等離子體顯示器概述

彩色等離子體顯示西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡文波提綱一、等離子體顯示器概述二、氣體放電物理根底三、彩色交流等離子體顯示器〔AC-PDP)介紹四、彩色AC-PDP的制造材料和工藝五、彩色AC-PDP電路系統(tǒng)六、彩色PDP的開展與現(xiàn)狀七、彩色AC-PDP放電單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)八、直流等離子體顯示器〔DC-PDP)九、PDP的應(yīng)用西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Whatisaplasma?固態(tài)

液態(tài)

氣態(tài)？

如果氣體的溫度繼續(xù)升高，物質(zhì)受熱能的激發(fā)而電離。如果溫度足夠高，就可以使物質(zhì)全部電離。電離后形成的電子之總電荷量同所有的正離子的總電荷量在數(shù)值上相等，而在宏觀上保持電中性。等離子體顯示器概述西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室PDP：PlasmaDisplayPanel氣體放電物理根底氣體原子的電離西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室原子獲得能量等離子體的分類:西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等離子體高溫等離子體〔完全電離氣體〕溫度范圍：106~108K，如可控?zé)岷朔错懙入x子體、太陽、恒星等。低溫等離子體〔局部電離氣體〕熱等離子體〔Te=104~106K，Ti=3103~3104K〕冷等離子體〔Te>104K，Ti=室溫〕如電弧等離子體、高頻等離子體、燃燒等離子體等。如輝光放電正柱區(qū)等離子體顯示器概述PlasmaDisplayPanel

：所有利用氣體放電而發(fā)光的平板顯示器件的總稱。

日光燈發(fā)光原理

PDP平板顯示矩陣西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等離子體顯示器概述

按顏色分：

?單色PDP直接利用氣體放電時(shí)發(fā)出的可見光來實(shí)現(xiàn)單色顯示。

?彩色PDP放電發(fā)光真空紫外線〔VUV〕熒光粉可見光西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等離子體顯示器概述(a)DC-PDP(b)對向放電型AC-PDP(c)外表放電型AC-PDP按電極結(jié)構(gòu)分：西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等離子體顯示器概述PDP與CRT性能的比較西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等離子體顯示器概述優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：〔1〕主動(dòng)發(fā)光型顯示；〔1〕功耗大，不便于采用電池〔2〕易于實(shí)現(xiàn)薄型大屏幕；電源〔與LCD相比〕；〔3〕具有高速響應(yīng)特性；〔2〕彩色發(fā)光效率低〔與CRT〔4〕可實(shí)現(xiàn)全彩色顯示；相比〕；〔5〕視角寬，可達(dá)160度；〔3〕驅(qū)動(dòng)電壓高〔與LCD比較〕；〔6〕伏安特性非線性強(qiáng)，〔4〕產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾〔EMI〕；具有很陡的閾值特性；〔5〕價(jià)格高。〔7〕具有存儲(chǔ)功能；〔8〕無圖像畸變，不受磁場干擾；〔9〕應(yīng)用的環(huán)境范圍寬；〔10〕工作于全數(shù)字化模式；〔11〕具有長壽命。西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等離子體顯示器概述直流PDP〔DC-PDP〕的開展史?1954年NationalUnion公司研制出矩陣結(jié)構(gòu)DC-PDP?二十世紀(jì)五十年代初Burroughs公司開發(fā)出用于數(shù)碼顯示的直流氣體放電管西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等離子體顯示器概述

?1972年Burroughs研制出具有自掃描功能的DC-PDP板?1978年，G.E.Holz提出脈沖存儲(chǔ)技術(shù)，使得DC-PDP可以工作于存儲(chǔ)模式；?1995年NHK公司開發(fā)的102cm脈沖存儲(chǔ)式DC-PDP西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等離子體顯示器概述?1995年，NHK和松下公司合作采用內(nèi)置電阻結(jié)構(gòu)制作出

107cm

的HDTVDC-PDP。它具有1920

1035像素，單元節(jié)距為0.48mm

0.5mm，可實(shí)現(xiàn)256級(jí)灰度顯示。

西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等離子體顯示器概述交流PDP〔AC-PDP〕的開展史?1964年Bitzer和Slottow研制出AC-PDP西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等離子體顯示器概述PDPInventorsProfDonBitzer(right)ProfGeneSlottowUniversityofIllinois等離子體顯示器概述?1969年，Owens-Illinois研究小組研制出開放單元〔OpenCell〕結(jié)構(gòu)的單色AC-PDP西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1976年G.W.Dick發(fā)表一種具有交叉電極結(jié)構(gòu)的外表放電型AC-PDP；交叉電極結(jié)構(gòu)外表放電型AC-PDP下板結(jié)構(gòu)交叉電極結(jié)構(gòu)的外表放電型AC-PDP西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等離子體顯示器概述1977年G.W.Dick一種帶有“連通〞導(dǎo)體的外表放電型AC-PDP1979年G.W.Dick又設(shè)計(jì)出帶有“連通〞電容的外表放電型AC-PDP西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等離子體顯示器概述〔1〕電極材料的選擇很困難；〔2〕電場集中在上下層電極的交叉區(qū)域，容易造成該區(qū)域保護(hù)層的毀壞，引起放電電壓的改變；〔3〕這種交叉電極結(jié)構(gòu)的容抗較大，使得驅(qū)動(dòng)困難。西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室兩電極結(jié)構(gòu)外表放電型AC-PDP存在的缺點(diǎn)：?1985年，G.W.Dick和富士通公司開發(fā)出三電極結(jié)構(gòu)的外表放電型AC-PDP；等離子體顯示器概述?1990年，富士通公司開發(fā)出尋址與顯示別離的驅(qū)動(dòng)技術(shù)〔ADS〕，可以實(shí)現(xiàn)多灰度級(jí)彩色顯示；?1992年，富士通公司開發(fā)出條狀障壁結(jié)構(gòu)外表放電型AC-PDP，并采用此結(jié)構(gòu)生產(chǎn)出世界上第一臺(tái)53cm(21英寸)彩色PDP；?1995年，富士通公司推出了107cm(42英寸)PDP。至1997年底,日本NEC、先鋒、松下、三菱等公司也相繼實(shí)現(xiàn)了107cm彩色PDP的批量生產(chǎn)。西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等離子體顯示器概述懸浮電極結(jié)構(gòu)AC-PDP：

熒光粉涂敷簡單；

具有很好的高頻工作特性，它工作在600kHz時(shí)仍具有33V的動(dòng)態(tài)范圍。障壁電極結(jié)構(gòu)的AC-PDP：障壁起到了電子和離子倍增的作用，因而放電空間中電子和離子的濃度不會(huì)隨著單元節(jié)距的減小而降低，也就不會(huì)使PDP的亮度和光效下降。但這種結(jié)構(gòu)PDP的制作工藝較為復(fù)雜。西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室其它PDP結(jié)構(gòu)等離子體顯示器概述AC/DC混合型PDP：存儲(chǔ)片由金屬刻蝕制得，整個(gè)外表被介質(zhì)層所覆蓋。由于存儲(chǔ)片為整個(gè)顯示器所共有，故其驅(qū)動(dòng)電路本錢很低。優(yōu)點(diǎn)是免除了AC-PDP和DC-PDP復(fù)雜的障壁制作，存儲(chǔ)片電阻小。西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等離子體顯示器概述一、等離子體顯示器概述二、氣體放電物理根底三、彩色交流等離子體顯示器〔AC-PDP)介紹四、彩色AC-PDP的制造材料和工藝五、彩色AC-PDP電路系統(tǒng)六、彩色PDP的開展與現(xiàn)狀七、彩色AC-PDP放電單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)八、直流等離子體顯示器〔DC-PDP)九、PDP的應(yīng)用提綱西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室氣體放電中的根本粒子：?基態(tài)原子〔或分子〕?電子e＝1/2mve2，典型密度為1016~1020/m3.?激發(fā)態(tài)原子(或分子)?正離子和負(fù)離子?光子＝h氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室根本粒子間的相互作用?彈性碰撞參與碰撞的粒子的運(yùn)動(dòng)速度和方向發(fā)生變化，而位能不發(fā)生變化。平均能量損失率氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室舉例：me=9.110-31kg,mHe=6.6810-27kg.e-He原子碰撞：＝2.7210-4,He+-He原子碰撞：＝0.5?非彈性碰撞使參與碰撞的粒子間發(fā)生了位能的變化。第一類非彈性碰撞：導(dǎo)致粒子體系位能增加。如He+e(快速〕He*+e〔慢速〕第二類非彈性碰撞：導(dǎo)致粒子體系位能減小。如He*+e(慢速〕He+e〔快速〕氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)能的最大值氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室第一類非彈性碰撞:如m1

m2，Wmax0.5E1；

m1

m2，WmaxE1。氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室氣體原子的激發(fā)和電離激發(fā)態(tài)原子能級(jí)諧振能級(jí)〔受激原子自發(fā)地直接過渡到基態(tài)，并產(chǎn)生光子輻射?！齿^高激發(fā)態(tài)能級(jí)〔向較低基發(fā)態(tài)能級(jí)躍遷，并產(chǎn)生光子輻射?！硜喎€(wěn)能級(jí)〔不能自發(fā)地通過光輻射向基態(tài)躍遷?！澄靼步煌ù髮W(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室氣體放電物理根底?電子與氣體原子碰撞致激發(fā)和電離原子由基態(tài)E0

激發(fā)態(tài)Em基態(tài)原子被電離電子必須具有的動(dòng)能——電子使基態(tài)原子(或分子)電離和激發(fā)氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——電子使激發(fā)態(tài)原子電離和激發(fā)舉例：

汞的電離電位為10.4V，而汞弧放電的穩(wěn)態(tài)電壓只有9~10V。這是因?yàn)槟芗?jí)為4.66ev能級(jí)為5.43ev氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碰撞截面原子作用半徑R：電子與原子間能發(fā)生相互作用的最大距離。原子與電子碰撞的有效截面電子能量的函數(shù)

有效截面不僅包含原子半徑的概念，還包含了帶電粒子和原子在相互作用中，具有幾率和不確定因素的含意。氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電子和氣體原子的碰撞幾率總有效截面電子的平均自由程氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室氦原子的激發(fā)截面與電子能量的關(guān)系?原子和離子與氣體原子碰撞致激發(fā)和電離氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?光致激發(fā)和光致電離光致激發(fā)和光致電離的光子波長氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?熱激發(fā)和熱電離(1)氣體原子相互碰撞產(chǎn)生電離(2)高溫氣體產(chǎn)生熱輻射而引起的光致電離(3)以上兩種電離過程所產(chǎn)生的高能電子引起的碰撞電離氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?X射線及核輻射引起的電離和剩余電離(1)氣體原子吸收X射線量子后，使一個(gè)價(jià)電子脫離。這個(gè)高能電子使氣體原子產(chǎn)生大量的碰撞電離。(2)高能X射線量子被原子吸收使原子一個(gè)內(nèi)層電子電離，隨即有較外層的電子躍遷到內(nèi)層空位上，這個(gè)過程也伴隨著能量的釋放，即輻射出另一個(gè)能量比一次X射線量子為低的X量子。這個(gè)新的X量子又可以產(chǎn)生新的電離。(3)原子不是完全吸收x射線量子，而是產(chǎn)生康普頓效應(yīng)。X射線：氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室核輻射引起的電離：〔1〕射線、質(zhì)子和氘核它們引起的電離，相當(dāng)于高速正離子與氣體原子產(chǎn)生的第一類非彈性碰撞?！?〕射線它引起的電離，相當(dāng)于極高速電子與氣體原子的第一類非彈性碰撞。〔3〕射線射線引起的電氏相當(dāng)于能量很大的光于引起的光致電成主要產(chǎn)生康普頓效應(yīng)。氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室〔1〕在地面附近產(chǎn)生剩余電離的原因是地殼中放射性物質(zhì)的輻射?！?〕高空中的剩余電離主要是宇宙射線引起的。宇宙線是來自星際空間的高能粒子。剩余電離從地面向上升高時(shí)，剩余電離作用開始隨高度增加而下降，在到達(dá)1.5km以后，剩余電離重新增加。氣體原子的激發(fā)轉(zhuǎn)移和消電離氣體粒子的激發(fā)轉(zhuǎn)移和消電離是氣體粒子的激發(fā)和電離的逆過程，這些根本過程屬于重粒子間的第二類非彈性碰撞。1．氣體原子的激發(fā)轉(zhuǎn)移

?自發(fā)輻射躍遷

?與電子的非彈性碰撞?與基態(tài)原子的非彈性碰撞潘寧效應(yīng)輻射的淬滅敏化熒光氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2．帶電粒子的復(fù)合?電子和正離子間的復(fù)合氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室假定電子質(zhì)量為m，正離子質(zhì)量為M。復(fù)合之前，電子相對于離子的速度為，復(fù)合后形成中性原子速度為u。中性原子的質(zhì)量那么為m＋M。eUi為其電離能。根據(jù)動(dòng)量守恒有根據(jù)動(dòng)量守恒有氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從以上兩式得出說明電子與正離子的二體復(fù)合不可能發(fā)生。三體碰撞復(fù)合輻射復(fù)合氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?正負(fù)離子間的復(fù)合〔a〕輻射復(fù)合X-+Y+XY+h〔b〕電荷交換X-+Y+X＋Y〔c〕三體復(fù)合X-+Y+＋ZXY+Z由于正、負(fù)離子間的相對運(yùn)動(dòng)速度比較小，所以離子復(fù)合幾率比電子復(fù)合幾率大得多。在能夠形成負(fù)離子的氣體中，體積復(fù)合大多分兩步進(jìn)行，首先是電子和原子結(jié)合形成負(fù)離子，然后負(fù)離子再與正離子發(fā)生復(fù)合。3.帶電粒子的電荷轉(zhuǎn)移4．負(fù)離子的形成中性原子捕獲電子形成負(fù)離子三體碰撞分解吸附分子氣體與電子碰撞產(chǎn)生離子對重粒子間的電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生離子對氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)щ娏Ｗ釉跉怏w中的運(yùn)動(dòng)?帶電粒子的熱運(yùn)動(dòng)?帶電粒子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)?帶電粒子的漂移運(yùn)動(dòng)氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)щ娏Ｗ拥臒徇\(yùn)動(dòng)〔1〕帶電粒子的速度分布與平均動(dòng)能麥克斯韋分布：西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室氣體放電物理根底三種統(tǒng)計(jì)速度：最可幾速度平均速度方均根速度帶電粒子的平均動(dòng)能：氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)щ娏Ｗ拥钠骄杂沙碳捌浞植悸煞肿悠骄杂沙屉x子平均自由程電子平均自由程電子自由程分布律氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室雜亂電流密度在無外場作用時(shí)，帶電離子在氣體中的無規(guī)那么熱運(yùn)動(dòng)，在宏觀上對外并不表現(xiàn)出電流。但在電離氣體中，某一指定方向的單位面積上，在單位時(shí)間內(nèi)有一定量的帶電粒子通過。電離氣體中的雜亂電子、離子流密度為氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)щ娏Ｗ釉跉怏w中的遷移運(yùn)動(dòng)離子遷移速度電子遷移速度通過氣體的電流氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室離子遷移率〔Longevin公式〕溫度為0

C，氣體壓強(qiáng)為133Pa氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電子遷移率電子在每次碰撞中傳給氣體粒子的平均能量百分?jǐn)?shù)氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)щ娏Ｗ釉跉怏w中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)電子擴(kuò)散系數(shù)離子擴(kuò)散系數(shù)由于

e>

i，

e>

i，所以De>>Di。愛因斯坦關(guān)系式帶電粒子的雙極性擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)帶電粒子的濃度分布隨時(shí)間的變化氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室氣體放電物理根底氣體發(fā)生穩(wěn)定放電的區(qū)域：正常輝光放電區(qū)反常輝光放電區(qū)弧光放電區(qū)氣體放電的伏安特性

西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為了描述氣體放電中的電離現(xiàn)象，湯生提出了三種電離過程，并引出三個(gè)對應(yīng)的電離系數(shù)：〔1〕湯生第一電離系數(shù)—α系數(shù)。它是指每個(gè)電子在沿電場反方向運(yùn)行單位距離的過程中，與氣體原子發(fā)生碰撞電離的次數(shù)。氣體的擊穿和巴邢定律電子繁流示意圖西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室氣體放電物理根底〔2〕湯生第二電離系數(shù)—β系數(shù)。它是指一個(gè)正離子沿電場方向運(yùn)行單位路程所產(chǎn)生的碰撞電離次數(shù)?！?〕湯生第三電離系數(shù)—系數(shù)。它是指每個(gè)正離子打上陰極外表時(shí)，產(chǎn)生的二次電子發(fā)射數(shù)。氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室當(dāng)一個(gè)電子由陰極方向進(jìn)入dx層，那么在dx層中將產(chǎn)生αdx個(gè)電子。如果在x處，單位時(shí)間通過單位面積的電子數(shù)為n，那么經(jīng)過dx層后，新產(chǎn)生的電子數(shù)為nαdx，即在dx中，電子的增長數(shù)為如邊界條件為x＝0，n＝n。，那么在均勻電場中(α＝常數(shù))，對式上積分，得〔1〕〔2〕氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室如極間距離為d，那么到達(dá)陽極的電子數(shù)相應(yīng)的電子流密度為從陽極發(fā)射的n0個(gè)電子，在到達(dá)陽極過程中，因α作用在空間新產(chǎn)生的電子數(shù)為na-n0＝。這些也是新產(chǎn)生的正離子數(shù)。這些正離子向陰極方向運(yùn)動(dòng)。如果忽略正離子在空間的碰撞電離作用(

＝0)，就有個(gè)正離子轟擊陰極，它們將在陰極上新產(chǎn)生個(gè)電子。〔3〕〔4〕氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

假定n0是外界電離源，它的大小不隨時(shí)間變化。把它看成第一周期從陰極發(fā)射的電子。到了第二周期陰極單位時(shí)間、單位面積發(fā)射的它于數(shù)等于。令依次類推，可以寫出第三、第四、……周期、陰極單位時(shí)間、單位面積發(fā)射的電子數(shù)以及到達(dá)陽極的電子數(shù)。經(jīng)過無限周期以后，到達(dá)陽極的電子數(shù)為其極限值為〔5〕〔6〕氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電子繁流過程中，陰極發(fā)出的電子數(shù)和到達(dá)陽極的電子數(shù)氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室相應(yīng)的電子流密度為相應(yīng)的極間電壓為自持放電的擊穿電壓或著火電壓。從上式看出，當(dāng)分母為零時(shí)，電流可趨于無窮大，或者當(dāng)分母為零，分子也趨于零時(shí)，ja仍可以為有限值。這說明，當(dāng)外界電離源去除，即使初始電流j0＝0，放電仍然繼續(xù)進(jìn)行，這就形成了自持放電。因此放電著火(或稱擊穿)的條件為〔7〕〔8〕氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為了定量分析與場強(qiáng)和氣壓P的關(guān)系，必須作幾點(diǎn)近似假設(shè)：(1)電場較強(qiáng)，電子在氣體中以定向運(yùn)動(dòng)為主，忽略亂向熱運(yùn)動(dòng)；(2)電子和氣體原子每次磁撞后，沿電場方向的初速度為零；(3)電子在一個(gè)自由程中從電場獲得能量E＝ee，只要eeeUi，那么電離幾率為1；如果ee＜eUi，電離幾率為零。

根據(jù)假設(shè)(1)和

的定義，

系數(shù)應(yīng)等于電子在1cm路程中與氣體原子的平均碰撞次數(shù)和電離幾率的乘積，即〔9〕氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

根據(jù)假設(shè)(2)和(3)，當(dāng)電子在一個(gè)自由程中獲得的能量e

e等于或大于原子電離能eUi時(shí)，就一定產(chǎn)生電離碰撞。換言之，當(dāng)電子在兩次碰撞間的自由程滿足可產(chǎn)生電離碰撞。因此自由程大于Ui/

的幾率，就是電離幾率。根據(jù)自由程分布規(guī)律，立即可得〔10〕〔11〕氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室將式(11)代入式(9)，得令，P為氣體壓強(qiáng)。又令B=AUi。代入式〔12〕得〔12〕或〔13〕氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)追N氣體的巴邢曲線

帕邢(Paschen)首先發(fā)現(xiàn)，在氣體種類、電極材料等條件不變時(shí)，著火電壓Ub不僅單獨(dú)和壓強(qiáng)P或極間距離d有關(guān)，而且和Pd的乘積有關(guān)，即Ub是Pd的函數(shù)Ub=f〔Pd〕〔14〕這個(gè)規(guī)律稱為帕邢定律。Ub與Pd的函數(shù)關(guān)系的推導(dǎo)：根據(jù)著火條件，在著火時(shí)，

系數(shù)必須滿足〔15〕氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室另一萬面，據(jù)式(13)〔16〕從式(15)和(16)相等，并今著火電壓為Ub，可得上式兩邊取對數(shù)整理后得〔17〕氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室因而

令〔18〕從，可得最低著火點(diǎn)：〔19〕〔20〕氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室帕邢定律的物理意義：電子從陰極到陽極全部路程d內(nèi)，所產(chǎn)生的總碰撞次數(shù)為而電子在一個(gè)平均自由程中從電場獲得的能量為因電子碰撞電離幾率E1/Pd，因此無論改變壓強(qiáng)P或極間距離d，只要Pd乘積不變，那么Nd和電離幾率都不變，也就是電子從陰極到陽極所產(chǎn)生的總電離碰撞次數(shù)不變，著火電壓也不變。氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室存在Ub的物理解釋：當(dāng)p不變，而d由小增大時(shí)，E變小，變小，但d的乘積可能增大也可能減小，因此存在最正確放電狀態(tài)。當(dāng)d不變，而p增大時(shí)，電子在一個(gè)自由程中獲得的能量減小，電離幾率下降，這對放電不利；但另一方面電子在極間碰撞總數(shù)增大，這對放電開展有利，因此也存在最正確放電狀態(tài)?？梢姡?dāng)pd乘積發(fā)生變化時(shí)，一方面因碰撞次數(shù)增多，有利于放電開展；另一方面，因電子在一個(gè)自由程中獲得能量減小，不利于放電的開展。綜合兩方面的影響因素，存在最小著火電壓。氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室湯生放電理論的缺陷：自持放電的條件：那么由氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室假設(shè)j00，ja.無法說明著火以后，自持放電的開展情況。原因：

沒有考慮繁流過程中，逐漸增長的空間電荷對電場畸變造成的影響。羅果夫斯基的空間電荷理論氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室空間電荷分布，由泊松方程可得電場和電位分布為空間電荷影響下的電位分布空間電荷影響下的電場分布?xì)怏w放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室放電開展過程中，極間電位分布的變化氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自持放電的穩(wěn)定前一周期從陰極單位時(shí)間、單位面積發(fā)射出的電子數(shù)為n1，那么由于、過程，后一周期從陰極發(fā)射出的電子數(shù)電離增長率氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室放電開展過程中及的變化影響氣體放電著火電壓的因素

pd值的作用巴邢定律說明，當(dāng)其它因素不變時(shí)，pd值的變化對著火電壓的變化起了決定性的作用。因此，PDP中充入氣體的壓強(qiáng)和電極間隙對PDP的著火電壓有很大影響。氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室氣體種類和成分的影響值和擊穿電壓Ub值，都與氣體的性質(zhì)(種類和氣壓)有關(guān)，并主要由電子與一定氣體粒子發(fā)生碰撞的過程來決定?！?dú)怏w的電離電位對擊穿電位的影響是另一個(gè)重要的因素，在其他條件不變的情況下，通常電離電位越大的氣體，它的擊穿電位就越大?！绻鲎矔r(shí)電子還未到達(dá)足以使氣體電離的速度，電子與這種氣體粒子碰撞損失的平均能量較大，那么這種氣體被擊穿所需要的電場強(qiáng)度就大，相應(yīng)地要求擊穿電位也高。氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

在放電管內(nèi)有兩種氣體的混合物時(shí)，Ub就不能簡單地用混合方法以混合氣體的濃度去計(jì)算。實(shí)驗(yàn)指出，混合氣體的擊穿現(xiàn)象往往與純粹氣體完全不同。氮—?dú)浠旌蠚怏w的最小著火電壓與Pd的關(guān)系氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室空氣中水蒸氣含量對放電擊穿電位的影響〔平面電極極距為d＝4．93×10-3m，空氣壓強(qiáng)為400Pa〕當(dāng)空氣中所含水蒸氣量減少時(shí)，擊穿電壓會(huì)隨著減少。當(dāng)空氣繼續(xù)枯燥時(shí)，在水蒸氣分壓強(qiáng)約為3Pa附近時(shí)擊穿電位開始重新上升。氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

在氖氣中混入少量氬氣能使氣體的擊穿電壓降低，其降低量由氬氣的混合量決定。這種現(xiàn)象就是放電中潘寧效應(yīng)的結(jié)果。這種效應(yīng)在氖—汞混合氣體中也存在。氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室潘寧電離：設(shè)A、B為不同種類的原子，原子A的亞穩(wěn)激發(fā)電位大于原子B的電離電位，亞穩(wěn)原子A*與基態(tài)原子B碰撞時(shí)，使B電離，變?yōu)榛鶓B(tài)正離子B+〔或激發(fā)態(tài)正離子B+*〕，而亞穩(wěn)原子A*降低到較低能態(tài)，或變?yōu)榛鶓B(tài)原子A，此過程稱為潘寧電離，可用符號(hào)表示為：A*+BA+B+〔或B+*〕+e由于亞穩(wěn)原子具有較長的壽命，其平均壽命是10-410-2s〔而一般激發(fā)態(tài)原子的壽命為10-810-7s〕，因此潘寧電離的幾率較高，使得根本氣體的有效電離電位明顯降低。另外，著火電壓下降的大小還與兩種氣體的性質(zhì)和它們量的混合比有非常密切的關(guān)系。氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陰極材料和外表狀況的影響在各種陰極材料的平板電圾之間氬氣的擊穿電壓隨Pd的變化氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

輔助電離源的影響

使用輔助電離源來加快帶電粒子的形成，也可以使著火電壓降低。例如：

人工加熱陰極產(chǎn)生熱電子發(fā)射，取代

發(fā)射過程的作用；

用紫外光照射陰極，使陰極產(chǎn)生光電發(fā)射；

放射性物質(zhì)靠近放電管，放射性射線引起氣體電離；

通過預(yù)放電提供初始的帶電粒子等可以大大降低著火電壓。氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

電場分布的影響

電極結(jié)構(gòu)和極性決定著火前電極間隙的電場分布。電場分布對湯生

系數(shù)和

系數(shù)的數(shù)值與分布起決定性作用，影響氣體中電子與離子的運(yùn)動(dòng)軌跡以及電子雪崩過程。因此，它對著火電壓影響很大。

同軸圓筒電極系統(tǒng)，中心電極不同極性，著火電壓與氣壓的關(guān)系氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室輝光放電的發(fā)光

正常輝光放電的根本特征：(1)放電時(shí)，在放電空間呈現(xiàn)明暗相間、有一定分布規(guī)律的光區(qū)。(2)由于著火后，空間電荷引起的電場畸變使放電空間電位根本上分成兩段：陰極位降區(qū)和正柱區(qū)。在陰極位降區(qū)中產(chǎn)生電子繁流過程，滿足放電自持條件，故它是維持輝光放電必不可少的局部。(3)管壓降明顯低于著火電壓，并且不隨電流而變。電壓一般在幾十到幾百伏。電流為毫安級(jí)。電流密度為A/cm至mA/cm數(shù)量級(jí)。(4)陰極電子發(fā)射主要是過程。氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正常輝光放電的光區(qū)分布：一個(gè)充氖的冷陰極放電管長50cm，氣壓P＝133Pa，在正常輝光放電時(shí)的光區(qū)和電參量分布(1)阿斯頓暗區(qū)它是緊靠陰極的一層很薄的暗區(qū)。在這里由于受正離子轟擊從陰極發(fā)射出來的二次電子初速很小，不具備激發(fā)條件。由于沒有受激原子，因而是暗區(qū)。(2)陰極光層這是一層很薄、很弱的發(fā)光層。電子在通過阿斯頓暗區(qū)以后，從電場中獲得了一定的能量，足以產(chǎn)生激發(fā)碰撞，使氣體發(fā)光。但電于數(shù)量不大，激發(fā)很微弱。氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(3)陰極暗區(qū)電子離開明極后，到這里獲得的能量愈來愈大，甚至超過了激發(fā)幾率的最大值，于是激發(fā)減少，發(fā)光減弱。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，電子能量已超過電離電位，引起了大量的碰撞電離，繁流放電集中在這里發(fā)生。產(chǎn)生電離后，電子以較快的速度離開，這里就形成很強(qiáng)的正空間電荷的堆積，從而引起電場畸變。管壓降的大局部集中在這里和陰極之間。在正常輝光放電時(shí)的光區(qū)和電參量分布?xì)怏w放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(4)負(fù)輝區(qū)進(jìn)入負(fù)輝區(qū)的電子可以分為兩類:快電子和慢電子。慢速電子是多數(shù)，它們在負(fù)輝區(qū)產(chǎn)生許多激發(fā)碰撞，因而產(chǎn)生明亮的輝光。另外，在陰極暗區(qū)，因離子濃度很高，它們會(huì)向負(fù)輝區(qū)擴(kuò)散，因而負(fù)輝區(qū)中，電子和正離子的濃度都很大，而電場很弱，幾乎是無場空間?？梢哉f，負(fù)輝區(qū)是一個(gè)由快速電子維持的、復(fù)合占優(yōu)勢的等離子區(qū)。負(fù)輝區(qū)中電子和正離子濃度比正柱區(qū)中約大20倍。在正常輝光放電時(shí)的光區(qū)和電參量分布?xì)怏w放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室〔5〕法拉第暗區(qū)這是一個(gè)處于負(fù)輝區(qū)和正柱區(qū)之間的過渡區(qū)。由于電子在負(fù)輝區(qū)中損失了很多能量，進(jìn)入這個(gè)區(qū)域以后，便沒有足夠的能量來產(chǎn)生激發(fā)，所以是暗區(qū)。在正常輝光放電時(shí)的光區(qū)和電參量分布?xì)怏w放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室〔6〕正柱區(qū)這個(gè)區(qū)域中，在任何位置電子密度和正離子密度相等，凈空間電荷為零，因此又稱等離子區(qū)。電場沿管軸均勻分布。因正離子的遷移率很小，放電電流主要是電子流。由于管壁復(fù)合，正柱區(qū)中存在電子和離子徑向的雙極性擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。正柱區(qū)中有一定的軸向電場強(qiáng)度，電子從電場中獲得一定的能量，產(chǎn)生一定數(shù)量的碰撞電離和激發(fā)?！?〕陽極區(qū)在該區(qū)有時(shí)可以看見陽極暗區(qū)，在陽極暗區(qū)之后是緊貼在陽極上的陽極輝光。在正常輝光放電時(shí)的光區(qū)和電參量分布?xì)怏w放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室氣體放電物理根底西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正常輝光放電規(guī)律：(1)在正常輝光放電時(shí)，放電僅僅發(fā)生在陰極外表的一局部面積上，隨著放電電流的增大，陰極外表的輝光面積也隨之增大，而在這個(gè)過程中，陰極電流密度jcn那么保持不變，陰極位降Ucn也保持常數(shù)。當(dāng)陰極面積全部被輝光覆蓋后，假設(shè)繼續(xù)增大電流，那么陰極位降Ucn隨之增加，放電轉(zhuǎn)入了反常輝光放電階段。(2)當(dāng)放電的其他條件保持不變時(shí)，正常輝光放電陰極位降區(qū)的長度dcn隨氣壓P成反比例變化。即Pdc＝常數(shù)(3