Màn hình FED

Màn hình FED

MỤC LỤC

I Giới thiệu 2

II Hiện tượng vật lý của phát xạ trường (Physics of field emission) 2

Công thoát và ảnh hường của điện trường 3

Cơ chế chân không 8

III Cấu trúc FED và cơ chế hiển thị 9

IV Nguồn phát xạ 11

V Công nghệ chế tạo 18

VI ỨNG DỤNG 19

Công nghệ hiển thị phát xạ trường

I Giới thiệu

Field emission display (FED) là một cấu trúc đơn giản cho hiệu

suất độ chói cao Đây là dạng hiển thị không cần ánh sáng bối cảnh, bộ lọc mầu, kính phân cực hay một màng quang như trong màn hinh LCD Nghĩa là cấu màn hình FED là đơn giản hơn màn hình LCD Thêm nữa là màn hình FED có thời gian đáp ứng hình ảnh nhanh hơn Độ mở rộng góc nhìn và nhiệt

độ là lớn hơn LCD Chúng có thể hiển thị hìnha ảnh tĩnh và động, trong môi

trường xung quanh là nóng hay lạnh, cho cá nhân hay tập thể sử dụng Field emission display (FED) có cấu trúc tương đương như cathode ray tube (CRT) Both FEDs and CRTs đều sử dụng huỳnh quang để tạo ra độ chói và

phụ thuộc vào áp suất thấp (chân không) để duy tri sự phát xạ của electron.Cơ chế hoạt động của FED bao gồm trường kích thích phát xạ electron vào huỳnh quang và phát sinh độ chói Trường phát xạ dùng điện trường cao tốt hơn là nhiệt điện tử để tách electron trong chân không

II Hiện tượng vật lý của phát xạ trường (Physics of field emission)

Electron có thể phát xạ từ bề mặt chất rắn vàochân không bằng nhiều

cơ chế khác nhau như phát xạ nhiệt, quang hay trường Electron phát xạ do

nhiệt là nhiệt phát xạ dựa do có một rào thế năng, trong khi đó phát xạ quang

là dựa trên rào thế năng quang gây ra bởi photo tới bắn phá Trong trường phát

xạ, electron xuyên ngầm ở bề mặt rào thế năng chắn, nó mỏng và có định dạng bởi trường điện từ bền Cấu trúc phát bức xạ đột ngột thường đưa ra trong trong trường mạnh với điện áp thấp Khi sinh ra ion bởi khí dư thừa có thể gây ảnh hưởng tới quá trình phát xạ, để giảm thiểu khí dư thừa nên chúng ta cần điện áp thấp Để có hệ điện áp thấp Vật liệu phát xạ phải có công thoát nhỏ và sharp structure là đòi hòi cần thiết Môi trường chân không cũng là đòi hỏi để loại trừ đi khi dư và cái mà đã gây ra giảm thiểu bức xạ, và như vậy sẽ làm tăng thời gian sống của phát xạ

Công thoát và ảnh hường của điện trường.

Với một bề mặt kim loại không có điện trường, bề mặt thế năng E là mức Fermi Ef và công thoát Ψ như trên hình 8.1 ở đấy Z là khoảng cách từ bề mặt kim loại tới bề mặt chắn là tổng cả mức Fermi Ef và công thoát Ψ

Đây là biểu đồ miêu tả electron ở bề mặt kim loại khi không có điện trường

Ở đây

đường

mặt

tải

điện Nhưng năng lượng vùng chắn có đỉnh năng lượng cao nhất sẽ bằng tổng

của cả Ef và Ψ Nhưng khi có điện trường thì sẽ có đường uốn của bề mặt vùng chắn như hình 8.2 và ở đây Em là năng lượng cực đại của bề mặt chắn,

Zm là khoảng cách từ bề mặt kim kim loại tới vị trí của của Em Đây là khía cạnh của thế năng là kết quả của năng lượng thế ảnh điện(the image potential energy) và trường điện từ mạnh

Khi ta tăng điện trường lên thì bề mặt vùng chắn sẽ mỏng đi Khi điện trường vào cỡ 107V/cm thì bề mặt chắn sẽ đủ mỏng để electron có thể xuyên qua đường hầm vùng chắn

Khi đó thế điện ảnh Ei khi đó =-e2/4πε4Z, ở đây ε là hằng số điện môi trong chân không, thế năng bề mặt E(z) của electron ở biên vùng kim loai

- chân không là được tính toán gần đúng bởi:

(8.1)

ở đây E(z),Ef và � được tính theo eV Khi có lực điện trường đặt trên bề mặt, thì bề mặt thế năng được xác định theo công thức:

(8.2)

Và năng lượng lớn nhất của bề mặt vùng chắn được xác định

(8.3)

Hay Em = Ef +Ψ- 3.79x10-5√F eV (8.4)

F có đơn vị là Vm-1 Bề mặt vùng cấm đạt giá trị lớn nhất ở:

(8.5)

Một vài phương trình đã được sử dụng để miêu tả trường phát xạ Một phương trình là được xây dựng bởi Flowler và Nordheim năm 1928, họ coi năng lượng vùng chắn là nhỏ, có thể bỏ qua bởi hiệu ứng ảnh thế Phương trình này có dạng:

(8.7)

Ở đây J có đơn vị là Acm-2 , lực điện trường Vcm-1 và mức năng lượng Fecmi

EF cùng hàm công có đơn vị eV Trái lại khi cân nhắc tới hiệu ứng ảnh thế thì phương trình Flowler-Nordeim có dạng:

(8.8)

ở đây mức Schottky làm yếu của hàm công vùng chắn được xác định bởi:

(8.9)

Hàm v(y) và t(y) ở đây đã được xây dựng và mang lại trong hình (8.3) Giá trị xấp xỉ của t2(y)=1.1 và v(y)=0.95-y2 và có thế áp dụng cho phương trinh (8.8) Phương trình (8.7) và (8.8) đã thể hiện rõ ràng sự ảnh hường của điện trường tới mật độ dòng điện Như vậy có thể kết luận rằng điện trường mạnh có quyết định tạo ra mật độ dòng lớn

Thêm một điều trong điện trường đó là phát xạ nhiệt có thể trở nên rất quan trọng như việc gia tăng nhiệt điện trở Về vấn đề nhiệt phát xạ xảy ra như sau: Kim loại sau khi nóng lên sẽ phát xạ electron và chúng dịch chuyển qua thế năng lượng vùng cấm Phương trình phát xạ nhiệt được xác định bởi công thức:

(8.10) Với k là hằng số botlzman =8.625.10-5 eVK-1

Trong bức xạ nhiệt thì nhiệt ảnh hường tới mật độ dòng, còn khi tròn điện trường thì điện trường ảnh hưởng tới mật độ dòng Trong hình 8.4 thể hiện vùng ảnh hưởng của bức xạ nhiệt và điện trường tới một nguồn phát xạ có công thoát =4.5eV Ta nhận thấy phần lớn dòng ảnh hưởng bởi điện trường khi chúng đủ lớn, và khi lớn nhất thì dòng thuần là trường phát xạ Tuy nhiên

trong điều kiện khi nhiệt đô cao và điện trường yếu thì phát xạ chủ yếu là phát

xạ nhiệt

Cơ chế chân không

Chân không nghĩa là đòi hỏi chúng ta cần giảm số lượng phần tử khí dư Như vậy xác suất ion hóa được giảm đi đồng nghĩa với khoảng cách từ catot tới anot được giảm đi nhỏ hơn bước sóng của electron (λc)

(8.11)

Ở đây Pc(v) là số electron trung bình va chạm trong quãng đường dịch chuyển 1cm trong khí với áp suất 1torr ở 0oC, v là điện thế đưa vào để tăng tốc electron, T là nhiệt độ tuyệt đối kevil và p và áp suất tinh đơn vị torr

Pc(v) có giá trị khoảng 70,khi p>3.14torr, T=300oK và d=50μm.Tuy nhiên thời gian sống của thiết bị được gia tăng với chân không cao khi ion bắn phá giảm đi.Giá trị chân không trong thiết bị phát xạ trường vào khoảng

10-7 torr

III Cấu trúc FED và cơ chế hiển thị

FED là một bảng bao gồm mảng trường phát xạ (FEA) và màn hình

huỳnh quang FEA có cấu trúc cơ bản là trường phát xạ, ngoài ra thì cổng ra của trường phát xạ đòi hỏi sự điều chế trường phát xạ của electron Thêm bản điện cực thứ 3 nằm giữa catot và anot, nó chính là cổng ra của trường phát xạ Nguồn phát xạ là nằm trên đỉnh của catot Gate là bao gồm nhiều bộ đóng để tác động lên anot rồi điểu khiển electron phát xạ Dòng phát xạ được giải phóng từ nguồn phát xạ và là hàm của điện thế giữa gate và catot Hiệu điện thế này có quyết định quan trọng tới cường độ bức xạ Cấu trúc khi tấm chắn gate đặt ở trên đầu catot gọi là cấu trúc thẳng Trên hình 8.5 thể hiện cấu trúc dọc của gate hình nón trong FED

Trong hình thì r là bán kính phát xạ, nó có thể đạt được giá trị cỡ 100A0 , d là khoảng cách của lỗ Gate, giá trị của nó thì khoàng từ vài đến vài trục micromer; h là chiều cao phát xạ, giá trị của nó từ 1 vài tới vài chục micromet;x là khoảng cách từ đỉnh phát xạ tới bề mặt lưới Gate (cửa van, điều khiển cổng ra)

nó nhỏ hơn 1μm;Sag là khoảng cách từ anot tới gate giá trị của nó từ vài chục

μm tới vài mm; Vge là điện thế giữa gate và nguồn phát và Vag là điện thế giữa anot và gate Và nhất là điện trường F=f(r,d,h,s, Vge) và mật độ dòng phát xạ J=f(F)

Trong hình 8.5 thì electron được phát xạ và kích thích thẳng lên màn hình

huỳnh quang RGB.Tuy nhiên gate và catot cũng có thể mở rộng theo chiều ngang như trên hình8.6 trong trường hợp này thì gate đưa ngang bằng với cattot Vì vậy electron phát xạ phải bay qua gate trước khi tới anot, nghĩa là gate nhận dòng lớn hơn anot Thực nghiệm cho thấy rằng với cấu trúc thẳng đứng thì anot thu được dòng phát xạ lớn hơn so với trường hợp cấu trúc ngang Đây chính là khuyết điểm của cấu trúc ngang mặc dù vậy thì cấu trúc này vẫn được sử dụng vì nó là cấu trúc đơn giản

IV Nguồn phát xạ

Nguồn phát xạ có vai trò rất quan trọng trong FEDs, cấu trúc trường phát xạ có thể là dạng hình nón, dạng nêm hay hình ống Miền phát xạ của dạng hình nón là vùng đỉnh còn các dạng khác thì là vùng biên Có nhiều loại nguồn phát xạ như là Spindt emitter, carbon nanotube (CNT) emitter và surface conduction emitter (SCE) The Spindt emitter là dạng nón còn CNT dạng ống nano The SCE sử dụng vật liệu PdO cấu trúc khe năng lượng cỡ nanomét phát sinh electrons bề mặt Table 8.1 so sánh giữa các loại nguồn phát xạ Trường phát xạ cần áp suất cỡ 10−7 torr

Điện áp đặt vào cỡ vài chục tới vài trăm vôn Nếu sử dụng điện áp cao hơn với thiết bị tích phân dòng điện (ICs) thì sẽ đắt hơn Bởi vậy, giá thành của phát

xạ Spindt và SCEs là được giảm đi trong hệ điện áp thấp Quá trình chính tạo thành nguồn Spindt, CNT và SCE là cơ cấu nón, CNT tạo thành theo ống nano

và mỗi ống là riêng biệt Điểm khó khăn trong sự tạo thành của nguồn phát Spindt , CNT và SCE là diện tích lớn để bay hơi, và đặc biệt yêu cầu để CNT hoạt động và kéo dòng điện cổng cao và riêng phân cho từng ống Dòng kéo cổng cao ở SCE là được giảm trong cấu trúc ngang Ở cấu trúc ngang là có ích rất nhiều trong việc chế tạo các lỗ hổng nano giữa catot và gate(cổng điều khiển lối ra) Không giống như sự tiên lợi khi chế tạo các khe lổ hổng nano

trong cấu trúc ngang, phát xạ electron của SCE là cấu trúc phải bay xuyên qua gate và kết quả là dòng kéo gate cao Hiệu ứng là dòng áp dụng tới anot vì vậy

mà được giảm và kết quả dòng hiệu suất là giảm trên SCE So sánh với SCE, Spindt và CNT được sử dụng trong cấu trúc thẳng có dòng kéo gate thấp hơn

và dòng anot cao hơn Với cách nói khác, Spindt và CNT tiêu thụ ít năng lượng hơn trong hệ thống điện áp thấp Hơn nữa hiệu ứng kéo dòng gate cũng được tốt hơn trong cấu trúc ngang Trong khi nguồn phát xạ được cải thiện ít, dòng kéo gate được nâng cao Đối với phát xạ Spindt, 1 điều là có thể điều khiển tăng khả năng của nguồn phát xạ và hiệu suất dòng kéo gate.Tuy nhiên, nguồn phát xạ Spindt chịu sự đồng dạng giống nhau của các vùng diện tích lớn bốc bay Cùng như vậy khi xem xét nguồn phát xạ CNT, có thể điều khiển nâng cao phát xạ tăng lên và sự nâng cao phát xạ nguồn cũng chỉ rất bé.Tuy nhiên CNT thường sử dụng dòng kéo gate cao hơn Spindt

Cấu trúc nguồn phát xạ Spindt

Cấu trúc nguồn phát xạ CNT và quá trinh CVD tạo nguồn phát xạ CNT

Cấu trúc nguồn phát xạ SCE

phần chính để tạo ra độ chói sáng.Chất nền sử dụng trong tấm phosphor giống như chất nền cho mảng trường phát xạ (FEA là bao gồm nhiều các tế bào phát

xạ trường) Anot trong tấm phosphor là vật dẫn điện cơ bản cho phosphor Điện thế của anot có thể lên tới trăm hay hàng chục nghìn volts Phosphor sử dụng trong màn hình phát xạ trường là electrong kích thích Cơ chế phát quang là phát quang ở âm cực.Khoảng cách giữa Gate và Anot là rất ngắn giữ cho electron phát xạ giống như điều tiêu vùng lân cận và không trải rộng ra Điện thế áp lên phải nhỏ với khoảng cách ngắn.Bàng 8.3 là thống kê tương ứng với trường hợp sử dụng điện áp thấp Kim loại là có hiệu suất sáng kém trong dải điện thế đặt vào và màn hình ZnO là mang lại hiệu suất sáng cao Tuy nhiên độ bão hòa của ZnO là chưa cao khi trộn màu xanh lam và xanh lá cây Do đó ZnO chỉ được sử dụng vào màn hình FED trắng đen mà không được sử dụng vào màn hình màu Thêm nữa hiệu suất sáng phụ thuộc vào điện

áp đặt vào Kết quả là hiệu suất sáng tăng khi điện áp đặt vào tăng

Mặc dù khoảng cách giữa gate và anot là ngắn nhưng chúng vẫn đảm bảo

có thể phân phân phối kích thước đốm phát xạ, chỉ khi màn hình điện áp thấp thì mới có hiệu suất sáng thấp, mới có thể sử dụng Hiệu suất sáng được tăng lên khi sử dụng màn hình điện áp cao, như được thể hiệnt trong bảng 8.4 Màn hình phosphor có thể mang lại hiệu suất cao hơn khi thay đổi điện áp Tuy nhiên khi đó thì khoảng cách giữa anot và gate phải đủ lớn để thiết bị không bị phá hỏng

Một điều đáng chú ý là chất lượng của màn hình cũng bị kích thước của các hạt phosphor quyết định Hình 8.21 diễn tả kích thước của các hạt phosphor.Độ đồng đều của các hạt phosphor sẽ mang lại sự cho độ phân giải cao

Dòng FED thực hiện là một thiết bị nguồn điện, tiến trình tín hiệu và quét/dữ liệu là một hàm dẫn động Trong hình 8.26 thể hiện trong biểu đồ khối Trong biểu đồ tấm panel FED là được dẫn bởi dòng dẫn trong khi quá trình tín hiệu dòng cung cấp tín hiệu video len tấm panel

Từ lúc vài chục vol đặt vào tấm hệ thống panel FED, điện áp cao được điều chỉnh bởi IC là được yêu cầu Thêm nữa biên độ và xung có biến đổi lớn

để thích nghi với FEDs bởi vì các linh kiện phát xạ trường có đường tuyến tính V-I và có độ đáp ứng đặc biệt cao.Giữa địa chỉ quét và địa chỉ thẳng , ma trận địa chỉ và địa chỉ đường dẫn, ma trận địa chỉ có thể là địa chỉ nhiều hơn

dữ liệu trong địa chỉ thời gian ngắn Thêm nữa là sự khác nhau của kết nối điện tới cột và dòng trong ma trận địa chỉ Đối với hệ VGA(640x480) dữ liệu định dạng, số dòng quét là 480 và số dữ liệu trên một sòng là 640 Trong hình 8.27 thể hiện dạng ma trận địa chỉ

Như hình 8.27 dữ liệu từ 1 tới 640 là được gửi tới tấm panel khi hàng 1 là được quét Sau khi hàng 1 được quét thì tới hàng 2 Dữ liệu lại từ 1 tới 640 được gửi tới hàng 2 Cứ như vậy quá trình quét đi từ hàng 1 tới hàng 480 hết màn hình

VI ỨNG DỤNG

Công nghệ hiển thị trường phát xạ mặc dù đã có cải tiến hơn rất nhiều về các yêu cầu trong kỹ thuật Nhưng do đặc tính đòi hỏi công nghệ cao, do vậy hiện tại giá thành còn cao FED là một công nghệ hứa hẹn thay thế cho LCD hay Plasma

Năm 2007 thì sản phẩm FED đã được thương mại hóa