發(fā)光材料與器件基礎(chǔ)第五章課件

發(fā)光材料與器件基礎(chǔ)3/14/20231電信系光電工程專(zhuān)業(yè)第五章各種照明器件5.1熒光燈5.1.1熒光燈的結(jié)構(gòu)及原理熒光燈屬于放電光源，是靠低壓汞蒸氣放電，利用放電過(guò)程中的電致發(fā)光和熒光質(zhì)的光致發(fā)光，形成光源。它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、價(jià)格便宜并且發(fā)光效率高、光色好、壽命長(zhǎng)。常見(jiàn)的普通熒光燈是圓形截面的直長(zhǎng)玻璃管子。在管子兩端各放一個(gè)電極。3/14/20232電信系光電工程專(zhuān)業(yè)5.1熒光燈熒光燈即低壓汞燈，它是利用低氣壓的汞蒸氣在放電過(guò)程中輻射紫外線(xiàn)，從而使熒光粉發(fā)出可見(jiàn)光的原理發(fā)光，因此它屬于低氣壓弧光放電光源。熒光燈內(nèi)裝有兩個(gè)燈絲。燈絲上涂有電子發(fā)射材料三元碳酸鹽（碳酸鋇、碳酸鍶和碳酸鈣），俗稱(chēng)電子粉。在交流電壓作用下，燈絲交替地作為陰極和陽(yáng)極。燈管內(nèi)壁涂有熒光粉。管內(nèi)充有400Pa-500Pa壓力的氬氣和少量的汞。通電后，液態(tài)汞蒸發(fā)成壓力為0.8Pa的汞蒸氣。在電場(chǎng)作用下，汞原子不斷從原始狀態(tài)被激發(fā)成激發(fā)態(tài)，繼而自發(fā)躍遷到基態(tài)，并輻射出波長(zhǎng)253.7nm和185nm的紫外線(xiàn)(主峰值波長(zhǎng)是253.7nm，約占全部輻射能的70-80％；次峰值波長(zhǎng)是185nm，約占全部輻射能的10％)，以釋放多余的能量。熒光粉吸收紫外線(xiàn)的輻射能后發(fā)出可見(jiàn)光。熒光粉不同，發(fā)出的光線(xiàn)也不同，這就是熒光燈可做成白色和各種彩色的緣由。由于熒光燈所消耗的電能大部分用于產(chǎn)生紫外線(xiàn)，因此，熒光燈的發(fā)光效率遠(yuǎn)比白熾燈和鹵鎢燈高，是目前最節(jié)能的電光源。熒光燈管中是壓力約為0.8Pa的汞蒸汽，在電場(chǎng)作用下放電，在放電過(guò)程中，汞原子的價(jià)電子不斷地從原始狀態(tài)被激發(fā)成激發(fā)態(tài)，同時(shí)又激發(fā)態(tài)自發(fā)的返回到基態(tài)，將價(jià)電子的為能轉(zhuǎn)化為電磁輻射能，并輻射初3.7nm的紫外線(xiàn)（另外還約有10%的85nm的短波紫外線(xiàn)）。屠夫載波管內(nèi)壁上的熒光粉吸收353.7nm的紫外線(xiàn)，把它轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光。3/14/20233電信系光電工程專(zhuān)業(yè)5.1熒光燈（1）熒光燈的工作原理熒光燈需要鎮(zhèn)流器和啟輝器才能正常工作。（2）熒光燈的工作特性熒光燈的電流分為額定工作電流和額定啟動(dòng)電流兩項(xiàng)。額定工作電流根據(jù)燈管功率、燈管結(jié)構(gòu)和電流密度而定。額定啟動(dòng)電流是啟動(dòng)時(shí)預(yù)熱燈絲的電流，它比額定工作電流大。在工作電流下，燈管上產(chǎn)生的電壓降是熒光燈的管電壓。3/14/20235電信系光電工程專(zhuān)業(yè)5.1熒光燈熒光燈的接線(xiàn)圖3/14/20236電信系光電工程專(zhuān)業(yè)5.1熒光燈5.1.2燈用熒光粉的發(fā)展1938年G.E.Inman制成了直接用于照明的熒光燈，使用了三種不同發(fā)光色的第一代熒光粉(1938-1948年)：藍(lán)（CaWO4）,綠（Zn2SiO4:Mn2+），紅（CdB2O5:Mn2+）1944年英國(guó)的A.H.Mckeay發(fā)明了照明使用的鹵素?zé)晒夥郏浩渲谢瘜W(xué)通式：M5X(PO4)3:Sb3+,Mn2+；其中M為堿土金屬離子，X為鹵素，Sb3+,

Mn2+為激活劑。1966年發(fā)明用的稀土熒光粉：具有以下幾個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)。1、窄帶發(fā)射，發(fā)射能量可集中在特定的波長(zhǎng)范圍；2、短紫外（185nm）輻射下穩(wěn)定性好。3、高溫下能夠維持較高的發(fā)射強(qiáng)度。3/14/20237電信系光電工程專(zhuān)業(yè)5.2半導(dǎo)體發(fā)光顯示器件（LED）WhatisLED?Lightemittingdiodes,commonlycalledLEDs,areusedfordozensofdifferentapplicationsandarefoundinallkindsofdevices(digitalclocks,remotecontrols,lightupwatchesandtellturnedonindicator).Televisionscreen3/14/20239電信系光電工程專(zhuān)業(yè)5.3.1P-N結(jié)發(fā)光原理3/14/202310電信系光電工程專(zhuān)業(yè)由于少數(shù)載流子在電場(chǎng)作用下能量增加，這些載流子在同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)區(qū)的注入與復(fù)合而產(chǎn)生的發(fā)光叫做結(jié)型電致發(fā)光（又稱(chēng)注入式電致發(fā)光）。概據(jù)這種發(fā)光現(xiàn)象制成的發(fā)光器件稱(chēng)為結(jié)型電致發(fā)光顯示器件。

用P-N結(jié)電致發(fā)光原理制成的發(fā)光二極管是在60年代末得到迅速發(fā)展的。LED是注入式電致發(fā)光顯示器件的典型。5.3.1P-N結(jié)發(fā)光原理3/14/202311電信系光電工程專(zhuān)業(yè)5.2.2LED的伏安特性開(kāi)啟電壓與材料有關(guān)，對(duì)于GaAs是1.0V；GaAs1-xPx、Ga1-xAlxAs大致是1.5V；發(fā)紅光的GP是1.8V，發(fā)綠光的GaP是2.0V。反向擊穿電壓一般在-5V以上。3/14/202313電信系光電工程專(zhuān)業(yè)5.2.3、亮度與電流關(guān)系在低電流密度下，m=1.3~1.5；在高電流密度下，擴(kuò)散電流起支配作用，m≈1。自發(fā)輻射情況下

由于存在非輻射復(fù)全以及隧道電流

3/14/202314電信系光電工程專(zhuān)業(yè)2.4、LED的驅(qū)動(dòng)（2.4）3/14/202315電信系光電工程專(zhuān)業(yè)5.2.6單色光LED的種類(lèi)及其發(fā)展歷史最早應(yīng)用半導(dǎo)體P-N結(jié)發(fā)光原理制成的LED光源問(wèn)世于20世紀(jì)60年代初。當(dāng)時(shí)所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（λ=650nm），在驅(qū)動(dòng)電流為20毫安時(shí)，光通量只有千分之幾個(gè)流明，相應(yīng)的發(fā)光效率約0.1流明/瓦。70年代中期，引入元素In和N，使LED產(chǎn)生綠光（λ=555nm），黃光（λ=590nm）和橙光（λ=610nm），光效也提高到1流明/瓦。到了80年代初，出現(xiàn)了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達(dá)到10流明/瓦。90年代初，發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍(lán)光的GaInN兩種新材料的開(kāi)發(fā)成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區(qū)（λ=615nm）的光效達(dá)到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域（λp=530nm）的光效可以達(dá)到50流明/瓦。3/14/202317電信系光電工程專(zhuān)業(yè)5.2.7、單色光LED應(yīng)用最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來(lái)各種光色的LED在交通信號(hào)燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。以12英寸的紅色交通信號(hào)燈為例，在美國(guó)本來(lái)是采用長(zhǎng)壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產(chǎn)生2000流明的白光。經(jīng)紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設(shè)計(jì)的燈中，Lumileds公司采用了18個(gè)紅色LED光源，包括電路損失在內(nèi)，共耗電14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。3/14/202318電信系光電工程專(zhuān)業(yè)汽車(chē)信號(hào)燈也是LED光源應(yīng)用的重要領(lǐng)域。1987年，我國(guó)開(kāi)始在汽車(chē)上安裝高位剎車(chē)燈，由于LED響應(yīng)速度快（納秒級(jí)），可以及早讓尾隨車(chē)輛的司機(jī)知道行駛狀況，減少汽車(chē)追尾事故的發(fā)生。另外，LED燈在室外紅、綠、藍(lán)全彩廣告顯示屏得到了廣泛的應(yīng)用。5.2.7單色光LED應(yīng)用3/14/202319