專利名稱：電容存儲(chǔ)型場(chǎng)助熱電子發(fā)射平板顯示器及其驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于顯示器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種新型電子發(fā)射型平板顯示器件的結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)方式。
電子發(fā)射型平板顯示器件包括金屬微尖型場(chǎng)發(fā)射顯示器件(FED)、表面?zhèn)鲗?dǎo)發(fā)射顯示器件(SED)、真空熒光顯示器件(VFD)和各類金屬-絕緣體-金屬(MIM)或金屬-絕緣體-半導(dǎo)體-金屬(MISM)結(jié)構(gòu)的場(chǎng)助熱電子發(fā)射平板顯示器件(也被成為場(chǎng)發(fā)射器件的一種)。其中，MIM器件結(jié)構(gòu)如

圖1所示。包括涂有熒光粉12和陽(yáng)極鋁摸13的上極板11、其上有發(fā)射電子陰柵極的下極板18、環(huán)封玻璃和支撐結(jié)構(gòu)(圖中未畫出)。陰柵極的結(jié)構(gòu)依次為金屬膜的下電極17、絕緣層(電子傳輸層)16和金屬膜的上電極15。工作時(shí)器件處于真空狀態(tài)。其工作原理是電子從陰柵下電極17發(fā)出穿過(guò)絕緣層16后到達(dá)陰柵上電極15，部分電子穿過(guò)上電極，形成發(fā)射電子14。發(fā)射電子被陽(yáng)極電壓加速到達(dá)陽(yáng)極13，轟擊熒光粉12發(fā)光。
很顯然，上述結(jié)構(gòu)中，電子要穿過(guò)絕緣層。由于絕緣層耐壓較高，為了驅(qū)動(dòng)電壓不致太高，絕緣層厚度不能太厚，一般在20納米范圍之內(nèi)，因此器件電容比較大，導(dǎo)致顯示器件面積不能太大。上述結(jié)構(gòu)只適合于小尺寸顯示器。由于絕緣層中電場(chǎng)太高，容易形成所謂的“形成”結(jié)構(gòu)，即形成一些金屬絲狀物，使得器件容易擊穿，因此壽命較短，實(shí)用化受到限制。
在所有已經(jīng)發(fā)表的MIM和MISM顯示器件中，其驅(qū)動(dòng)方式都是采用逐行和隔行點(diǎn)亮模式。用這種顯示模式，當(dāng)幀頻較低時(shí)(例如50赫茲)將會(huì)發(fā)生閃爍。這一問(wèn)題在顯象管中同樣存在，解決的方法是把幀頻提高到100赫茲，有些高檔彩電已經(jīng)這么做了。但在平板顯示器中，幀頻的提到必然導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路成本的提高，這是限制平板顯示器件應(yīng)用的主要障礙之一。
在已經(jīng)發(fā)表的MIM和MISM顯示器件中，實(shí)現(xiàn)豐富的灰度級(jí)(256級(jí))只能靠脈寬調(diào)制。發(fā)射電流和電壓之間的高度非線性關(guān)系導(dǎo)致這類器件不能采用強(qiáng)度調(diào)制，否則保證不了足夠的灰度級(jí)和豐富的色彩。脈寬調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是灰度和色彩豐富，但需要增加驅(qū)動(dòng)電路的帶寬，從而導(dǎo)致成本增加。同時(shí)，脈寬調(diào)制存在固有的閃爍問(wèn)題，尤其是近距離觀看時(shí)更為突出。
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種電容存儲(chǔ)場(chǎng)助熱電子發(fā)射平板顯示器(英文縮寫為FAHED)，并實(shí)現(xiàn)一種全新的電荷整幀存儲(chǔ)同時(shí)發(fā)射顯示模式，具有器件電容低，器件壽命長(zhǎng)，可降低驅(qū)動(dòng)電路成本等優(yōu)點(diǎn)，特別適于大屏幕高清晰度電視。
本發(fā)明提出一種電容存儲(chǔ)型場(chǎng)助熱電子發(fā)射平板顯示器，由涂有熒光粉和陽(yáng)極金屬膜的上玻板、制備有發(fā)射電子的陰柵極的下玻板、環(huán)封玻璃和支撐結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成，中間維持超高真空，其特征在于，所說(shuō)的陰柵極依次包括下電極、起存儲(chǔ)電荷作用的絕緣層、電子傳輸?shù)陌雽?dǎo)體層、上電極和電子發(fā)射層，還包括印刷在該下極板上連接所說(shuō)的上、下電極的行列匯流電極。
所說(shuō)的絕緣層其厚度可在100-500納米的范圍。
所說(shuō)的電子發(fā)射層可采用低電子親和勢(shì)的N型半導(dǎo)體材料。
所說(shuō)的行列匯流電極的交叉點(diǎn)上可用絲網(wǎng)印刷法印制絕緣層隔離。
所說(shuō)的上極板上可采用彩色熒光粉，并在彩色熒光粉條之間加石墨黑底，形成黑矩陣。
所說(shuō)的支撐結(jié)構(gòu)可放在行匯流電極上。
本發(fā)明還包括一種用于上述的電子發(fā)射平板顯示器的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，包括如下步驟1)逐行或隔行注入電子到絕緣層和半導(dǎo)體層之間的界面上，并存儲(chǔ)在該界面上，列電壓大小由圖象信號(hào)控制，全屏注入完成后，在界面上形成一幅與要顯示的圖象相對(duì)應(yīng)的電子電荷圖；2)一幀圖象注入完成后，全屏行電極加相同的電壓，列電極加相同的電壓，將電子同時(shí)反向引出，部分電子形成發(fā)射電子。
本發(fā)明用于上述發(fā)射平板顯示器的另一種驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，包括以下步騾1)將一幀圖象分成P個(gè)子幀2)對(duì)第一個(gè)子幀逐行或隔行注入電子到絕緣體和半導(dǎo)體界面上，并存儲(chǔ)在該界面上，列電壓大小由圖象信號(hào)控制，全子幀注入完成后，在界面上形成一幅與要顯示的圖象相對(duì)應(yīng)的電子電荷圖；3)該子幀圖象注入完成后，全子幀行電極加相同的電壓，列電極加相同的電壓，將電子同時(shí)反向引出，部分電子形成發(fā)射電子；4)對(duì)第2、3、-----P個(gè)子幀依次進(jìn)行上述2)、3)步驟。
本發(fā)明用于電子發(fā)射平板顯示器的第三種驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，包括以下步驟1)逐行或隔行注入電子到絕緣層和半導(dǎo)體層之間的界面上，并存儲(chǔ)在該界面上，列電壓大小由圖象信號(hào)控制，全屏注入完成后，在界面上形成一幅與要顯示的圖象相對(duì)應(yīng)的電子電荷圖；2)將存儲(chǔ)在界面上的電荷按行分P次反向引出，形成發(fā)射電子，每次引出總行數(shù)的P分之一。
本發(fā)明的原理結(jié)合圖2、3、4說(shuō)明如下本發(fā)明所述電容存儲(chǔ)型場(chǎng)助熱電子發(fā)射平板顯示器結(jié)構(gòu)包括上極板31、下極板39、中間的抵抗大氣壓的支撐結(jié)構(gòu)311等。上極板上有陽(yáng)極鋁膜314、熒光粉32等。下極板上有陰柵極，陰柵極詳細(xì)結(jié)構(gòu)依次為下電極34、絕緣層38、半導(dǎo)體層37(電子傳輸層)、上電極33和電子發(fā)射層41。為了減小電極電阻，陰柵上下電極分別增加了匯流電極35、36，使得電極電阻小于100歐姆。上下玻板之間支撐結(jié)構(gòu)。由于器件工作在真空狀態(tài)，為了抵抗大氣壓，支撐結(jié)構(gòu)是必須的。支撐結(jié)構(gòu)一般稱為支撐柱或支撐墻，材料一般為高強(qiáng)度陶瓷或單晶材料，如氧化鋯單晶等。
陰柵上下電極分別是行電極和列電極，成行列矩陣結(jié)構(gòu)。行列電極的交叉點(diǎn)上是一個(gè)子像素，三條列電極和一條行電極的交叉點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)像素。
與MIM不同，這里絕緣層的作用是存儲(chǔ)電荷，而不是傳輸電荷。由于電子并不穿過(guò)該層，其厚度在100-500納米的范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MIM中絕緣層厚度。這樣一來(lái)，器件電容大大減小，使得大面積器件可以實(shí)現(xiàn)。與MIM相比，本結(jié)構(gòu)中增加了半導(dǎo)體層作為電子傳輸層明顯地增加了電子發(fā)射率(可增加三倍以上)。
本發(fā)明驅(qū)動(dòng)方法的工作原理如下電子先由上電極33經(jīng)電子傳輸層37注入到絕緣層38界面，存儲(chǔ)在界面上。電子逐行注入，當(dāng)一幀注入完成后，所有行列電極上同時(shí)加反向電壓，存儲(chǔ)在絕緣層和傳輸層界面上的電子經(jīng)電子傳輸層37向上電極33運(yùn)動(dòng)，并在其中被加速。部分能量大的電子可以穿過(guò)上電極33，經(jīng)發(fā)射層發(fā)射41形成真空中的發(fā)射電流。發(fā)射的電子經(jīng)陽(yáng)極高壓的加速，轟擊熒光粉發(fā)光，顯示出圖象。
圖4表示顯示器的行和列電極，交叉點(diǎn)處發(fā)射電子。行列數(shù)分別為N和3M(一行三列對(duì)應(yīng)一個(gè)彩色像素)，形成的像素?cái)?shù)為M×N。具體器件中，可能行電極在上，也可能列電極在上。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表明電子在一個(gè)方向上有自聚焦效應(yīng)，可以減小電子的發(fā)散作用，有利于提高分辨率。行電極在上則在行方向上有聚焦作用，反之在列方向上有自聚焦作用。具體選用可依器件性能要求為準(zhǔn)。
開始時(shí)上電極加負(fù)電壓，下電極加正電壓，電子通過(guò)傳輸層注入到絕緣層界面，被存儲(chǔ)在界面上。如圖4(a)所示，某行注入時(shí)，其它行電極接地。依據(jù)列電壓的高低，交叉處注入不同量的電荷。接地行上，列電壓不足以引起電荷注入。這樣一行一行地注入，直至整個(gè)屏上都注入完畢，形成一幅與顯示圖象相對(duì)應(yīng)的電荷分布圖。整屏注入完成后，全部下電極接到同一電壓，上電極也接到同一的電壓，形成方向向下的電場(chǎng)，如圖4(b)所示。當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到一定值時(shí)，電子從界面向上電極方向運(yùn)動(dòng)，其中部分電子穿過(guò)上電極到真空中形成發(fā)射。上電極之上的發(fā)射層的作用是降低有效功函數(shù)，得到較大的發(fā)射電流。發(fā)射電子經(jīng)數(shù)千伏陽(yáng)極電壓的加速后，以較高的能量轟擊熒光屏，得到圖象顯示。由于是全屏同時(shí)按一定周期發(fā)光，類似于電影，因此圖象穩(wěn)定。由于電容上存儲(chǔ)的電荷基本與電壓呈線性關(guān)系，因此發(fā)射電流與驅(qū)動(dòng)電壓也基本呈線性關(guān)系。
這種顯示器件最大對(duì)角尺寸可超過(guò)1米，是HDTV最理想的顯示屏。
本發(fā)明具有如下特點(diǎn)(1)器件電容低，由于電子不穿過(guò)絕緣層，因此可以用增加該層厚度的方法減小器件電容，從而實(shí)現(xiàn)大面積器件，適用于大尺寸顯示器。
(2)利用器件自身電容的存儲(chǔ)功能，達(dá)到穩(wěn)定均勻的電子發(fā)射，其穩(wěn)定性和均勻性是任何其它類型的場(chǎng)發(fā)射顯示器件所無(wú)法比擬的，器件壽命長(zhǎng)，達(dá)到實(shí)用水平。
(3)實(shí)現(xiàn)一種全新的電荷整幀存儲(chǔ)同時(shí)發(fā)射顯示模式，即對(duì)每一幀圖象部實(shí)現(xiàn)全屏同時(shí)發(fā)光，與電影放映模式相同。即使幀頻降到50赫茲以下也不閃爍，這是迄今為止最理想的顯示模式。
(4)可采用強(qiáng)度調(diào)制方式，以降低驅(qū)動(dòng)電路成本，由于發(fā)射電流基本與電壓呈線性關(guān)系，因此采用強(qiáng)度調(diào)制模式也可達(dá)到豐富的灰度級(jí)和色彩。避免了脈寬調(diào)制時(shí)近距離觀看的閃爍現(xiàn)象，因此特別適用于大屏幕高清晰度電視。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1為已有的直流驅(qū)動(dòng)MIM結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理圖，其中(a)為結(jié)構(gòu)示意圖；(b)為工作原理圖。
圖3為本發(fā)明的陰柵極具體結(jié)構(gòu)圖。
圖4為本發(fā)明行列電極排列結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式原理圖。
本發(fā)明所述電容存儲(chǔ)型場(chǎng)助熱電子發(fā)射平板顯示器件及其驅(qū)動(dòng)方法的實(shí)施例結(jié)合各附圖詳細(xì)說(shuō)明如下本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和原理如圖2所示。其結(jié)構(gòu)包括上極板31、下極板39、中間的抵抗大氣壓的支撐結(jié)構(gòu)311等。上極板上有陽(yáng)極鋁膜314、熒光粉32等。顯示器尺寸4英寸，單色，上玻板31和下玻板38厚度均為2毫米，陽(yáng)極板(上玻板31)上涂有綠色熒光粉32。
下極板上有陰柵極，陰柵極詳細(xì)結(jié)構(gòu)依次為下電極34、絕緣層38、半導(dǎo)體層37(電子傳輸層)、上電極33和電子發(fā)射層41。所說(shuō)的電子發(fā)射層采用低電子親和勢(shì)的N型半導(dǎo)體材料。如圖3所示。本實(shí)施例陰柵極的絕緣層38五氧化二鉭厚度200納米，電子傳輸層37硫化鋅厚度50納米，下電極34鉬厚度100納米，上電極33和發(fā)射層41復(fù)合薄膜厚度8納米，陽(yáng)極板和陰柵極板間距3毫米。陰柵上下電極分別是行電極和列電極，成行列矩陣結(jié)構(gòu)。行列匯流電極的交叉點(diǎn)上用絲網(wǎng)印刷法印制絕緣層隔離。支撐結(jié)構(gòu)311用氧化鋯單晶，支撐結(jié)構(gòu)一般長(zhǎng)數(shù)厘米，厚度200微米，高度等于極板之間距離。支撐結(jié)構(gòu)放在行匯流電極上。上下玻板之間用3毫米高的玻璃框39和低熔點(diǎn)玻璃封接，經(jīng)過(guò)排氣和烘烤后封離排氣臺(tái)，形成真空工作條件。測(cè)試時(shí)，行電極(下電極)注入電壓24伏，列電極(上電極)最大電壓-18伏。引出電子時(shí)，行電極電壓-42伏，列電極接地，陽(yáng)壓5000伏，得到穩(wěn)定均勻可靠的顯示。
本實(shí)施例的上電極采用金-銀雙層薄膜，電子發(fā)射比單金屬電極提高3倍以上。采用金上電極，用硫化物或氮化物N型半導(dǎo)體作發(fā)射層，發(fā)射提高7倍以上。顯示亮度除了閾值附近外，與列電壓成近似線性關(guān)系。電子束發(fā)散很小，在非自聚焦方向，熒光屏發(fā)光面積與陰極基本相同。在自聚焦方向，則明顯見(jiàn)到發(fā)光區(qū)域小于電子發(fā)射區(qū)域。當(dāng)陽(yáng)壓超過(guò)5000伏時(shí)，自聚焦效應(yīng)明顯減弱。
本實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)方法如下電子先由上電極33經(jīng)電子傳輸層37注入到絕緣層38界面，存儲(chǔ)在界面上。電子逐行注入，當(dāng)一幀注入完成后，所有行列電極上同時(shí)加反向電壓，存儲(chǔ)在絕緣層和傳輸層界面上的電子經(jīng)電子傳輸層37向上電極33運(yùn)動(dòng)，并在其中被加速。部分能量大的電子可以穿過(guò)上電極33，經(jīng)發(fā)射層發(fā)射41形成真空中的發(fā)射電流。發(fā)射的電子經(jīng)陽(yáng)極高壓的加速，轟擊熒光粉發(fā)光，顯示出圖象。
圖4表示顯示器的行和列電極，交叉點(diǎn)處發(fā)射電子。行列數(shù)分別為N和3M(一行三列對(duì)應(yīng)一個(gè)彩色像素)，形成的像素?cái)?shù)為M×N。具體器件中，可能行電極在上，也可能列電極在上。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表明電子在一個(gè)方向上有自聚焦效應(yīng)，可以減小電子的發(fā)散作用，有利于提高分辨率。行電極在上則在行方向上有聚焦作用，反之在列方向上有自聚焦作用。具體選用可依器件性能要求為準(zhǔn)。
開始時(shí)上電極加負(fù)電壓，下電極加正電壓，電子通過(guò)傳輸層注入到絕緣層界面，被存儲(chǔ)在界面上。如圖4(a)所示，某行注入時(shí)，其它行電極接地。依據(jù)列電壓的高低，交叉處注入不同量的電荷。接地行上，列電壓不足以引起電荷注入。這樣一行一行地注入，直至整個(gè)屏上都注入完畢，形成一幅與顯示圖象相對(duì)應(yīng)的電荷分布圖。整屏注入完成后，全部下電極接到同一電壓，上電極也接到同一的電壓，形成方向向下的電場(chǎng)，如圖4(b)所示。當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到一定值時(shí)，電子從界面向上電極方向運(yùn)動(dòng)，其中部分電子穿過(guò)上電極到真空中形成發(fā)射。上電極之上的發(fā)射層的作用是降低有效功函數(shù)，得到較大的發(fā)射電流。發(fā)射電子經(jīng)數(shù)千伏陽(yáng)極電壓的加速后，以較高的能量轟擊熒光屏，得到圖象顯示。由于是全屏同時(shí)按一定周期發(fā)光，類似于電影，因此圖象穩(wěn)定。由于電容上存儲(chǔ)的電荷基本與電壓呈線性關(guān)系，因此發(fā)射電流與驅(qū)動(dòng)電壓也基本呈線性關(guān)系。
本實(shí)施例中，采用子幀注入和引出電子的驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，顯示結(jié)果與整幀注入和引出時(shí)基本相同，但引出時(shí)的電流大大小于后者，相對(duì)降低了對(duì)直流供電電源的要求，但驅(qū)動(dòng)控制相對(duì)復(fù)雜一些。
這種顯示器件最大對(duì)角尺寸可超過(guò)1米，是HDTV最理想的顯示屏。
權(quán)利要求
1.一種電容存儲(chǔ)型場(chǎng)助熱電子發(fā)射平板顯示器，由涂有熒光粉和陽(yáng)極鋁膜的上玻板、制備有發(fā)射電子的陰柵極的下玻板、環(huán)封玻璃和支撐結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成，中間維持超高真空，其特征在于，所說(shuō)的陰柵極依次包括下電極、起存儲(chǔ)電荷作用的絕緣層、電子傳輸?shù)陌雽?dǎo)體層、上電極和電子發(fā)射層，還包括印刷在該下極板上連接所說(shuō)的上、下電極的行列匯流電極。
2.如權(quán)利要求1所述的電子發(fā)射平板顯示器，其特征在于，所說(shuō)的絕緣層其厚度在100-500納米的范圍。
3.如權(quán)利要求1所述的電子發(fā)射平板顯示器，其特征在于，所說(shuō)的電子發(fā)射層采用低電子親和勢(shì)的N型半導(dǎo)體材料。
4.如權(quán)利要求1所述的電子發(fā)射平板顯示器，其特征在于，所說(shuō)的行列匯流電極用絲網(wǎng)印刷法印制，在匯流電極的交叉點(diǎn)上用絲網(wǎng)印刷法印制絕緣層隔離。
5.如權(quán)利要求1所述的電子發(fā)射平板顯示器，其特征在于，所說(shuō)的上極板上采用彩色熒光粉，并在彩色熒光粉條之間加石墨黑底，形成黑矩陣。
6.如權(quán)利要求1所述的電子發(fā)射平板顯示器，其特征在于，所說(shuō)的支撐結(jié)構(gòu)放在行匯流電極上。
7.一種用于如權(quán)利要求1所述的電子發(fā)射平板顯示器的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，包括如下步驟1)逐行或隔行注入電子到絕緣層和半導(dǎo)體層之間的界面上，并存儲(chǔ)在該界面上，列電壓大小由圖象信號(hào)控制，全屏注入完成后，在界面上形成一幅與要顯示的圖象相對(duì)應(yīng)的電子電荷圖；2)一幀圖象注入完成后，全屏行電極加相同的電壓，列電極加相同的電壓，將電子同時(shí)反向引出，部分電子形成發(fā)射電子。
8.一種交流存儲(chǔ)型電子發(fā)射平板顯示的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，包括以下步驟1)將一幀圖象分成P個(gè)子幀；2)對(duì)第一個(gè)子幀逐行或隔行注入電子到絕緣體和半導(dǎo)體界面上，并存儲(chǔ)在該界面上，列電壓大小由圖象信號(hào)控制，全子幀注入完成后，在界面上形成一幅與要顯示的圖象相對(duì)應(yīng)的電子電荷圖；3)該子幀圖象注入完成后，全子幀行電極加相同的電壓，列電極加相同的電壓，將電子同時(shí)反向引出，部分電子形成發(fā)射電子；4)對(duì)第2、3、-----P個(gè)子幀依次進(jìn)行上述2)、3)步驟。
9.一種交流存儲(chǔ)型電子發(fā)射平板顯示的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，包括以下步驟1)逐行或隔行注入電子到絕緣層和半導(dǎo)體層之間的界面上，并存儲(chǔ)在該界面上，列電壓大小由圖象信號(hào)控制，全屏注入完成后，在界面上形成一幅與要顯示的圖象相對(duì)應(yīng)的電子電荷圖；2)將存儲(chǔ)在界面上的電荷按行分P次反向引出，形成發(fā)射電子，每次引出總行數(shù)的P分之一。
全文摘要
本發(fā)明屬于平板顯示器件技術(shù)領(lǐng)域,由涂有熒光粉和陽(yáng)極鋁膜的上玻板、制備有發(fā)射電子的陰柵極的下玻板、環(huán)封玻璃和支撐結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成,中間維持超高真空,其特征在于,所說(shuō)的陰柵極依次包括下電極、起存儲(chǔ)電荷作用的絕緣層、電子傳輸?shù)陌雽?dǎo)體層、上電極和電子發(fā)射層,還包括印刷在該下極板上連接所說(shuō)的上、下電極的行列匯流電極。本發(fā)明具有器件電容低,器件壽命長(zhǎng),可降低驅(qū)動(dòng)電路成本等優(yōu)點(diǎn),特別適于大屏幕高清晰度電視。
文檔編號(hào)H01J31/12GK1265521SQ0010336
公開日2000年9月6日 申請(qǐng)日期2000年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月3日
發(fā)明者李德杰 申請(qǐng)人:清華大學(xué)