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1、发光材料与器件基础发光材料与器件基础西安邮电学院电信系光电工程专业8/22/20241电信系光电工程专业第五章第五章 各种照明器件各种照明器件5.1 5.1 荧光灯荧光灯5.1.1 5.1.1 荧光灯的结构及原理荧光灯的结构及原理 荧光灯属于放电光源，是靠低压汞蒸气放电，利用放荧光灯属于放电光源，是靠低压汞蒸气放电，利用放电过程中的电致发光和荧光质的光致发光，形成光源。电过程中的电致发光和荧光质的光致发光，形成光源。l它的优点是：结构简单、制造容易、价格便宜并且发光它的优点是：结构简单、制造容易、价格便宜并且发光效率高、光色好、寿命长。常见的普通荧光灯是圆形截面效率高、光色好、寿命长。常见的普
2、通荧光灯是圆形截面的直长玻璃管子。在管子两端各放一个电极。的直长玻璃管子。在管子两端各放一个电极。 8/22/20242电信系光电工程专业5.1 5.1 荧光灯荧光灯荧光灯即低压汞灯，它是利用低气压的汞蒸气在放电过程中辐射紫外线，从而使荧光灯即低压汞灯，它是利用低气压的汞蒸气在放电过程中辐射紫外线，从而使荧光粉发出可见光的原理发光，因此它属于低气压弧光放电光源。荧光灯内装有荧光粉发出可见光的原理发光，因此它属于低气压弧光放电光源。荧光灯内装有两个灯丝。灯丝上涂有电子发射材料三元碳酸盐（碳酸钡、碳酸锶和碳酸钙），两个灯丝。灯丝上涂有电子发射材料三元碳酸盐（碳酸钡、碳酸锶和碳酸钙），俗称电子粉。在
3、交流电压作用下，灯丝交替地作为阴极和阳极。灯管内壁涂有荧俗称电子粉。在交流电压作用下，灯丝交替地作为阴极和阳极。灯管内壁涂有荧光粉。管内充有光粉。管内充有400Pa-500Pa400Pa-500Pa压力的氩气和少量的汞。通电后，液态汞蒸发成压压力的氩气和少量的汞。通电后，液态汞蒸发成压力为力为0.8 Pa0.8 Pa的汞蒸气。在电场作用下，汞原子不断从原始状态被激发成激发态，的汞蒸气。在电场作用下，汞原子不断从原始状态被激发成激发态，继而自发跃迁到基态，并辐射出波长继而自发跃迁到基态，并辐射出波长253.7nm253.7nm和和185nm185nm的紫外线的紫外线( (主峰值波长是主峰值波长是
4、253.7nm253.7nm，约占全部辐射能的，约占全部辐射能的70-8070-80；次峰值波长是；次峰值波长是185nm185nm，约占全部辐射能的，约占全部辐射能的1010) )，以释放多余的能量。荧光粉吸收紫外线的辐射能后发出可见光。荧光粉，以释放多余的能量。荧光粉吸收紫外线的辐射能后发出可见光。荧光粉不同，发出的光线也不同，这就是荧光灯可做成白色和各种彩色的缘由。由于荧不同，发出的光线也不同，这就是荧光灯可做成白色和各种彩色的缘由。由于荧光灯所消耗的电能大部分用于产生紫外线，因此，荧光灯的发光效率远比白炽灯光灯所消耗的电能大部分用于产生紫外线，因此，荧光灯的发光效率远比白炽灯和卤钨灯高
5、，是目前最节能的电光源。和卤钨灯高，是目前最节能的电光源。 荧光灯管中是压力约为荧光灯管中是压力约为0.8Pa0.8Pa的汞蒸汽，的汞蒸汽，在电场作用下放电，在放电过程中，汞原子的价电子不断地从原始状态被激发成在电场作用下放电，在放电过程中，汞原子的价电子不断地从原始状态被激发成激发态，同时又激发态自发的返回到基态，将价电子的为能转化为电磁辐射能，激发态，同时又激发态自发的返回到基态，将价电子的为能转化为电磁辐射能，并辐射初并辐射初3.7nm3.7nm的紫外线（另外还约有的紫外线（另外还约有10%10%的的85nm85nm的短波紫外线）。屠夫载波管内的短波紫外线）。屠夫载波管内壁上的荧光粉吸收
6、壁上的荧光粉吸收353.7nm353.7nm的紫外线，把它转化为可见光。的紫外线，把它转化为可见光。 8/22/20243电信系光电工程专业5.1 5.1 荧光灯荧光灯图图4.4 4.4 荧光灯管荧光灯管 1 1灯头；灯头；2 2灯脚；灯脚；3 3玻璃芯柱；玻璃芯柱；4 4灯丝（钨丝，电极）；灯丝（钨丝，电极）；5 5玻管（内壁涂覆荧光粉，管内充惰性气体）；玻管（内壁涂覆荧光粉，管内充惰性气体）；6 6汞（少量）汞（少量） 荧光灯的典型结构荧光灯的典型结构8/22/20244电信系光电工程专业5.1 5.1 荧光灯荧光灯l（1 1） 荧光灯的工作原理荧光灯的工作原理l荧光灯需要镇流器和启辉器才
7、能正常工作。荧光灯需要镇流器和启辉器才能正常工作。l（2 2） 荧光灯的工作特性荧光灯的工作特性l荧光灯的电流分为额定工作电流和额定启动电流两项。荧光灯的电流分为额定工作电流和额定启动电流两项。额定工作电流根据灯管功率、灯管结构和电流密度而定。额定工作电流根据灯管功率、灯管结构和电流密度而定。额定启动电流是启动时预热灯丝的电流，它比额定工作电额定启动电流是启动时预热灯丝的电流，它比额定工作电流大。流大。l在工作电流下，灯管上产生的电压降是荧光灯的管电压。在工作电流下，灯管上产生的电压降是荧光灯的管电压。 8/22/20245电信系光电工程专业5.1 5.1 荧光灯荧光灯荧光灯的接线图荧光灯的接
8、线图 8/22/20246电信系光电工程专业5.1 5.1 荧光灯荧光灯5.1.2 5.1.2 灯用荧光粉的发展灯用荧光粉的发展19381938年年 G.E. Inman G.E. Inman 制成了直接用于照明的荧光灯，使用了制成了直接用于照明的荧光灯，使用了三种不同发光色的第一代荧光粉三种不同发光色的第一代荧光粉(1938-1948(1938-1948年年) )：蓝（蓝（CaWOCaWO4 4）, ,绿（绿（ZnZn2 2SiOSiO4 4:Mn:Mn2+2+），红（），红（CdBCdB2 2O O5 5:Mn:Mn2+2+）19441944年英国的年英国的A.H. A.H. Mckeay
9、Mckeay发明了照明使用的卤素荧光粉：发明了照明使用的卤素荧光粉：其中化学通式：其中化学通式： M M5 5X(POX(PO4 4) )3 3: : SbSb 3+3+,Mn,Mn2+2+；其中；其中M M为碱土金属为碱土金属离子，离子，X X为卤素，为卤素， SbSb3+ 3+ , , MnMn2+ 2+ 为激活剂。为激活剂。19661966年发明用的稀土荧光粉：年发明用的稀土荧光粉：具有以下几个显著的优点。具有以下几个显著的优点。1 1、窄带发射，发射能量可集中在特定的波长范围；、窄带发射，发射能量可集中在特定的波长范围；2 2、短紫外（、短紫外（185nm185nm）辐射下稳定性好。）
10、辐射下稳定性好。3 3、高温下能够维持较高的发射强度。、高温下能够维持较高的发射强度。8/22/20247电信系光电工程专业5.2 5.2 冷阴极荧光灯冷阴极荧光灯l冷阴极荧光灯（冷阴极荧光灯（CCF） 是一种依靠冷阴极气体放电，激发荧光粉的光源。掺是一种依靠冷阴极气体放电，激发荧光粉的光源。掺有少量水银的衡薄蒸气在高电压下会产生电离，被电离的气有少量水银的衡薄蒸气在高电压下会产生电离，被电离的气体二次电子发射，轰击水银蒸气，使水银蒸气被激发，发射体二次电子发射，轰击水银蒸气，使水银蒸气被激发，发射出紫外线，紫外线激发荧光粉发光。亮度大于出紫外线，紫外线激发荧光粉发光。亮度大于150lm150
11、lm，其特，其特点是寿命达点是寿命达2000020000小时，功耗在小时，功耗在14W14W，有，有U U形、形、M M形和直管形。形和直管形。8/22/20248电信系光电工程专业5.2 5.2 半导体发光显示器件（半导体发光显示器件（LEDLED）lWhat is LED?lLight emitting diodes, commonly called LEDs, are used for dozens of different applications and are found in all kinds of devices (digital clocks, remote control
12、s, light up watches and tell turned on indicator).lTelevision screen8/22/20249电信系光电工程专业5.3.1 P-N5.3.1 P-N结发光原理结发光原理 8/22/202410电信系光电工程专业l由于少数载流子在电场作用下能量增加，这些载流子在同由于少数载流子在电场作用下能量增加，这些载流子在同质结或异质结区的注入与复合而产生的发光叫做结型电致质结或异质结区的注入与复合而产生的发光叫做结型电致发光（又称注入式电致发光）。概据这种发光现象制成的发光（又称注入式电致发光）。概据这种发光现象制成的发光器件称为结型电致发光显
13、示器件。发光器件称为结型电致发光显示器件。 l用用P-NP-N结电致发光原理制成的发光二极管是在结电致发光原理制成的发光二极管是在6060年代末得年代末得到迅速发展的。到迅速发展的。LEDLED是注入式电致发光显示器件的典型。是注入式电致发光显示器件的典型。 5.3.1 P-N5.3.1 P-N结发光原理结发光原理 8/22/202411电信系光电工程专业P-NP-N结发光原理结发光原理8/22/202412电信系光电工程专业5.2.2 LED5.2.2 LED的伏安特性的伏安特性开开启启电电压压与与材材料料有有关关，对对于于 GaAsGaAs是是 1.0V1.0V； GaAs1-GaAs1-
14、xPxxPx、 Ga1-xAlxAsGa1-xAlxAs大大 致致 是是1.5V1.5V；发发红红光光的的GPGP是是1.8V1.8V，发发绿绿光光的的GaPGaP是是2.0V2.0V。反反向向击击穿穿电电压压一一般般在在-5V-5V以上。以上。8/22/202413电信系光电工程专业5.2.35.2.3、亮度与电流关系、亮度与电流关系在低电流密度下，在低电流密度下，m=1.31.5m=1.31.5；在高电流密；在高电流密度下，扩散电流起支配作用，度下，扩散电流起支配作用，m1m1。 自发辐射情况下自发辐射情况下 由于存在非辐射复全以及隧道电流由于存在非辐射复全以及隧道电流 8/22/2024
15、14电信系光电工程专业2.42.4、LEDLED的驱动的驱动 （2.4）8/22/202415电信系光电工程专业5.2.55.2.5、LEDLED光源的特点光源的特点 l电压：电压：LEDLED使用低压电源，供电电压在使用低压电源，供电电压在6-24V6-24V之间，根据产品不同而之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。场所。 l效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80% 80% l适用性：很小，每个单元适用性：很小，每个单元LEDLED小片是小片是3-5mm3
16、-5mm的正方形，所以可以制备的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境成各种形状的器件，并且适合于易变的环境 l稳定性：稳定性：1010万小时，光衰为初始的万小时，光衰为初始的50% 50% l响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LEDLED灯的响应时间为纳秒灯的响应时间为纳秒级级 l对环境污染：无有害金属汞对环境污染：无有害金属汞 l颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流调整材料的能带结构和带隙，实
17、现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的时为红色的LEDLED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色为绿色 l价格：价格：LEDLED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LEDLED的价格就可以的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300300500500只二只二极管构成。极管构成。 8/22/202416电信系光电工程专业5.2.6 5.2.6 单色光单色光LEDLED的种类及其发展历史的种类及其发展历史l最早应用半导体最早应用半导体P
18、-NP-N结发光原理制成的结发光原理制成的LEDLED光源问世于光源问世于2020世纪世纪6060年年代初。当时所用的材料是代初。当时所用的材料是GaAsPGaAsP，发红光（，发红光（=650nm=650nm），在驱动），在驱动电流为电流为2020毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约约0.10.1流明流明/ /瓦。瓦。 l7070年代中期，引入元素年代中期，引入元素InIn和和N N，使，使LEDLED产生绿光（产生绿光（=555nm=555nm），黄），黄光（光（=590nm=590nm）和橙光（）和橙光（=610nm=610n
19、m），光效也提高到），光效也提高到1 1流明流明/ /瓦。瓦。 l到了到了8080年代初，出现了年代初，出现了GaAlAsGaAlAs的的LEDLED光源，使得红色光源，使得红色LEDLED的光效达的光效达到到1010流明流明/ /瓦。瓦。 l9090年代初，发红光、黄光的年代初，发红光、黄光的GaAlInPGaAlInP和发绿、蓝光的和发绿、蓝光的GaInNGaInN两种新两种新材料的开发成功，使材料的开发成功，使LEDLED的光效得到大幅度的提高。在的光效得到大幅度的提高。在20002000年，年，前者做成的前者做成的LEDLED在红、橙区（在红、橙区（=615nm=615nm）的光效达到
20、）的光效达到100100流明流明/ /瓦，瓦，而后者制成的而后者制成的LEDLED在绿色区域（在绿色区域（pp=530nm=530nm）的光效可以达到）的光效可以达到5050流流明明/ /瓦。瓦。 8/22/202417电信系光电工程专业5.2.75.2.7、单色光、单色光LEDLED应用应用l最初最初LEDLED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LEDLED在在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以好的经济效益和社会效益。以1212英寸的红色交通信号灯为英寸的红色
21、交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140140瓦白炽灯作瓦白炽灯作为光源，它产生为光源，它产生20002000流明的白光。经红色滤光片后，光损流明的白光。经红色滤光片后，光损失失90%90%，只剩下，只剩下200200流明的红光。而在新设计的灯中，流明的红光。而在新设计的灯中，LumiledsLumileds公司采用了公司采用了1818个红色个红色LEDLED光源，包括电路损失在光源，包括电路损失在内，共耗电内，共耗电1414瓦，即可产生同样的光效。瓦，即可产生同样的光效。 8/22/202418电信系光电工程专业l汽车信号灯也是汽车信号灯也是
22、LEDLED光源应用的重要领域。光源应用的重要领域。19871987年，我国开年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于始在汽车上安装高位刹车灯，由于LEDLED响应速度快（纳秒级）响应速度快（纳秒级），可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追，可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。尾事故的发生。 l另外，另外，LEDLED灯在室外红、绿、蓝全彩广告显示屏得到了广泛灯在室外红、绿、蓝全彩广告显示屏得到了广泛的应用。的应用。 5.2.7 5.2.7 单色光单色光LEDLED应用应用8/22/202419电信系光电工程专业360LED360LED环型显示器环型显示器8
23、/22/202420电信系光电工程专业工作原理工作原理8/22/202421电信系光电工程专业8/22/202422电信系光电工程专业5.2.85.2.8、白光、白光LEDLED的开发的开发8/22/202423电信系光电工程专业l对于一般照明，或显示器的背照光而言，人们更需要白对于一般照明，或显示器的背照光而言，人们更需要白色的光源。色的光源。19981998年发白光的年发白光的LEDLED开发成功。这种开发成功。这种LEDLED是将是将GaNGaN芯片和钇铝石榴石（芯片和钇铝石榴石（YAGYAG）封装在一起做成。）封装在一起做成。GaNGaN芯芯片发蓝光（片发蓝光（=465nm=465nm
24、，谱宽，谱宽=30nm=30nm），高温烧结制成的），高温烧结制成的含含Ce3+Ce3+的的YAGYAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值峰值550nm550nm。蓝光。蓝光LEDLED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有混有YAGYAG的树脂薄层，约的树脂薄层，约200-500nm200-500nm。 LEDLED基片发出的蓝基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaNInGaN/YAG/YAG白色白色LEDLED，通过改变，通过改变YAGYAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温厚度，可以获得色温3500-10000K3500-10000K的各色白光。的各色白光。5.2.85.2.8、白光、白光LEDLED的开发的开发8/22/202424电信系光电工程专业白色白色LEDLED照明灯照明灯地砖灯地砖灯礼品灯礼品灯手电筒手电筒5.2.85.2.8、白光、白光LEDLED的开发的开发8/22/202425电信系光电工程专业
