场发射显示屏_FED_的基本原理及结构设计.doc

场发射显示屏 ( F ED) 的基本原理 及结构设计 罗恩泽 徐力 刘卫东 刘云鹏 李存志 西安电子科技大学 文 摘 简要介绍 F ED 的基本原理 、结构设计 、存在的问题和发展前景 。 关键词 场发射 场发射阵列 当前 , 各种显示器件中 , 图象质量最优良的 , 包括彩色逼真度 , 对比度 、亮度 、灰度 、清晰 度 、响应时间 、视角等 ,仍推阴极射线荧光显象管( CR T) 。而在结构上能够作到轻薄化的 ,则 有液晶 (L CD ) 、等离子体 ( PD P) 和电致发光 ( EL D ) 等平板显示器件 。但后者的图象质量都 还远不能和 CR T 相比美 。因此 , 如何把 CR T 作成矩阵驱动的平板显示屏 , 使它既能保持 CR T 优良的象质 ,又具有超薄结构 ,就成为当前设计和研制新一代显示屏的重要方向 。 场发射显示屏正是在这一设计思想指导下研制出来的一种新型显示屏 。 1 基本原理 场发射阴极阵列 F EA , 或称 Sp i n dt 阴极 , 是场发射荧光平板显示屏( F ED ) 的核心部 件1 。它是利用光刻和镀膜工艺在硅片或玻璃板上作成的微尖电子枪阵列 ,其单枪结构及典 型尺寸如图 1 所示 。阴栅组件由生长在发射极的金属尖锥和门极(栅极) 小孔组成 ,门极与发 4 5 2 射极之间为 Si O2 绝缘层 。目前 ,集成密度可达 10 ～10 / m m 。每孔可发射 1～10μA 电流 ,发 射电流密度可达 10～100A / c m2 。脉冲发射电流密度可达 100～1000A / c m2 。 1 . 1 场发射效应 早在 1700 年 , 人们就发现了 “尖端放 电”现象 。后来人们了解到 ,导体尖端处的强 电场能够引起电子发射和气体离子发射 , 称 之为“场发射”。 “场发射”不需加热 , 只需加电场 。与 1883 年发现的热电子发射相比 , “场发射” 不但功耗低 , 无预热延迟 , 而且发射电流密 度也大好几个数量级 , 是一种很理想的电子 源 。但一百多年来 “, 热发射”一直受到人们 图 1 Sp i n dt 场发射阴极结构 3 国家科委 863 计划资助项目 ,电子科学研究院预研基金资助项目  罗恩泽等 :场发射显示屏( F ED ) 的基本原理及结构设计 ·5 · 1996 年第 4 期 的重视 , 而 “场发射”却长期遭到冷落 。这是因为场发射不稳定 , 难于控制 。场强太低 ( 107 V / c m ) 时 , 不产生发射 。 而场强加大 ( 108 V / c m ) 时 , 发射电流密度可陡增至 109 A / c m2 以上 ,致使导体表面熔化变形 ,以及受气体离子轰击 ,产生破坏性的电弧放电 。因 此 ,要利用场发射作电子源 ,必须解决场发射的稳定性问题 。这就需要低电压和高真空 。 1 . 2 隧道效应 导体内存在大量的自由电子 , 但它们被导体表面的势垒“禁锢”在导体之内 。当导体温 度升高时 ,少量电子可跃迁到较高的能级 ,越过势垒逸出导体 ,这就是“热发射”。 如果不给导体加热 , 而在导体表面加强电场 , 使其表面势垒降低并减薄 , 则导体内的电 子 , 即使在绝对零度 , 也可以借“隧道效应”穿过势垒 , 甚至越过势垒顶部 , 大量发射出来 , 这 就是“场发射”。(见图 2) 图 2 外加电场时金属表面的势能曲线 1 . 3 F - N 场发射公式 1928 年 , Fo wle r 和 No r d hei m 应用量子理论 ,推出了场发射电流密度的公式 ,一般称为 F - N 公式 ,可以简写为 j = a E2 e xp ( - b / E) ( 1) 式中 a = 1 . 42 ×10 - 6φ- 1 e xp ( 9 . 89φ- 1/ 2 ) , b = 6 . 53 ×107φ3/ 2 j 为在绝对零度的场发射电流密度 ,单位 A / c m2 , E 为场强 ( V / c m ) ,φ 为发射体表面的 功函数 (e V ) 。图 3 给出了场发射电流密度 j 随场强 E 和功函数 φ 的变化曲线 。 由图 3 可知 : j 是 E 和 φ 的敏感函数 ,场强 E 少许加大 ,或功函数 φ 少许降低 ,都将使 场发射提高几个数量级 。 1 . 4 尖端效应 为了获得稳定的场发射 ,必须尽量减小产生场发射的提拉电压 △V ,以使气体离子轰击 表面的能量降至最小 。已知场强 E 与提拉电压 △V 成正比 E =β△V ( 2) 式中比例系数β为发射表面的几何放大因子 。为了在 100V 以下获得 107 V / c m 的强场 , β 必须大于 105 c m