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光电子技术学课件之十八： —— 等离子体显示

制作者： 赣南师范学院物理与电子信息学院： 王形华

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§6.3 等离子体显示 一、什么是等离子体 ?

所谓等离子体就是被激发电离气体，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就表现出集体行为，即电离气体中每一带电粒子的运动都会影响到其周围带电粒子，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。

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固体

冰

液体

水

气体 水汽

等离子体

电离气体

温度00C 1000C 100000C

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看似“神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的 99 ％。

等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。 等离子体是一种很好的导电体，可以利用电场和磁场产生来控制等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间科学的进一步发展提新的技术和工艺。

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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。更重要的是在电脑芯片中的蚀刻运用，让网络时代成为现实。

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二、 等离子显示的原理

等离子体显示器 (Plasma Display Panel) 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，它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”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。

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在技术性能上，由于 PDP屏中发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。

简单地说， 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。因其可以挂在墙上，故又称壁挂式电视。

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1 、交流等离子显示板（ 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 PDP 技术的主流。

PDP 的分类：

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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DCPDP——1970 ，美国 。

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3 、 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。

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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结构上可以采用不透明但电阻低的金属电极。

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（ 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。

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三、气体放电基本知识

平板电极间充有：

氖气 (Ne)或氖 (Ne)

+0.1%氩 (Ar)混合气体。

充电二极管的伏安特性

100 200 300 400

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

H

G

F

E

VfVs

与初始引发有关

着火电压

VD

C

A

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曲线 AC段属于非自持放电，在非自持放电时，参加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。

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。

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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。

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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。

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四、单色等离子体显示 1.基本结构

Ne-Ar混合气体在一定电压下产生气体放电，

发射出 582nm橙色光。

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2. 工作原理

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（ 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，放电空腔上的电压为外加电压和壁电压之和。

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（ 2 ）、此将小于维持电压，使放电空间电场减弱，致使放电单元在 2—6 微秒内逐渐停止放电，因介质电阻很高，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。

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（ 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 1 微妙 ）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 5—10 微妙，幅度90—100V ，主要工作频率范围 30—50kHz ，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。

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3. AC-PDP 的驱动

由驱动电路、显示控制电路和电源组成。

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五、彩色等离子体显示

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PDP 一般采用时间调制技术实现有灰度层次的图像显示。

“ 子场扫描法”

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§6.4 电致发光显示

电致发光（ Electro luminescence, EL ）是将电能直接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 。

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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明电极板之间，外施电压，由电场直接激励电子与空穴复合而发光，高场电致发光又分交流和直流两种，如粉末型交流电致发光与粉末型直流电致发光。

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一、注入电致发光显示

发光二极管（ Light Emitting Diode,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结直接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 0.3×0.3×0.2 mm3 ，晶片外用透明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，发出不通的色光，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。

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二、高场电致发光显示

1. 交流薄膜电致发光显示（ ACTFEL ）

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2. 交流粉末电致发光显示

交流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 ）与树脂等透明有机介质混合后，涂布在两个电极中间，厚度为 10 － 100 ，电极之一为透明的，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直接接触，当外加电压后，通过容性电流时，发现晶粒内呈线状发光，这与光致发光与阴极射线发光时荧光粉晶体发光不同，线状发光在多数情况下呈现尾对尾的慧星形。线对的两头间的距离对多晶粉末为 1 － 10 ，对单晶可大于 100 ，甚至达到毫米量级，发光线直径＜ 0.1 ，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分量增强而变长，但线对的头之间距离保持不变。

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