1.2　真空阴极射线发光与显示

真空阴极射线发光是发光体在真空环境下被加速电子轰击后的激发发光。真空阴极射线显示是基于真空阴极射线发光技术来显示成像的技术。

1.2.1　真空阴极射线发光原理

真空阴极射线发光是在真空环境下，高能电子束激发发光材料（一般为荧光粉）引起的发光。电子束的电子能量通常在几千至几万电子伏特，能够穿透几十纳米到十几微米的深度，入射到发光材料中产生大量次级电子，通过和晶格的碰撞使发光材料的原子离化，激发发光中心产生发光。

真空阴极射线激发的电子跃迁与发光如图1-3所示。高能电子束可以激发出导带电子和价带空穴，这些自由运动的带电粒子（载流子）在运动过程中有可能被晶体中某些深能级俘获，形成无辐射跃迁，也有可能通过电子−空穴的复合产生发光跃迁（阴极射线发光）。发光跃迁包含带边跃迁，以及禁带中由空位、填隙杂质原子或其他缺陷所形成的附加能级之间的跃迁。

阴极射线发光中的复合发光是一种晶态发光体的发光，如图1-4所示。典型的阴极射线显示发光物质为晶态发光体，这是一类含有杂质和其他缺陷的离子型晶体。晶态发光体的发光特点是：能量吸收在基质中进行，而能量辐射则在激活剂上产生，即发光过程在整个晶体内完成。由于全过程中晶体内伴随有电子和空穴的漂移或扩散，从而常常产生特征性光电导现象，因而这类发光一般又称为光电导型发光。相对而言，这类发光余辉较长，俗称磷光。

晶态发光体的能带结构由晶体基质所决定的价带和导带、制备发光体掺入的激活剂离子所产生的局部能级G（一般为基态能级），以及晶体结构缺陷或加入的协同激活剂而产生的局部能级T（一般为电子陷阱能级）等几部分组成。晶态发光体的发光的微观过程如下。

1．吸收激发能电离过程

晶体吸收外界激发能，引起基质价带电子和激活剂G能级上的电子（远少于基质电子）激发、电离而到达导带，从而在价带中引入空穴，导带中引入电子。

2．电子和空穴的中介运动过程

电离产生的电子和空穴分别在导带和价带中扩散。空穴扩散到价带顶附近后被激活剂离子G能级俘获。电子扩散到导带底附近时，有的不经过亚稳态，直接落入激活剂离子G能级相应的激发态A（a过程）；有的被浅层亚稳态的陷阱能级T俘获，之后借助热运动回到导带，继而失去部分能量落入激发态A（b过程）；有的被深层陷阱能级T俘获，之后在外界能量激发下回到导带，继而失去部分能量落入激发态A（c过程）。

3．电子-空穴对复合发光过程

激活剂离子A能级上的电子与G能级上的空穴复合并向外辐射光子。上述a过程中的电子在导带中停留时间少于0.1ns即复合发光，因而称为短时复合发光；而b、c过程的电子由于存在T能级俘获过程，因而复合发光滞后于电子受激发跃迁，存在余辉时间，称为长时复合发光。

硫化物型发光体是这类发光体的典型代表。在发光过程中，除基质ZnS本身提供的由Zn2+构成的导带和由S2−构成的价带外，不仅需要Cu、Ag、Au等激活剂提供基态能级G，还需要协同Cl、Ag、Au等激活剂提供陷阱能级T。通常基质数量大大超过激活剂和协同激活剂的数量，所以其发光特性主要取决于基质本身。激活剂和协同激活剂主要是通过其化学价间接起作用而非元素本身直接起作用，作用结果使晶格受到恰当微扰。

1.2.2　基于真空阴极射线发光的显示技术

基于真空阴极射线发光的显示技术包括阴极射线管（Cathode Ray Tube，CRT）、真空荧光显示器（Vacuum Fluorescent Display，VFD）、场致发光显示器（Field Emission Display，FED）。VFD和FED阴极发出的电子束为阵列式排列，可以实现点扫描和平板封装，并且功耗低于CRT。FED和VFD的主要特点是显示装置的上下玻璃基板贴合后抽成真空状态，阳极基板上沉积荧光粉层，在电子束的轰击下产生可见光发射。FED是由冷阴极电子轰击荧光粉发光。VFD是由热电子轰击荧光粉发光，发光机理类似于阴极显像管CRT。表1-1比较了CRT和VFD、FED的基本特点。CRT的阳极电压比较高（5～30kV），所以电子束轰击到荧光粉的穿透深度比较大，荧光粉发光效率比较高，并且可以在荧光粉层上沉积铝膜，维持荧光粉层的等电位特性。而VFD和FED因为采用平板化结构，所以阳极电压都比较低。电子束动能较小，轰击到荧光粉上透射深度小，发光效率低。同时，VFD和FED无法采用铝膜维持电位，因此荧光粉层电位受到二次电子发射特性的钳制。

1．VFD中的阴极射线发光及其发展

VFD是应用CRT显示原理而开发的平板显示技术，是数字化的CRT。封闭在CRT真空管中的电子枪发射电子，这些电子在阳极电压作用下打到荧光屏上激发涂敷在屏上的荧光粉发光。电子束在屏上的落点由偏转线圈控制，而发光的强度由电子束的强弱决定。虽然VFD的工作原理与CRT都是利用电子束激发荧光粉发光，但VFD不需要磁场对电子束进行偏转，所以它可以做得比较薄。这种工作方式造成的问题是它只能显示一些比较固定的图案，而CRT则可以显示不同内容的视频图像。

当荧光粉受到入射电子轰击时，会发射二次电子。二次电子的发射率δ随入射电子能量变化的曲线如图1-5所示。VFD中的阴极射线发光属于低能电子发光。在低能电子激发中，电子的穿透深度很小。VFD中阳极电压约为10V，加速后电子的能量小于Ecr1，即二次电子的发射率δ<1。大部分发光材料是绝缘的，在荧光粉层表面积累电子，导致荧光粉表面电位下降，产生排斥电场。只有当入射的电子能量大于Ecr1时，荧光粉表面才能保证正电位。绝缘体和半导体的Ecr1在20～50V。由于阳极电压低，电子不能穿过铝膜层，VFD不能像CRT一样在荧光粉层表面镀铝膜保持荧光粉面的电位，只能靠荧光粉本身良好的导电性能让积累的电子通过粉层流向阳极。

VFD的荧光粉发光部位集中在荧光粉粒的表面，深度约1nm。发光粉的粒径一般为几个微米，因而发光只限于发光粉的表面，要求VFD中使用的发光粉有比较好的表面发光效率。荧光粉应有良好的导电性，除本身是导电的物质外，还可以通过掺杂和加入细粒的导电物等手段来增加电导率。VFD的阳极位于荧光粉层后面，使入射的初始电子轰击并穿过荧光粉，再到阳极。本身导电的荧光粉有ZnO:Zn（蓝绿色光）、SnO2:Eu（红色光）、（Zn,Mg）O:Zn,Cl（浅黄色光）。在导电性差的荧光粉中加入In2O3微粒是改善导电性、获得更多低压荧光粉的有效方法。

在大量低压荧光粉中，ZnO:Zn 的发光亮度、效率和寿命最具优势。ZnO:Zn 的发光光谱几乎可以覆盖整个可见光范围。1967年发明的第一只VFD器件，就是用ZnO:Zn作为荧光粉。对阳极电压12V就正常发光的ZnO:Zn来说，电子渗入发光体内很浅。低能电子荧光粉的发光亮度与激发电子的能量和数量的乘积成正比。VFD的阴极工作于空间电荷限制区，并且阳极和栅极的开通电压（VA和VG）通常相同，这时的阳极电流IA使用5/2次方定律。因此，发光亮度L表示为

发光亮度与阳极电压的5/2次方成正比，阳栅电压对亮度的影响很大。

2．FED中的阴极射线发光及其发展

FED发光原理与CRT类似，都是在真空中让电子撞击荧光粉发光。FED是一种在真空环境下使用场发射阴极来轰击荧光粉涂层实现平面显示的显示技术。FED中的阴极射线发光原理为：在发射与接收电极中间的真空带中导入高电压以产生电场，在电场作用下，阴极发射材料放出电子，在电场的加速作用下，电子以一定的动能轰击到沉积在接收极的荧光粉层上，产生发光效应。

场致电子发射的本质是量子隧穿过程。当在固体表面外加强电场时，固体表面的势垒高度降低，宽度变窄。当势垒的宽度与固体中电子的波长相近时（约1nm），固体中的电子不必吸收额外的能量就能以量子隧穿的形式穿过势垒发射到真空中。场致电子发射可以提供高达107A/cm2的发射电流密度，并且不需要经过预热，没有发射时间的迟滞效应。1928年，R.H.Fowler和L.W.Nordheim共同提出了场发射电极理论，给出了金属场致发射的电流与电场的关系，即Fowler-Nordheim公式：

式中，J为场致发射电流密度（A/cm2），F为金属表面的电场强度（V/cm），为金属表面的功函数（eV），A和B为常数。

FED所用的荧光粉发光性能与合成过程，与发光材料基质里产生的结构缺陷和杂质缺陷有关。电子束轰击绝缘体荧光粉时，荧光粉中发生的各种物理过程如图1-6所示。电子束轰击荧光粉后在荧光粉中产生二次电子、背散射电子、X射线、电子−空穴对和声子等。电子束要激发荧光粉发光，首先要穿透惰性层，然后才能激发荧光粉发光。惰性层来自荧光粉的不稳定分解。惰性层及其表面的一些缺陷会造成电子的非辐射复合，影响荧光粉的发光效率。提高荧光粉的稳定性以减少惰性层，减少材料中的点缺陷、晶界、杂质，提高荧光粉的表面质量，减少非辐射表面复合中心都可以提高荧光粉的发光效率。

FED的核心是阴极结构的制作。根据阴极材料或结构的不同，形成了多种场发射显示技术。1968年，MIT利用微电子工艺研制成功金属钼微尖场发射阵列。1976年，C.A.Spindt提出了以半导体制程技术研发出场发射电极元件，开始运用场发射电子作为显示器技术。1991年，法国LETI公司展出了世界上第一款运用场发射电极技术制成的FED样机。

FED与CRT的不同之处在于：①FED采用表面功函数较低、电子势很小甚至为负值、电场增强因子高的材料作为冷阴极，在外加电场作用下产生场致电子发射，不但降低了功耗，还可以瞬时发射电子；②FED冷阴极的面状电子发射源通过平板化和矩阵驱动使电子直接向前射出到对应的RGB像素形成显示画面，质量和体积都大大降低，属于平板化的多电子枪CRT；③采用平板结构的FED加速电压一般小于10kV。为了实现相同的亮度，采用高加速电场电压的CRT的电子束电流很小，而采用低加速电压的FED的电子束电流很大。不过，FED阳极电压只有几百伏，不会产生类似CRT的X射线。