第二章_发光器件及其运用

一切能产生光辐射的辐射源都称为光源。光源一、光电仪器中的常用光源按照发光机理，光源可以分为如下几类：热辐射光源气体放电光源固体发光光源激光器太阳白炽灯、卤钨灯黑体辐射器汞灯、荧光灯、钠灯氙灯、金属卤化物灯氘灯、空心阴极灯场致发光灯发光二极管气体激光器、固体激光器染料激光器、半导体激光器由物体温度高于绝对零度而产生的物体热辐射，称为热辐射光源。由于物体在特定环境下受外界能量激发而产生辐射，为激发辐射，其光源被称为冷光源。冷光源按激发方式分可分为光致发光、化学发光、摩擦发光、阴极射线致发光、电致发光等。（1）辐射效率和发光效率一、光电仪器中的常用光源1、光源的基本特性参数某一光源所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比，就是该光源的发光效率。780e,λ380vV()dmvKΦPP单位为lm/W（1）辐射效率和发光效率一、光电仪器中的常用光源1、光源的基本特性参数光源种类发光效率光源种类发光效率普通钨丝灯8~18高压汞灯30~40卤钨灯14~30高压钠灯90~100普通荧光灯35~60球形氙灯30~40三基色荧光灯55~90金属卤化物灯60~80（2）光谱功率分布一、光电仪器中的常用光源1、光源的基本特性参数光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。若令其最大值为1，得到相应归一化的光谱功率分布，称为相对光谱功率分布。光源的光谱功率分布通常可分为四种情况：线状光谱、带状光谱、连续光谱、混合光谱。（2）光谱功率分布一、光电仪器中的常用光源1、光源的基本特性参数()P0线状光谱()P0带状光谱()P0连续光谱()P0混合光谱()P0带状光谱()P0带状光谱()P0带状光谱()P0带状光谱（3）空间光强分布一、光电仪器中的常用光源1、光源的基本特性参数对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的。若在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，矢量长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。在光学仪器中，为了提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。（4）光源的色温一、光电仪器中的常用光源1、光源的基本特性参数黑体的温度决定了它的光辐射特性。对于非黑体辐射，它的某些特性常用黑体辐射的特性来近似地表示。对于一般光源，常用用分布温度、色温和相关色温表示。①分布温度：辐射源在某一波段范围内辐射的相对光谱功率分布，与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称该辐射源的分布温度。（4）光源的色温一、光电仪器中的常用光源1、光源的基本特性参数②色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。③相关色温：在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。（4）光源的色温一、光电仪器中的常用光源1、光源的基本特性参数光源色温北方晴空8000-8500k阴天6500-7500k下午日光4000k钨丝灯2700k高压钠灯1950-2250k蜡烛光2000k高压汞灯3450-3750k（4）光源的色温一、光电仪器中的常用光源1、光源的基本特性参数色温光色气氛效果5000K清凉(带蓝的白色)冷的气氛3300-5000K中间(白)爽快的气氛3300K温暖(带红的白色)稳重的气氛2.发光二极管的基本工作原理与特性1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光。70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器。进十年来，发光二极管的发光效率及发光光谱都有了很大的提高，用发光二极管作光源有许多优点。2.1.1发光二极管的发光机理发光二极管（即LED）是一种注入电致发光器件，它由P型和N型半导体组合而成。其发光机理常分为PN结注入发光与异质结注入发光两种。1.PN结注入发光PN结处于平衡时，存在一定的势垒区，其能带如图6-1所示。当加正偏压时，PN结区势垒降低，从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，并主要发生在p区。2.异质结注入发光为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。图2-13（a）表示理想的异质结能带图。由于p区和n区的禁带宽度不相等，当加上正向电压时小区的势垒降低，两区的价带几乎相同，空穴就不断向n区扩散。对n区电子，势垒仍然较高，不能注入p区。这样，禁带宽的p区成为注入源，禁带窄的n区成为载流子复合发光的发光区（图2-13（b））。由于n区所发射的光子能量hv比EG2小得多，它进入p区不会引起本征吸收而直接透射出去。2.1.2基本结构1.面发光二极管图6-3所示为波长0.8～0.9μm的双异质结GaAs／AIGaAs面发光型LED的结构。它的有源发光区是圆形平面，直径约为50μm，厚度小于2.5μm。一段光纤(尾纤)穿过衬底上的小圆孔与有源发光区平面正垂直接入，周围用粘合材料加固。2.边发光二极管图6-4所示为波长1.3μm的双异质结InGaAsP／InP边发光型LED的结构。它的核心部分是一个N型AIGaAs有源层，及其两边的P型AIGaAs和N型AIGaAs导光层(限制层)。导光层的折射率比有源层低，比周围其他材料的折射率高，从而构成以有源层为芯层的光波导，有源层产生的光辐射从其端面射出。2.1.3LED的特性参数1.发光光谱和发光效率LED的发光光谱指LED发出光的相对强度(或能量)随波长(或频率)变化的分布曲线。它直接决定着发光二极管的发光颜色，并影响它的发光效率。发射光谱的形成由材料的种类、性质以及发光中心的结构决定的，而与器件的几何形状和封装方式无关。峰值波长和发光强度的半宽度：对于辐射跃迁所发射的光子，其波长λ与跃迁前后的能量差ΔE之间的关系为λ＝hc／ΔE。复合跃迁前后的能量差大体就是材料的禁带宽Eg。因此，峰值波长由材料的禁带宽度决定。例如GsAs的峰值波长出现在1.1eV，比室温下的禁带宽度少0.3eV。当GaAs1—xPx中的x值不同时，峰值波长在620～680nm之间变化，谱线半宽度大致为20～30nm。GaP发红光的峰值波长在700nm附近，半宽度大约为100nm。发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。内部量子效率在平衡时，电子-空穴对的激发率等于非平衡载流子的复合率（包括辐射复合和无辐射复合），而复合率又分别决定于载流子寿命τr和τrn，其中辐射复合率与1/τr成正比，无辐射复合率为1/τrn，内部量子效率为ieoinnn（1）光子通过半导体有一部分被吸收（2）有一部分到达界面后因高折射率产生全反射而返回晶体内部后被吸收（3）只有一部分发射出去inexnnex(6-2)CaP红光发射效率ηex很小，最高为15％发绿光的GaP的ηex约为0.7％对发红光的GaAs0.6P0.4，其ηex约为0.4％对发红外光的In0.32Ga0.68Pηex约为0.1％2.时间响应特性与温度特性提高外部量子效率的措施有三条：①用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂（n2=1.55）涂敷在发光二极管上；②把晶体表面加工成半球形；③用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。发光二极管的时间响应快，短于1μs，比人眼的时间响应要快得多，但用作光信号传递时，响应时间又显得太长。发光二极管的响应时间取决于注入载流子非发光复合的寿命和发光能级上跃迁的几率。3.发光亮度发光二极管的发光亮度L是单位面积发光强度的量度。在辐射发光发生在P区的情况下，发光亮度L与电子扩散电流idn之间的关系为ReiLdn4.最大工作电流在低工作电流下，发光二极管发光效率随电流的增加而明显增加，但电流增加到一定值时，发光效率不再增加；相反，发光效率随工作电流的继续增加而降低。发光二极管最大容许功耗为Pmax，则发光管最大容许的工作电流为dddfffdfrPrrIUUrII24)()(max2max（6-4）式中，rd为发光二极管的动态内阻；If、Uf均为发光二极管在较小工作电流时的电流和正向压降。5.伏安特性发光二极管的伏安特性如图6-9所示，它与普通二极管的伏安特性大致相同。电压小于开启点的电压值时无电流，电压一超过开启点就显示出欧姆导通特性。这时正向电流与电压的关系为i＝ioexp(eV/mkT)在较宽禁带的半导体中，当电流i0.1mA时，通过结内深能级进行复合的空间复合电流起支配作用，这时m＝2。电流增大后，扩散电流占优势时，m＝1。因而实际测得的m值大小可以标志器件发光特性的好坏。6.寿命发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。二极管的寿命一般都很长，在电流密度小于lA/cm2时，一般可达106h，最长可达109h。随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。老化的快慢与工作电流密度有关。随着电流密度的加大，老化变快，寿命变短。7.响应时间在快速显示时，标志器件对信息反应速度的物理量叫响应时间，即指器件启亮(上升)与熄灭(衰减)时间的延迟。实验证明，二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。它的响应时间一般是很短的，如GaAs1-xPx仅为几个ns，GaP约为100ns。在用脉冲电流驱动二极管时，脉冲的间隔和占空因数必须在器件响应时间所许可的范围内。2.1.4驱动电路发光二极管工作需要施加正向偏置电压，以提供驱动电流。典型的驱动电路如图6-10所示，将LED接入到晶体三极管的集电极，通过调节三极管基极偏置电压，可获得需求的辐射光功率。2.2发光二极管的应用2.2.1数字、文字及图像显示2.2.2指示、照明2.2.3光电开关、报警、遥控、耦合2.2.4光源1、LED发光原理、优缺点、应用领域。2、9wLED日光灯灯珠连接方案：选用led3014贴片,采用22个LED串联，4串并联方式。3、9wLED日光灯驱动电路方案实现：实现设计一个220V市电交流输入直流输出（非隔离型）的9W的LED日光灯驱动电路，使用PT4107主控芯片，通过其开关频率设置，实现毫安级到安培级的输出，具有低频可变占空比的数字脉冲调光功能和线性调光功能，采用无源PFC、抗浪涌的NTC、EMC滤波、全桥整流、降压稳压、续航二极管及镇流功率电感，实现输出恒定电流为30mA*4=120mA，电压为66V（理论值）。