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1、电致发光显示(ELD),提 纲,一、电致发光显示的分类与特点二、分散型交流电致发光板三、薄膜型交流电致发光板四、电致发光显示器的各种材料五、电致发光显示器的驱动方式六、电致发光显示器的应用,一、电致发光显示的分类与特点(1),1、低场电致发光 1960年人们发现GaAs的p-n结二极管在正向偏压下,发生少数载流子注入,并在p-n结附近,两种载流子发生复合发光。2、高场电致发光 发光材料是半导体化合物,掺杂适当的杂质引进发光中心或形成某种介电状态。当它与电极或其它介质接触时,构成MS结构或MIS结构,来自电极或界面的电子,进入发光材料的高场区,被加速并成为过热电子,它可以碰撞发光中心使之被激发或
2、被离化,再通过一系列的能量输运过程,电子从激发态回到基态而发光。,一、电致发光显示的分类与特点(2),高场电致发光应具备的条件:(1)基质材料适合发光条件 较宽的禁带(一般要大于3eV),合适的能带结构、结晶类型、晶格常数和介电特性等等;(2)引进合适的发光中心 掺杂的杂质能成为可见光的发光中心,并且引进的发光中心在基质中有一定的溶解度,离子半径与基质相近,价键相匹配等;(3)结构上能形成高场,并有充足的初始电子束源 这样在高场区能出现足够的过热电子,才能实现有效的电致发光。,一、电致发光显示的分类与特点(3),高场电致发光,粉末EL,薄膜EL,AC-EL,DC-EL,AC-EL,DC-EL,
3、ELD特点:(1)是一种高压场致发光,构造上无电流流过;(2)主动发光,可制成任意形状;(3)全固体,牢固,适用于在对重量、体积要求严格和环境恶劣的场所;(4)响应速度快(110 s),视角宽。,电致发光显示:Electroluminescent Display,简称ELD。,缺点:(1)驱动电压高,驱动电路复杂;(2)除了橙黄色发光效率较高外,其他颜色的发光效率较低。,二、交流电致发光板(ACPEL)(1),分散型EL器件的基本结构,这种型式是由sylvania公司最初开发的,是第一代EL的代表结构形式,可用于液晶显示器的背照光源。发光层由荧光体粉末分散在有机粘结剂中做成,其厚度为50100
4、m荧光体粉末的母体材料为ZnS:Cu,Cl,I、Mn,可得到不同的发光色。,薄膜EL器件的结构,1交流电压源 2铝电极 3发光层 4绝缘层 5透明导电膜 6玻璃基板,SnO2透明导电膜电极厚度为200nm,绝缘层为HfO2膜,发光层为ZnS母体材料,厚度为300nm,采用蒸发技术依次制备各层薄膜。背面电极使用铝,制成相互平行的条形背电极。发光色随添加稀土卤化物材料不同而异。,当观察一个ZnS颖粒时,发光先从若干孤立的点开始,随着电场增加,两点的发光逐渐延伸,相互靠近,汇合成彗星状的发光。发光线对在交流电压作用下交替发光,发光线的长度随线方向场强分量增大而变长。,EEth,EEth,ZnS粒子的
5、EL发光,发光现象:,二、交流电致发光板(ACPEL)(2),发光机理:在ZnS颗粒内沿线缺陷会有Cu析出,形成电导率较大的Cu2S,Cu2S与ZnS形成异质结。当施加电压时在上述Cu2SZnS界面上会产生高于平均场强的电场强度(105106V/cm)。在这种高场强作用下,位于界面能级的电子会通过隧道效应向ZnS内注入,与发光中心捕获的空穴发生复合,产生发光。当发光中心为Mn时,电子与这些发光中心碰撞使其激发,引起EL发光。,能带图,二、交流电致发光板(ACPEL)(3),发光颜色:通过激活剂和共激活剂的组合可以在蓝色到黄色之间的范围内变化。在ZnS:Cu,Cl系中,通过调节Cl的含量,可以获
6、得从蓝色(460nm)到绿色(510nm)的发光。此外,由ZnS:Cu,A1系可得到绿色。由ZnS:Cu,Cl,Mn系可得到黄色发光等。,粉末AC-EL板的特性:,二、交流电致发光板(ACPEL)(4),薄膜ELD的电压波形与光输出波形关系,ACTFEL具有存储特性的机理:在强场中,发光层中电子加速穿过发光层,激活Mn发光中心而发光。已穿过发光层的电子便在发光层与绝缘层的界面上积累起来,在发光层两边形成极化电荷,该极化电场将抵消下一个同极性脉冲电场的大部分;反之,如果下一个脉冲极性反转,则极化电场与脉冲电压产生的电场叠加,总电场变强。,三、交流电致发光板(ACTFEL)(5),四、电致发光显示
7、器的各种材料(1)1、主要发光材料和激活剂,五、ELD驱动方式(1),二重绝缘层结构的ACTFELD矩阵屏的无源多路驱动原理图,有源矩阵驱动:,五、ELD驱动方式(3),六、电致发光显示器的应用(1)(1)数字、字符显示,应用于各种计量仪器的数字、符号显示等。它和荧光灯管作比较具有薄形和大型化的优点。,薄膜交流型ELD数字显示(Lohiya公司),1982年日本夏普公司生产的ELD显示样品,(2)模拟显示,薄膜绿色发光ELD屏(日本精械),六、电致发光显示器的应用(2),(3)图形和图象显示单色显示屏:,单色屏以黄光显示为主,发光材料大多数为ZnS:Mn,为双层绝缘膜结构。,多色显示屏:采用Z
8、n1-xMgxS:Mn与ZnS:Mn双层发光材料来制造红、绿多色屏。,EL-TV试制机外观,日本夏普公司生产的ELD显示样品,六、电致发光显示器的应用(3),六、电致发光显示器的应用(3),彩色色显示屏:,ELD的发展状况展望今后的发展,大致分下述三个发展阶段:第一阶段;ZnS:Mn(橙黄色)单色显示器的商品化;第二阶段:二色(红色、绿色)、三色(红色、绿色、蓝色)、多色显示器的商品化;第三阶段:全色显示器的商品化。,六、电致发光显示器的应用(5),2005年,加拿大iFire公司开发34英寸1280768的彩色平板无机EL显示器。,发光二极管显示Light EmittingDiode(LED
9、)Display,提 纲,一、LED的发展经历二、LED的结构、特点与工作机理三、LED的材料和制作工艺四、LED的主要特性和驱动五、提高LED显示屏视觉效果的光强均衡六、LED的发展趋势,二、LED的结构、特点与工作机理,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。晶片外用透明度高和折射率高的材料包封,树脂外观视应用要求做成各种形状。各元件的底座上安置了多晶片,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光色。,LED的主要特点:(1)工作电压低,驱动简单。(2)LED是小型的高亮度发光元件。(3)发光响应快。由于注入PN结正向电流而发光,因此控
10、制输入电流的大小、开断LED,发光响应十分快,可达lns。(4)寿命长、耐冲击。(5)可改变LED的半导体材料来改变发光波长,单体LED可做成各种外形等。,二、LED的结构、特点与工作机理,LED的缺点:LED单个元件功耗为数毫瓦到数十毫瓦,虽比白炽灯小得多,但制成高精细的大面积显示板时,特别在与集成电路做为一体时,元件功耗的增大就不容忽视了,这时散热也是不容易解决的问题。,二、LED的结构、特点与工作机理,PN结的外加正向偏置电压使内建电场减小,势垒降低,n区价带的电子(或P区价带空穴)可以通过结而扩散到p区(或n区),使该区的少子浓度远大于热平衡时的浓度,形成了非平衡的少数载流子,在p区或
11、n区产生了电子与空穴的复合,如果复合为辐射复合且能带间隙大于1.72ev,就发射可见光。,发光原理,二、LED的结构、特点与工作机理,结型电致发光波长由半导体材料的禁带宽度Eg和在禁带中的杂质能极来决定。如导带中电子与价带中空穴直接复合,发光波长为 发可见光(760nm)的LED材科,其禁带宽度Eg须大于1.72ev,如要LED发蓝光,即发光波长490nm,此时,Eg须大于2.53ev。,二、LED的结构、特点与工作机理,(1)直接复合 电子在导带与价带间直接跃迁而引起非平衡载流子的复合过程,也称带间复合。这种复合产生的光子很易被晶体基质所吸收,只有采取特殊措施后才会有高的发光效率。直接复合为
12、二体过程,其辐射效率高。(2)间接复合 这类材料导带底与价带顶的波数不一样,电子空穴复合过程必须有第三者声子参加,为三体过程,辐射效率很小,一般为0.1。等电子陷阱的激子复合DA对复合,二、LED的结构、特点与工作机理,辐射复合,三、LED的材料和制作工艺,1液相外延 在某种过饱和溶液中在单晶衬底上定向生长单晶薄膜的方法。2.气相外延 将基片置于反应器中,用射频线圈加热至800825度,通入各种成分的氢化物,以氢气作为载体,反应生成单晶薄膜。3.分子束外延 在超高真空下,通过多极分子束与加热的单晶片反应而获得结晶生长膜,每一炉子装有一个坩锅,它们依次装有希望得到薄膜的某种元素。炉温选择得使分子
13、束的自由蒸气压足够高,各炉子围绕基片环列,每种束流中心与基片交叉。选择炉子和基片温度和炉子与基片间光栏的开合,可以按所愿依次在基片上生长不同外延层。4.金属有机化合物气相沉积,动态驱动方式:每组LED采用脉冲电流分时驱动,可改变脉冲幅度和脉冲占空比来改变显示亮度。动态驱动方式:扫描型驱动、锁存驱动,四、发光二极管的驱动,发光二极管显示驱动方式静态驱动:在工作时间内,流经LED的电流保持一定数值,能得到稳定和亮度较高的显示效果,但缺点是驱动电流太大,易使显示元件发热降低发光效率,特别是LED单元较多时,要求驱动的元件多驱动电路必须提供较大的功率,这使得电路的复杂性与成本部增高了。,(1)全彩化
14、改善蓝色LED的晶体材料质量,提高发光效率,降低成本仍是今后发展的主要目标。(2)高亮度化高亮度产品每年都会有30%的增长,至于中低亮度的产品增长率不会超过5%。再者超高亮度(法向光强超过1000mcd)之红、橙、绿、蓝色LED产品已进入市场。(3)大型化LED可以以并联的方式联结在一起,不受尺寸大小的限制。对于一些需配备大尺寸的产品而言,更希望一些大型化的LED。,六、LED发展趋势,(4)封装小型化封装小型化主要是指适合于表面安装的LED品种正在增大。表面安装LED为带盘式封装,可容纳2000只LED管芯。表面安装LED已成为封装小型化的主流和方向。(5)生产型MOCVD外延生长工艺设备的
15、高产化今后的发展方向是提高每炉的生产批量,实现高产化,以降低生产成本为目标。如果每炉批量超过百片(2英寸),则生产成本有可能与LPE相近。,六、LED发展趋势,(1)全色动态信息平板显示LED 全色动态信息平板显示可广泛用于体育场馆、车站、机场、商业、工业和其它行业的大型和超大型全色显示屏。(2)固体照明光源 全色超高亮度LED的实用化和商品化,使照明技术面临一场新的革命,由多个超高亮度红、蓝、绿三色LED组成的像素管不仅可以发出波长连续可调的各种色光,而且还作为照明光源。LED的寿命长达数万小时。,六、LED发展趋势,LED的应用,(3)信号指示灯 交通信号灯 用超高亮度LED取代加滤光片的
16、白炽灯泡,不仅响应速度快,寿命长、抗震、耐冲击,而且效率高、节省电能。汽车指示灯 汽车指示灯包括汽车外部的各种方向灯、尾灯、刹车灯等。(4)背光照明 可用于LCD的背光照明,适用于蜂窝电话、笔记本型电脑、台式LCD和大屏幕LCD TV等的背光源。,六、LED发展趋势,真空荧光显示Vacuum Fluorecent Display(VFD),提 纲,一、真空荧光显示发展历史二、真空荧光显示器的工作原理和特性三、真空荧光显示器的荧光粉四、VFD的阴极加热方式五、VFD的驱动六、VFD的应用,一、真空荧光显示发展历史,VFD是一种低能电子发光显示器件。它是利用荧光粉在低能电子(几十ev以下)轰击下发
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