后栅型场发射显示器窜压现象的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)福州大学物理与信息工程学院 作者:吴朝兴

提出后栅型场发射显示器( FED) 测试过程中的窜压现象, 解释该现象的产生原因。阴极电极侧壁场发射电子轰击栅极导致电压表示数发生变化。针对此问题设计一种具有沟槽状介质层结构的后栅型FED 从而避免阴极电极侧壁的电子发射。采用全印刷技术制作场发射显示阵列。实验表明此器件具有良好的发射稳定性及栅压调控特性, 有效杜绝窜压现象的发生。阳极电压为600 V, 栅极电压在100~ 250 V 范围内对阳极电流有良好的调控作用。

场发射显示器(FED) 是一种利用遂穿效应, 在高电场( 大于109V/ m) 的作用下, 电子从阴极表面逸出, 经阳极电场加速轰击荧光粉而发光的一种真空显示器件[ 1] 。根据器件结构可把FED 分为二极结构、前栅结构、平行栅结构、后栅结构等。二极结构器件驱动电压高, 存在一系列显示与驱动的矛盾, 难以利用现有的高压集成电路进行驱动。前栅型FED驱动电压较低, 然而显示面板的制作用到大量微电子加工工艺, 导致生产成本高; 且结构参数对显示的均匀性、一致性都有很大的影响[ 2] 。平行栅型FED结构简单、无须使用介质材料, 然而由于阴栅电极平行而不能实现矩阵扫描, 且像素单元较大, 限制分辨率的提高[ 3] 。后栅型FED 结构简单, 栅极电极位于阴极电极背面从而可以采用厚膜技术实现, 有效降低生产成本。随着碳纳米管( CNT) 等一维纳米材料的使用, 其低阈值电压及高场增强因子使后栅型FED 获得了实际应用的可能性[4- 5] 。

对于后栅型FED, 阴极电极与栅极电极通过介质层进行电隔离, 介质层结构对器件的工作性能会产生重要的影响。当介质层为片状结构时, 栅极的调控电压较高, 且出现发射不稳定、不均匀的情况。其原是阴极间隙的介质层表面积累了分布不均匀的电荷, 改变了阴极表面的电场分布, 从而影响电子发射。解决介质层表面电荷积累的一种办法是去除阴极与阴极之间的介质材料, 这可以通过刻蚀技术或者直接制作条状介质层实现[ 6- 7] 。然而此种结构虽可以解决介质层表面的积累电荷问题, 却出现了另外一种现象, 本文称之为窜压。当窜压现象发生时, 阴栅间的电压表无法准确的指示栅极电压源的输出值, 且该电压表的示数随着阴极发射电流的变化而变化。这一现象导致无法利用电压表测量阴栅间的电压值, 进而无法对器件的工作性能进行研究。本文详细分析了窜压现象产生的原因, 设计了一种具有沟槽状介质层( GIL) 结构的后栅型FED。测试表明此器件完全杜绝窜压现象的发生, 有效地避免介质层表面的电荷积累, 明显增强栅极电压的调控效果, 提高显示的稳定性。

3、 结论

本文分析了具有条状介质层结构的后栅型FED窜压现象的产生机理。阴极电极侧壁场发射电子轰击栅极电极表面使其产生正电荷, 为了维持栅极电极电中性, 电子通过电源及电压表流向栅极使得栅极电压表示数发生变化。设计并利用全印刷工艺制作了一种具有GIL 的厚膜后栅型CNT􀀁FED, 实验表明这种器件具有良好的发射稳定性、均匀性, 器件工作中杜绝窜压现象的产生。此器件具有显著的栅压调控特性, 阳极电压为固定为600 V 时, 栅极电压在100~ 250 V 范围内具有明显的调控特性。上述结果表明采用全印刷工艺可以制作具有显著栅压调控特性的后栅型CNT􀀁FED, 这有效降低制作工艺的复杂度和制作成本, 具有潜在的实用价值。

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