场发射显示器中的电子光学系统虚拟仿真实验

2017-12-15王小菊祁康成曹贵川

实验室研究与探索 2017年11期

关键词：栅极电子束阴极

王小菊，邓江，祁康成，曹贵川，敦涛

(1.电子科技大学光电信息学院，成都 610054； 2.成都信息工程大学光电技术学院，成都 610225)

场发射显示器中的电子光学系统虚拟仿真实验

王小菊1，邓江2，祁康成1，曹贵川1，敦涛1

(1.电子科技大学光电信息学院，成都 610054； 2.成都信息工程大学光电技术学院，成都 610225)

对场致发射显示器件(FED)中电子光学系统的仿真实验提出了一套完整的设计方案。利用计算机模拟软件EBS对FED电子光学系统进行建模，实现了对极间各处电位分布、电场强度大小、电子束轨迹、阳极束斑尺寸的模拟，并以直观的形式对模拟结果做出了展示。学生通过该仿真实验可深刻理解FED结构、工作原理及场发射现象的基础知识。该仿真模型也可用于其他场发射器件。

场发射显示；电场强度；电子束轨迹；阳极束斑

0 引言

随着科学技术的发展，人们对高清晰平板显示器的需求变得越发迫切，而可实现高清晰的平板显示技术主要包括有机电致发光显示(OELD)[1-4]、液晶显示(LCD)[5-7]和场致发射显示(FED)等。其中，场致发射显示器件的基本原理与传统的阴极射线管(CRT)极为相似，这导致了FED兼有CRT的高画质和LCD显示器件的超薄、低功耗的特点。FED被认为是CRT的继承者，得到国内外研究人员的广泛关注[8-11]。FED的工作原理是在外加强电场作用下，阴极发射电子，在特殊的电子光学系统作用下，电子轰击荧光屏，启动荧光粉而发光。可以看出，作为FED的核心部件，阴极及相关的电子光学系统起着至关重要的作用。

信息显示是光电子学科的重要组成部分，而对与场发射相关的基础知识的掌握更是电子信息类高校的基本要求。场发射现象以电子隧道效应为基础，深刻地诠释了量子力学、固体物理及半导体物理中涉及到的各类知识要点。然而，目前国内高校在本科教学实验课程中，几乎没有涉及到FED相关的教学内容，其原因在于场发射显示器中电子光学系统制作成本高、加工繁琐、实现困难。要使学生深刻理解FED结构、FED工作原理及隧道效应，建立一套基于场发射显示器的电子光学系统虚拟仿真实验就显得尤为重要。

在设计该仿真实验时，可按照图1所示的流程图进行操作。

图1 FED电子光学系统虚拟仿真实验设计流程图

基于上述因素，本文利用计算机模拟软件(Electron Beam Simulation,EBS)对FED中的电子光学系统进行模拟仿真，实现了对FED中电子光学系统的建模和对系统中电子束轨迹、极间各处电场强度及上靶电子束斑形状的全面展示。通过直观形象的图像，使学生加深对FED显示器件和FED中电子光学系统的基本原理的理解。

1 模拟平台

EBS是一款三维带电粒子模拟软件。在计算静电场的过程中，主要用有限差分法求解拉普拉斯方程。计算前给出区域边界条件，然后通过划分区域内的网格，利用离散网格点电位值来描述空间电场电位的连续变化。

EBS的计算过程大致分为三大步骤：①建立电子枪三维几何结构；②计算静态电磁场分布；③计算电子轨迹，并获得关键工作参数。其中，计算采用超松弛迭代求解泊松方程，得到电场分布，随后根据计算结果采用四阶龙格库塔法求解电子轨迹。

2 物理模型

首先建立场发射显示器中电子光学系统的物理模型，如图2所示。其中，忽略了SiO2介质层的影响。考虑到系统结构的轴对称性，只画出了1/2二维剖面图。初步设置的几何参数为：阴极发射体锥底半径为0.5 μm；发射体高度为1.2 μm；微尖锥曲率半径为20 nm；栅极孔半径为0.5 μm；栅极厚度0.2 μm；假定锥尖位于栅孔中心；阳极距阴极底部为10 μm；栅极电位VG=70 V，阳极电位VA=600 V。

本文利用EBS软件实现场发射显示器电子光学系统的三维建模。EBS提供了多种图形语言，用户通过选择合适的图形语句，可以画出自己所需的电极结构。本文设计的电子光学系统包括3个电极，分别是阴极尖锥发射体、栅极和阳极(荧光屏)。由于阴极发射体锥尖尺寸为纳米量级，而其余电极结构尺寸为微米量级，二者尺寸相差较大，为了尽可能精确地做出电极结构，采用分模块作图和计算的方法。即将发射体和栅极之间的区域作为第1模块，将栅极和阳极之间的区域作为第2模块来处理。在FED电子光学系统的模拟中，采用由细网格向粗网格、由内向外进行迭代运算。其中，第1模块发射体锥尖处的网格加密，以精确呈现锥尖处纳米级的微凸起。

图2 场发射显示器电子光学系统简化模型

建模后，计算空间内的电磁场部分及电子轨迹。得到的结果主要包括：场发射显示器电子光学系统中各处的电位分布、各点的电场强度大小、极间电子轨迹形状和阳极束斑形状分布。

3 仿真结果

3.1 FED电子光学系统的等位线和电子轨迹

在图2所示的初始几何结构参数下，通过运行EBS程序，得到图3所示的等位线分布和电子轨迹图。其中，与x轴近似平行的一族曲线为等位线，而呈抛物线形状的另一族曲线为电子发射轨迹。可以看出，越接近尖锥处电位线分布越密集，电场强度越大，且电位线分布形状大致近似于锥体；远离锥尖约1 μm时，等位线几乎与阳极板平行，形状与平板二极管的极间电位分布几乎一致。从EBS计算结果还可以直接读出，尖锥表面电场强度大约为2.5 GV/m，达到了场致电子发射所需的理论值。

图3 等位线分布和电子轨迹模拟结果图

进一步观察图中的电子轨迹曲线，电子受到强电场的作用，在阴极尖锥表面发生隧穿逸出到发射体外，在向阳极行进过程中逐渐偏离对称轴呈发散状，最终在阳极高压的作用下，加速轰击到阳极板上。电子束发散的原因主要有两点：一是由于空间电荷效应，大电流密度产生的空间电荷力使电子束有自然发散的趋势；二是发射体锥尖处的辐射状电场，最终使阴极产生的电子束发散角约为50°[12]。

3.2 FED电子光学系统的阳极电子束斑

FED阳极截获电子束斑形状如图4所示。由图可以看出，在FED电子光学系统中，阳极截获电子束斑直径约为5 μm，电子束斑的能量分布近似于正态分布，主要的能量集中于阴极尖锥轴线附近；远离阴极尖锥轴线区域时，电子束的能量急剧下降。电子束斑能量不均匀的原因主要是由于电子束的发散角引起的。根据前面的分析，对于简单的三极管结构，由于空间电荷效应及发射体锥尖辐射状电场的影响，很难得到层流性很好的平行电子注。为了解决这一难题，目前出现了很多特殊的电子光学系统结构，如紧贴聚焦、双门聚焦结构和同心圆环型场发射阵列阴极结构[13-14]。

图4 阳极束斑模拟结果图

3.3 栅极电压对发射性能的影响

场发射器件工作时，往往通过调节栅极电压来调整工作电流。考察了栅压对尖锥电场强度以及阳极束斑直径的影响，如图5所示。可以看出，栅极电压对阳极电流和束斑尺寸的影响很大。当栅极电压从50 V增大到90 V时，锥尖场强从1.78 GV/m增加到2.18 GV/m。根据F-N公式，

图5 尖端表面电场及阳极束斑直径与栅极电压的关系

(1)

式中:j为阴极发射电流密度；E为锥尖电场强度，φ为阴极逸出功。根据式(1)，代入常用的钼尖锥场发射体逸出功(4.24 eV)，计算出栅压为50 V和90 V的锥尖发射电流密度分别为1.66 A/m2和800 A/m2，即增大了482倍。

此外，当栅压从50 V增大到90 V时，阳极束斑直径从4.2 μm增加到6.6 μm。通常，研究人员在设计FED电子光学系统结构时，主要考虑阳极电流和束斑尺寸，因此，在选择栅极电压时要综合考虑二者的大小。

3.4 栅孔直径对发射性能的影响

图6所示给出了在初始结构参数下，栅孔直径为0.6 μm～2.0 μm时的锥尖电场强度和阳极束斑直径。可以看出，随着栅孔直径的增大，阴极锥尖电场强度与阳极束斑尺寸均减小，且栅孔越小，二者降低速率越快。根据F-N公式，阴极发射电流密度主要取决于锥尖电场强度和阴极逸出功。目前，为了提高阴极发射性能，国内外许多研究报道着重于改善栅极开口半径和结构[15-16]。

图6 尖端表面电场及阳极束斑直径与栅孔直径的关系

分析栅孔直径对尖端表面电场及阳极束斑直径的影响：一方面，栅孔越小，栅极与阴极发射尖端的距离越近，锥尖电场强度增大；另一方面，阴栅距离的缩小会使得阴极的发射区域变大，增大发射电流；同时会使从阴极上逸出的电子横向速度增大，使得电子束发射，增大了阳极束斑。综上，设计时需要选择合适的栅极开口半径，一方面要考虑减小孔径尺寸，以增大发射电流；另一方面，又要考虑栅极开口半径过小会使得电子束变得发散，必须保持二者之间达到平衡。

3.5 发射体高度对发射性能的影响

在场发射阴极制备过程中，由于受工艺影响，基片表面上百万个尖锥的高度不可能完全一致。本文模拟了发射体高度对阴极表面电场及阳极束斑的影响，如图7所示。

图7 尖端表面电场及阳极束斑直径与发射体高度的关系

可以看出，与栅极电压对锥尖电场的影响相比，当阴极、栅极与阳极位置固定时，发射体高度的变化对锥尖场强的影响不是很大。如，当阴极高度由1.7 μm增加到1.8 μm时，锥尖电场强度由2.16 GV/m增加到2.25 GV/m，对应钼尖的发射电流密度分别为0.1 A/cm2和0.27 A/cm2，即增大了2.7倍。根据

E=βV

(2)

式中，E为锥尖电场强度，β为发射体场增强因子。β与阴极形状密切相关。在固定锥底半径不变的情况下，发射体高度的增加会使得发射体的场增强因子增大，因此发射电流增大。此外，根据图7(b)，发射体高度的增加同时会带来阳极束斑直径的增大。其原因可能在于锥尖表面电场强度的增强使得锥体表面发射电子区域变大，因此，束斑增大。

4 结语

FED是一种非常重要的新型平板显示器件及技术，本实验充分考虑了显示技术专业的需求，建立了基于科学研究的教学实验平台。对FED中电子光学系统的仿真实验提出了一套完整的设计实施方案，利用计算机模拟软件EBS对FED中的电子光学系统进行了模拟仿真，实现了对FED中电子光学系统的建模，并以直观的形式对模拟结果做出了展示。通过计算机模拟仿真，可在大大减小FED显示器件设计制作所需的实验成本基础上，使学生深刻理解并掌握FED结构、工作原理及场发射现象的基础知识。学生做仿真实验时，还可以调整其他各类结构参数(锥尖曲率、阴-栅距、阳极电压等)。该仿真模型也可用于其他场发射器件，如场发射X光管、场发射行波管等。

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VirtualSimulationExperimentofElectronicOpticalSysteminFieldEmissionDisplay

WANGXiaoju1,DENGJiang2,QIKangcheng1,CAOGuichuan1,DUNTao1

(1. School of Opto-Electronic Information, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China; 2. College of Optoelectronic Technology, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China)

A simulation program of electronic optical system of field emission display(FED) is designed in this paper, the design is modeled by computer simulation software called EBS. The simulations of electric field distribution, electric field strength, electron beam trajectory and anode beam spot size are realized, and the simulation results are displayed in an intuitive way. Through the simulation experiments, students can deeply understand the structure and working principle of FED, as well as field emission phenomenon. The simulation model can also be used for other field emission devices.

display of field emission; electric field strength; electron beam trajectory; anode beam spot