Již za svítání televizní techniky snili inženýři o úzkých a plochých obrazovkách, které by měly přinejmenším stejné dobré vlastnosti, jako ony objemné a neskladné tehdy (i dnes) vyrábějící se obrazovky. Znamená to plný rozsah barev a šedi, vysoký jas, účinnost, široký úhel dívání a vysoké obnovovací frekvence. Samozdřemě by obrazovky měly být také úzké, lehké a pracovat s minimálním příkonem. Obrazovky typu FED (Field Emmision Display) by právě tyto výhodné vlastnosti měly prozatím spňovat. Takové základní aplikace těchto obrazovek jsou na následujícím obrázku.

Po nějaký čas je již vize v budoucnosti obrazovek LCD - jistě všem doře známé displeje z tekutých krystalů. Dobrou vlastností těchto displejů jest plochý a "poměrně" úzký tvar. Bohužel i u LCD nacházíme řadu kritických míst jako omezená pracovní teplota, malý zorný úhel, "lenivá" odezva na rychle se měnící obrázky. Jsou také známé další typy plochých displejů jako elektroluminiscenční a plazmové. Vše je srovnáno v následující tabulce.

Obrazovky s polní emisí (dále jen FEDy) mají opravdu velmi mnoho společného s klasickou obrazovkou, kterou známe z dnes obyčejné televize. Tato obrazovka má také anglické označení - CRT (cathode-ray tubes). V obou případech katody vystřelují elektrony ve vakuu směrem k luminoforové vrsvě, která pod dopadem elektronů začne světélkovat. FEDy ale mají mnoho prostoru k dalšímu zdokonalování. Dnes má již FED stejnou (materiály z roku 1997) úroveň jasu jako klasické CRT. "Plochostí" a "štíhlostí" je zase srovnatelný s LCD. Šířka dnes již 3,5 mm! V shrnutí jde pravděpodobně o nejlepší kombinaci rysů CRT s nejužším a lineárním plochým panelem. Viz následující obrázek.

Pro ilustraci: FEDy nepoužívají žhavenou katodu jako CRT, ale místo toho zde záleží na tzv. polní emisi (někdy též studená emise) z pole malých emitorů (microtips). Tyto emitory mají tvar jakéhosi kužele, který spolu s blízkostí hradlové elektrody (gate electrode) zajistí vysoké elektrostatické pole na špičkách jednotlivých emitorů, což umožní onu studenou emisi elektronů. Na jeden pixel se používá v současné době více paralelně spojených takovýchto emitorů. Protože tyto špičky emitorů jsou velmi blízko stínítka, není zde nějaké zakřivování dráhy paprsku, podobně jako u CRT. Proto zde podobně jako u LCD odpadají problémy s linearitou, konvergencí a zarovnáváním obrazu. Elektrony potom dopadají na stínítko (anodu) s luminoforem (podobně jako u CRT) a výsledný obrázek je jasově srovnatelný s dnešními CRT obrazovkami. Dodejme ještě, že provozní napětí u FED se pohybuje v rozsahu 300-5000V, oproti CRT, kde jak známo jsou hodnoty 15-30kV. Princip funkce FEDů s nespínanou anodou a LCD vysvětluje následující obrázek.

Proč FEDy?

Od doby, kdy byl první FED displej představen skupinou, vedenou Robertem Meyerem v LETI (Laboratoire d'Electrotechnique, de Technologie et d'Instrumentation - v Grenoblu), vše apelovalo ještě k většímu vývoji v této oblasti. Seznamy výrobců obrazovek, jež věřily, že tato nová technologie mnohem lépe uspokojí požadavky zákazníků se neustále prodlužovaly. Veškeré již výše zmíněné výhody těchto displejů dávaly investorům víru, že v roce 2000 budou moci FED displeje plně konkurovat displejům z tekutých krystalů (LCD). A to v použití coby počítačové monitory, televizní soustavy, části elektrických hudebních nástrojů, v automobilové a letecké technice a ve videokamerách.

Ujasnění některých termínů:

I když FED emituje elektrony na luminofor podobně jako klasické CRT, je zde obrovský rozdíl v počtu zdrojů, emitujících elektrony. Zatímco u CRT pozorujeme pouze tři elektronová děla (pro každou barvu jedno - systém RGB), zde jak je již výše uvedeno je v celém poli obrazovky rozloženo několik miliónů mikrokatod - emitorů. Ty jsou vyrobeny z křemíku, molybdenu, oxidů palladia, diamantu (uhlíku) nebo z mnoha dalších materiálů.

U CRT obrazovky je žhavená katoda kvůli produkci elektronů, které jsou zaostřeny dělem a urychleny k anodě. Cívka vně obrazovky potom celý paprsek elektronů vychyluje tak abycom viděli celý obrázek rovnoměrně po celé obrazovce. Právě kvůli potřebnému prostoru pro magnetické pole k onomu "ohýbání" paprsku elektronů musíme použít rozměrnou ("tlustou") obrazovku. Znovu opakuji, že anodové napětí těchto obrazovek bývá v rozsahu 15-35kV.

U FED displeje jsou elektrony produkováni již výše zmíněnou studenou emisí v literatuře známou pod pojmem "cold-cathode emission". Vždy několik emitorů je přiřazeno k jednotlivému pixelu, a tak zde nemůžeme mluvit o jednoduchém paprsku, ale o celém svazku elektronů. Elektrony jsou vypušťeny z katody, právě když je potenciál mezi emitory a řídící elektrodou o málo menší než 100V. Elektrony jsou dále urychlovány k luminoforem potaženému stínítku, které je na potenciálu mezi 300-10000V proti emitoru. Díky tomuto mechanismu nepotřebuje FED displej k funkci nikterak rozměrný prostor, jako je výše uvedeno u CRT obrazovky. Způsob adresování jednotlivých bodů a základní funkce FEDů jsou zobrazeny na následujícím obrázku.

Jak se FED rozzáří:

Obrázek vzniká stejně, jako u CRT nárazem elektronů o luminoforové stínítko. Takto vznikne světélkující bod. Ten je následkem buzení a následujícímu uvolnění molekul dávajících světlo (známých také jako aktivní složky) v tomto anorganickém materiálu.

Katodoluminiscenční luminofor je využíván u CRT po desetiletí. Velká většina se upravovala pro použití s elektronovými paprsky urychlenými na 10-30kV - to samozdřejmě nelze použít. Celý rozsah elektrostatického pole je udržován v úzké mezeře mezi katodou a anodou. Účinnost luminoforu roste s energií elektronů na něj dopadajícich. Z tohoto plyne, že větší jas displeje získáme zvýšením anodového napětí.

Dalším důvodem proč zrovna luminofor jest jeho schopnost dávat světlo v barvách, na které je lidské oko nejcitlivější. I luminofor má svůj saturační bod (proudová saturace)- znamená to, že po dosažení tohoto bodu je již další zvyšování proudových hustot neúčinné a svítivost naopak klesá. S rostoucím napětím tedy jas roste jas, a proto je zachován i s menší proudovou hustotou.

Efektivní proudová hustota tvoří další rozdíl mezi světlem generovaným CRT a FEDem. U CRT je každý pixel adresován v běhu paprsku po dobu ne delší, než několik nanosekund. U FEDu je celý řádek pixelů adresován najednou. Jednotlivé body zde setrvají řádově mikrosekundy. To je také důvodem pro použití jiného luminoforu než u CRT. Jinými slovy zde použijeme luminofor s podstatně kratší dobou dosvitu, než tomu je u CRT. Nevýhodou těchto luminoforů je nižší žovotnost. Nízkovoltové FEDy používají vyšších proudových hustot k snížení excitačního napětí. Ony proudové hustoty mají za následek rychlejší degradaci luminoforu. Řešením jsou pak nízkovoltové luminofory, které jsou mnohem účinnější.

Jedním z těchto luminoforů je modrozelený ZnO:Zn, důvěrně známý z vakuových fluorescenčních displejů. Jenže je monochromatický. Barevný luminofor z řady vysoce efektivních a nízkovoltových zatím nalezen nebyl. Jinak jsou dostubné RGB luminofory s operačním napětím přes 1000V. Výše uvedené monochromatické FED displeje mají v současné době svítivost okolo 250 cd/m a životnost 10000 hodin.

Režim spínané anody:

Volba anodového napětí má také vliv na způsob adresování anod a katod. Pro celobarevný FED byly vyvinuty dva způsoby adresování: se spínanou anodou a s nespínanou anodou. Ta první možnost má několik variant. My si však zde uvedeme tu nejpoužívanější. V obou případech adresování je luminofor jednotlivých základních barev (R-G-B) realizován jako proužky. Tyto proužky pak v případě spínané anody jsou vybírány postupně. Znamená to, že na vykreslení celého pixelu musíme třikrát přepnout anodu - vždy pro jednu ze základních barev. Čistota barev je zde zaručena, protože elektrony putují vždy jen k vybrané elektrodě. To přináší poměrně obrovskou výhodu v jednoduchosti technologické výroby. Naopak nevýhoda tohoto uspořádání je limitace anodového napětí průrazným napětím mezi jednotlivými pásky luminoforů. Rychlost dat je zde poměrně omezena nutností vždy třikrát přepnut při vykreslení jednotlivého pixelu. Je zde možný také rozpad barev při použití nízké přepínací frekvence. A zapomenout také nesmíme na nutnost nějakého složitějšího ovládacího zařízení a extra videopaměti.

Režim nespínané anody:

Zde je vše naopak. Můžeme použít vyšší anodové napětí pro lepší jasové (účinnostní) výsledky. Vysokonapěťové FEDy jsou výrobnímy společnostmi vytvářeny pouze v tomto módu. Jednotlivým barevným proužkům je zde přiřazeno po katodě. Z toho plynou výhody snažšího přizpůsobení se současným videokartám (méně elektroniky) a vyšších obnovovacích frekvencích. Na druhou stranu (není růže bez trní) je zde mnohem větší náročnost na výrobu, zaostření může vyžadovat větší napětí a příliš mnoho emitorových pásků vedle sebe může způsobit kritické "rozhození" barev. Takový případ nespínané anody je uveden na následujícím obrázku.

Praktické spojení elektronického čipu a vakuového systému:

Dá se říci, že FEDy integrují společně novou a starou elektroniku. Zatímco katoda s luminoforem potaženou anodou jsou vyrobeny čistě mikroelektronickými technologiemi, obojí je integrováno s pomocí glass-to-glass technologií vakuového pouzdření podobně jako tomu je u starých známých elektronek. Samozdřejmostí při vývoji takovýchto technologií, jakou jsou FEDy jsou dobré znalosti a zkušenosti jak ze zpracování polovodičů, tak vakuového pouzdření včetně zvládnutí vysoké úrovně vakua a vysokých napětí působících v tak úzké mezeře.

Standartní výroba začíná realizací emitorové struktury a produkcí luminoforu pro anodovou desku. Dále se musí mezi anodu a katodu umístit jakési distanční tělíska pro zaručení pevnosti a požadované vzdálenosti nezi anodou a katodou displeje. Nakonec se vše utěsní a vysaje vzduch.

Pro barevné FED displeje, využívající princip nespínané anody musí být každý subpixel přesně přiřazen ke svému elektronovému emitoru kvůli správnému nasycení barev. Ovládací elektronika je pak umístěna na hranách displeje.

Výroba pole emitorů:

Volba vlastního materiálu pro katody FED displejů není jednoznačná. Firmy jako Motorola, PixTex, Raytheon, Futaba, FED corp., Samsung a Candescent Technologies volí katody založené na Molybdenu. Micron Display vidí výhody v plykrystalickém křemíku - dokonce na to má patentován proces chemicko - mechanického opracování (CMP - chemical metal polishing). Aby toho nebylo málo, používá se ještě katod diamanto-křemíkových (C-Si FEA). Porovnání z hlediska tvarů emitoru a závislostí Ia na Ug je na obrázku dole.

Výroba oněch kuželovitých emitorů (katod), jež jsou základem celého FED principu se provádí fotolitografií, a to způsoby od postupného odleptávání po nízkovoltovou iontovou implantaci. Zatím však výroba kuželových emitorů je stále problém. Vlastní tvar a výška se mění s tloušťkou SiO2 dielektrika, tloušťkou a složením hradlové elektrody, průměry a tvary kuželovitých emitorů, složením emitorů ,teplotou substrátu během nanášení emitorové vrstvy a ještě s půltuctem dalších faktorů. Ve většině případů jsou emitory z polykristalického křemíku nanášeny před vytvořením hradla. Jeden z postupů výroby emitorových špiček znázorňuje tento obrázek:

Protože výroba takovýchto zařízení je stále drahá, výzkum pokračuje v tzv. planárních emitorech, jako jsou uhlíkové (diamantové) blány a povrchově emitující dělové struktury jako SCE (Surface Conduction Emitter - povrchově vodivé emitory). Nyní se pracuje na hranových emitorech, umístěných na tenké bláně, což požívá mnohem reálnější metody zpracování polovodičů k výrobě emitorových polí.

Anoda:

Oba výše uvedené principy znamenají odlišnou výrobu anodového plátu. Pro spínanou anodu je transparentní vodič vzorovaný a leptaný, každým proužek téže barvy je galvanicky propojen. Od doby, co se používají na vodiči ony vzory, může se luminofor nanášet elektrofrézně. Pro nespínanou anodu se RGB luminofor vzoruje fotolitografií.

CRT luminoforová technika zahrnuje naprašování, usazování a odstřeďování. Vždy se používá fotolitografie a odstraňování luminoforu k produkci RGB pixelaté obrazovky. Na plochém povrchu, jako jsou FEDovské anody je fotolitografie jednodušší, než na zkřiveném skle u CRT obrazovky. Pro operační napětí okolo 4kV je již obrazovka FEDu pohliníkována, což zmírňuje nábojové hromadění a vylepšuje optickou účinnost a životnost luminoforu. Při hliníkování je luminofor potažen vrstvičkou laku a po nanesení hliníku je lak odstraněn.

Vakuování:

U FEDů se jedná o podobnou návrhovou strukturu pouzdra jako u LCD. Zde je však rozdíl v přítomnosti difuzéru a zářivky. Zatím není pořádně vyvinut způsob, jak celý komplex neprodyšně uzavřít a odčerpat vzduch. Nicméně se zatím používá následující způsob: Formovač vytvoří pouzdro FEDu s jakousi vyčnívající trubičkou, kterou je později vzduch odčerpán. Po odčerpání se trubička odtaví (podobně jako u CRT). Tím je tento proces ukončen.

Kvůli požadavkům nízké váhy a velkého zorného úhlu se používá velmi tenké sklo (0,7 - 1,1 mm). Skleněné desky anody a katody musí vydržet tlak nejméně jedné atmosféry. Pod takovouto silou se však tenké ploché sklo již od úhlopříčky 2cm začne prohýbat. To by samozdřejmě v nejlepším případě přinášelo problémy s rovnoměrností obrazu. Řešením jsou keramické distanční sloupky 50-75 mikromtrů široké, umístěné periodicky mezi anodovou a katodovou deskou. Tyto sloupky mívají tvar blížící se kulovému pro nízkovlotové displeje a tvar připomínající spíše jakési tyčky pro použití ve vysokovoltových barevných FEDech. Vyžadovaná elektrická pevnost distančních tělísek bývá 5V/um (tj. 5MV/m). Elektrony také nesmí být ovliňovány distančním sloupkem. Jinak dojde k ohýbání jednotlivých paprsků elektronů a celkové destrukci obrazu. LCD také obsahují tyto distanční sloupky, ale jsou mnohem menší a požadavky na ně nejsou ani zdaleka tak kritické.

Mnoho otázek okolo FEDů právě visí nad těmito distančními sloupky. Musí být mechanicky pevné, přizpůsobené okolnímu vakuu, a mít vysokou elektrickou pevnost. Dále je zde požadována co nejnižší elektrická vodivost kvůli spotřebě. Distanční trubičky musí bý samozdřejmě pro diváka (uživatele) nepostřehnutelné.

Požadavek vysoké úrovně vakua musí být rovněž splněn. Jinak totiž zbytky plynu mohou kontaminovat špičky emitorů a tím je "otupit". Špatný vliv to může mít také na luminofor.

Další možností, jak vakuovat FED krom konečného vysátí vzduchu, jest celý proces zapouzdřování provozovat ve vysokém vakuu.

Výstupní práce kovu

Polní emise je popisována kvantově-mechanickým tunelováním elektornů z povrchu kovu do vakua (odezva na vysoké elektrické pole). Elektrony musí překročit potenciálovou bariéru mezi rozhraním kov-vakuum ješře předtím, než sami mohou opustit povrch kovu. Tato bariéra se nazývá výstupní práce kovu a odpovídá potenciální bariéře mezi Fermiho hladinou (energetická úroveň volných elektronů) kovu a polem volného vakua.

Výstupní práce je povrchová vlastnost materiálu a záleží na elektronické struktuře a orientaci krystalové mřížky. Pro krystalický, atomicky hladký molybden (jeden z nejpoužívanějších materiálů pro katody FED) je výstupní práce od 4.36 eV - povrch <112> do 4.95eV - povrch <110>.

V přítomnosti vysokého elektrostatického pole je pásová struktura ektronů v potenciálové jámě modifikována. Výsledek pak ukazuje obrázek. Čistý efektivní potenciál elektronů ve vzdálenosti x od povrchu kovu je dán součtem následujících tří okolností: povrchový potenciál, potenciál způsobený elektronovou interakcí s aplikovaným elektronovým polem, a elektronovou iterací s obrazem náboje naindukovaným na povrchu kovu. Pro kovy s výstupní prací 4.5eV, šířka tunelové bariéry probíhá od 4.5 nm pro E=3x107 V/cm do 0.45 nm pro E=3x108 V/cm. Jak jde šířka bariéry blíže ke kvantově mechanicky nepravděpodobné pozici elektronů, elektrony očekávaně tunelují bariéru. Pro intenzity pole větší jak 3x107 V/cm je pozorován proud díky tunelovacim elektronům.

Charakteristiky elektronové emise těchto katod závisí na Fowler-Nordheimovy rovnici, která srovnává hustotu emisního proudu , velikost aplikovaného elektrického pole, výstupní práci emisního povrchu a geometrii emitoů. Sledováním změn hodnot mezi emisním proudem a aplikovaným napětím můžeme vidět změny tvaru emitující špičky a výstupní práce. Následující obrázek ukazuje toto monitorování:

Intenzita pole závisí na tvaru a geometrii emitorové špičky. Souvisí spolu také aplikovaný potenciál V mezi emitorovou špičkou a extrakční elektrodou (hradlem) jako součín potenciálu s rozšiřujícím faktorem b, vyděleným vzdáleností mezi katodou a hradlem. Pro emitaci více elektronů při aplikovaném nízkém napětí je potřeba nízká výstupní práce a vysoké b.

Použitá literatura:

• časopis SPECTRUM 4/1998, článek FED up with fat tubes (str. 42)
• http://smdl.snu.ac.kr/Research/fed/

Jako semestrální práci FEL ČVUT pro předmět nse zpracoval Pavel Štemberk