1、1 等 離 子 體 顯 示 26.3 等離子體顯示 一、什么是等離子體? 被激發電離氣體，達到一定的電離度，氣體處于導電狀態，這種狀態的電離氣體表現出集體行為：電離氣體中每一帶電粒子的運動都會影響到其他周圍帶電粒子，同時也受到其他帶電粒子的約束。 由于電離氣體整體行為表現出電中性，也就是電離氣體內正負電荷數相等，稱這種氣體狀態為等離子體態。由于它的獨特行為與固態、液態、氣態都截然不同，故稱之為物質第四態。 3固體 冰液體 水氣體 水汽等離子體 電離氣體溫度00C1000C100000C4 等離子體是物質的第四態，即電離了的“氣體”，它呈現出高度激發的不穩定態，其中包括離子(具有不同符號和電荷)

2、、電子、原子和分子。 人們對等離子體現象并不生疏。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果。 對于整個宇宙來講，幾乎99.9以上的物質都是以等離子體態存在的，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生等離子體。5 分子或原子的內部結構主要由電子和原子核組成。 在通常情況下，即固、液、氣前三種物質的形態，電子與核之間的關系比較固定，即電子以不同的能級存在于核場的周圍，其勢能或動能不大。 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，整體呈中性的物質狀態。 普通氣體溫度升高時，氣體粒子的

3、熱運動加劇，使粒子之間發生強烈碰撞，大量原子或分子中的電子被撞掉，當溫度高達百萬開到1億開，所有氣體原子全部電離。電離出的自由電子總的負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不同。 普通氣體由分子構成，分子之間相互作用力是短程力，僅當分子碰撞時，分子之間的相互作用力才有明顯效果，理論上用分子運動論描述。 在等離子體中，帶電粒子之間的庫侖力是長程力，庫侖力的作用效果遠遠超過帶電粒子可能發生的局部短程碰撞效果： 等離子體中的帶電粒子運動時，能引起正電荷或負電荷局部集中，產生電場；電荷定向運動引起電流，產生磁場。電場和磁場要影響其他帶電粒

4、子的運動，并伴隨著極強的熱輻射和熱傳導；等離子體能被磁場約束作回旋運動等。等離子體的這些特性使它區別于普通氣體被稱為物質的第四態。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發生。太陽和恒星不斷地發出這種等離子體。低溫等離子體是在常溫下發生的等離子體（雖然電子的溫度很高）。低溫等離子體物理與技術經歷了一個由60年代初的空間等離子體研究向80年代和90年代以材料為導向研究領域的大轉變，高速發展的微電子科學、環境科學、能源與材料科學等，為低溫等離子體科學發展帶來了新的機遇和挑戰。現在，低溫等離子體廣泛運用于多種生產領域。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用，讓網絡時代成為現實。8二、 等離子顯示的原理 等離子體顯示器(Plasma Display Panel)縮寫為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以十萬計的等離子管作為發光體（象素）。每個發光管有兩個玻璃電極、內部充滿氦、氖等惰性氣體，其中一個玻璃電極上涂有三原色熒光粉。 當兩個電極間加上高電壓時，引發惰性氣體放電，產生等離子體。 等離子產生的紫外線激發涂有熒光粉的電極而發出不同分量的由三原色混合的可見光。 每個等離子體發光管就是我們所說的等離子體顯示器的像素，我們看到的畫面就是由這些等離子體發光管形成的“光

6、點”匯集而成的。等離子體技術同其它顯示方式相比存在明顯的差別，在結構和組成方面領先一步。9 由于PDP屏中發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，不會出現扭曲現象，實現了真正意義上的純平面。由于其顯示過程中沒有電子束運動，不需借助電磁場進行偏轉，因此外界的電磁場也不會對其產生干擾，適于不同環境條件下使用。 PDP是在兩片玻璃板之間注入電壓，產生氣體及肉眼看不到的紫外線使熒光粉發光，利用這個原理呈現畫面。101、交流等離子體顯示板（ACPDP，1966，美國） 放電氣體與電極由透明介質層相隔離，隔離層為串聯電容作限流之用，放電因受該電容的隔直通交作用，需用交變脈沖電壓驅

7、動，為此無固定的陰極和陽極之分，發光位于兩電極表面，且為交替呈脈沖式發光。ACPDP因其光電和環境性能優異，是PDP技術的主流。 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，電極外部串聯電阻作限流之用，發光位于陰極表面，且為與電壓波形一致的連續發光。 自掃描等離子體顯示板（SSPDP）屬于DCPDP1970，美國 。123、蔭罩式等離子體顯示器（SMPDP）以金屬蔭罩代替傳統的絕緣介質障壁。具有制作工藝簡單，易于實現大批量生產；放電電壓低，亮度高，響應頻率快的優點。13等離子體顯示具有以下一些特點： （1）等離子體顯示為自發光型顯示，有較

8、好的發光效率與亮度。 （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的非線性。 （4）存儲特性。 （5）PDP結構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）響應快。PDP響應時間為數毫秒，使顯示電視圖像時更新像素信號不成問題。 （8）剛性結構，耐振動，機械強度高，壽命長。14三、氣體放電基本知識 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，參加導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，當電壓增加，電流也隨之增加并趨于飽

9、和，C點之前稱為暗放電區，放電氣體不發光。 16 隨著電壓增加，到達C點后，放電變為自持放電，氣體被擊穿，電壓迅速下降，變成穩定的自持放電（圖中EF段）。 EF段被稱為正常輝光放電區，放電在C點開始發光，不穩定的CD段是欠正常的輝光放電區，C點電壓Vf，稱為擊穿電壓或著火電壓、起輝電壓，EF段對應的電壓VS稱為放電維持電壓。 17 陰極電流密度為常數是正常輝光放電的特點。 當放電電流更大時進入異常輝光放電FG段，這時放電單元阻抗變大。 當電流進一步增大，放電進入弧光放電后，在H點曲線變得平坦，壓降小、電流大是弧光放電的特點。 實際的顯示器件必須應用在正常或異常輝光放電區，這個區域放電穩定、功耗

10、小。 18靜態的伏安特性分成三個狀態：熄火態、過渡態和著火態。 氖氣產生的可見光波長范圍在400-700nm，其中峰值波長為582 nm的光輻射占整個光強的35-40%，因此氖氣發橙紅色光。 19氣體放電機理 氣體放電是氣體中帶電粒子的不斷增殖過程：由外界催離作用或上一次放電殘存下來的原始電子從外電場得到能量并電離氣體粒子，新產生的電子又參加電離過程，使電子、離子不斷增加。初始自由電子對引起放電是不可少的，為了產生穩定可靠的放電，在實際器件中常采用附加的穩定輔助放電源。20電極間兩個重要發光區負輝區：發光緊靠陰極，比正柱區強。正柱區：氣體放電光源常利用該區發光照明。 PDP放電單元特別之處在于

11、放電間隙小，因此，放電常常不能顯現正柱區而只利用了負輝區的發光。 維持放電的基本過程都在陰極位降區，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輝區還是正柱區發光為主。 負輝區內電場較弱，自由電子不具備足夠的能量使多數氣體原子電離，但能使經過該區的多數氣體原子的能量從基態躍遷到激發態，這些激發態壽命只有10-8s，當原子恢復到基態時，這些能量的全部或部分便以光子形式釋放出來。21四、單色等離子體顯示 基本結構 Ne-Ar混合氣體在一定電壓下產生氣體放電， 發射出582nm橙色光。圖6-31 AC-PDP和DC-PDP結構比較22DC-PDP由于無固有的存儲特性，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，其電極通過介質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，它沒有電極濺射的問題，壽命很長。它有固定的存儲特性，所以亮度可以做得很高，是目前等離子體顯示技術的主要發展方向。23圖6-32 單色AC-PDP的典型結構在研磨過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，交點處構成一個放電單元。電極材料采用金、銀、鉻合金或透明的氧化錫。AC-PDP的介質層材料、厚度對顯示質量和放電的穩定性都有較大的影響。通常在電極表面沉積一層約10um-50um的介質層。在介質表面沉積一層MgO保護層。兩塊玻璃的間

13、隙約為80um-120um，經密封、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、書寫和擦除脈沖工作方式25 （1）當放電單元的電極加上比著火電壓Vf低的維持電壓VS時，單元中氣體不會著火。 如果在維持電壓間隙加上幅度高于Vf的書寫電壓Vwr，單元將放電發光，放電形成的電子、離子在電場作用下分別向該瞬時加有正電壓和負電壓的電極移動。 由于電極表面是介質，電子、離子不能直接進入電極而在介質表面累積起來，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，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、書寫和擦

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，使放電空間電場減弱，致使放電單元在26us內逐漸停止放電。因為介質電阻很高，壁電荷會不衰減地保持下來。 當反向的下一個維持電壓脈沖到來時，上一次放電形成的壁電壓與此時的外加電壓同極性，疊加電壓峰值大于Vf，單元再次著火發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相反極性的 脈沖的到來。 因此，單元一旦由書寫脈沖電壓引燃，只需要維持電壓脈沖就可維持脈沖放電，這個特性稱為AC-PDP單元的存儲特性。28圖 6-33 AC-PDP的維持、書寫和擦除脈沖工作方式29 （3）要使已放電的單元熄滅，只要在下一個維持

15、電壓脈沖到來前給單元加一窄幅（脈寬約1us ）的放電脈沖，使單元產生一次微弱放電，將儲留的壁電荷中和，又不形成新的反向壁電荷，單元將中止放電發光。 （4）PDP單元雖是脈沖放電，但在一個周期內它發光兩次，維持電壓脈沖寬度通常510us，幅度90100V，主要工作頻率范圍3050kHz，因此光脈沖重復頻率在數萬次以上，人眼不會感到閃爍。以上工作方式為AC-PDP的存儲模式。303. AC-PDP的驅動 由驅動電路、顯示控制電路和電源組成。31x、y方向驅動電路可采用專用集成塊，在控制電路的控制下產生PDP所需要的維持、書寫和擦除脈沖，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

16、軟件的協調下，提供驅動控制電路所需要的各種信號。電源部分提供整個系統所需的多組電壓，并根據驅動控制電路提供的信號產生一個合適的復合波形作為顯示屏的浮地信號。“地”是電子技術中一個很重要的概念。 “地”的分類與作用有多種。 “接地”有設備內部的信號接地和設備接大地，兩者概念不同，目的也不同。“地”的經典定義是“作為電路或系統基準的等電位點或平面”。 浮地，即該電路的地與大地無導體連接。（ 虛地:沒有接地，卻和地等電位的點。）其優點是該電路不受大地電性能的影響。浮地可使功率地（強電地）和信號地（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生的電磁干擾。 其缺點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和增加了對模擬電路的感應干擾。 一個折衷方案是在浮地與公共地之間跨接一個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，太低的電阻會影響設備泄漏電流的合格性。33整個系統除掃描電路及掃描控制電路工作在浮地外，其余均工作在系統地上。驅動電壓的幅度對顯示器亮度有影響，但曲線比較平緩且很快趨于飽合。驅動電壓的頻率對亮度影響很大，在一定范圍內跟亮度有線性關系，因為頻率越高，單位時間內發光的次數增多。但頻率高時PDP功耗也增加，器件的溫升明顯，現在最高的維持頻率一般在60kHz。34單色PDP單元中，氖氣放電只能產生橙紅色單色光，不能產生多色或全色顯示的彩色光

18、。彩色PDP中，利用氣體放電產生的電子或紫外光激發低壓熒光粉或光致發光熒光粉發出彩色光，實現彩色圖像顯示。目前，彩色PDP主要采用紫外光激發發光的方式。五、彩色等離子體顯示 35對向放電式AC-PDP表面放電式AC-PDP兩種實現彩色顯示的交流PDP36對向放電式AC-PDP與單色結構相同，兩個電極分別在相對放置的底板上，在MgO層上涂覆熒光粉，當等離子體放電時，熒光粉受離子轟擊會使發光性能變差，因此難以實用化。表面放電式AC-PDP避免了上述缺點，顯示電極位于同一側的底板上，放電也在同側進行。現在上市的大多數商品都采用表面放電式結構，是彩色PDP的主流技術。37等離子體顯示板可工作在刷新工作方式或存儲工作方式。刷新工作方式一行顯示單元被按順序點亮時，前面各行已不再發光，這樣，顯示板的平均亮度隨著顯示板行數增加而成比例地下降，因此，刷新方式只適于掃描行數少于100行的中小容量顯示板。存儲工作方式：當一行顯示單元被書寫時，其他行的顯示信號仍被保持，單元在一幀時間內持續發光，顯示板的亮度比刷新方式高得多。38PDP一般采用時間調制技術實現有灰度層次的圖像顯示。放電單元的時間調制技術通常采用 “子