采用表面放电式结构，是彩色PDP的主流技术。37 等离子体显示板可工作在刷新工作方式或存储工作方式。刷新工作方式一行显示单元被按顺序点亮时，前面各行已不再发光，这样，显示板的平均亮度随着显示板行数增加而成比例地下降，因此，刷新方式只适于扫描行数少于100行的中小容量显示板。存储工作方式：当一行显示单元被书写时，其他行的显示信号仍被保持，单元在一帧时间内持续发光，显示板的亮度比刷新方式高得多。38PDP一般采用时间调制技术实现有灰度层次的图像一般采用时间调制技术实现有灰度层次的图像显示。显示。放电单元的时间调制技术通常采用“子场扫描法”。39 16级灰度的显示：将一帧时间分成4个子场，每个子场都由写入脉冲、维持脉冲和熄火脉冲组成，写入脉冲使放电单元发光，而4个子场的维持脉冲数各不相同，脉冲数与1，2，4，8之比成比例，即K子场的发光时间是K+1子场发光时间的一半，单元相应的平均亮度也减半。当在帧周期内选用不同子场波形驱动时，单元发光时间长短有别，一帧时间内被寻址4次，由4个子场组合可得24即16种不同的发光时间，对应单元有16种不同的平均亮度。40 如一帧周期内包含8个子场，它们具有的维持脉冲数与1，2，4，8，16，32，64，128之比成比例，用这种波形扫描显示单元，可得到256级灰度的图像显示。
