第二章光电子光源.ppt

1、第二章 电 光 源,光是电磁辐射谱中能够引起人眼视觉的部分,2.1光的本质,2.1光 的 本 质,电磁波:可见光部分的波长范围为380780nm. 由单一波长组成的光称为单色光,不同的单色光有不同的颜色.,630780 600630 565600 500565 435500 380435,1nm(纳米)= 10-9m(米),波长比红色光更长的电磁波部分 780nm10nm(1mm), 称为红外辐射 (红外光,IR). 再长为无线电波 红外光主要产生热效应 (红外加热).,2.1光 的 本 质,另一个光的本质是光子,是一个个量子化的光子的传播. 光子的不同频率对应于不同的颜色. 光子的频率和电磁

2、波的波长具有对应关系. 光子频率和电磁波波长之间的关系式: =c/ :电磁波波长, :光子频率 其中:光速C3 x 108m/s,2.1光 的 本 质,相同频率的光子在不同的媒质中对应不同的波长(颜色) 光子的频率越高,能量越高 Qh (Q为光子能量 h为普朗克常数=6.6 x 10-34 焦尔秒 ,为光子频率 ） 光具有波粒二象性 波动性: c /解释偏振,干涉,衍射等现象 微粒性: Qh 解释光化学,光电效应等现象,2.1光 的 本 质,波长比紫光更短的部分(1nm380 nm)称为紫外辐射, (紫外 光UV).紫外光主要产生化学效应(光化学反应,皮肤病治疗,晒 色效应,诱昆虫,杀菌).

3、紫外光谱分区:380-315nm为UV-A, 315-280nm为UV-B;280-100nm为UV-C. 小于315nm的紫外光谱会产生红斑和灭菌 两种特殊辐射现象,在297nm处红斑辐射 效果最大;在260nm处灭菌辐射效果最大.,2.1光 的 本 质,热辐射 物体被加热到高温时产生的光辐射称为热辐射,辐射出来的能量是连续波谱.,2.2光的发射,光发射在光源中的应用 热辐射白炽灯/卤钨灯 荧光荧光灯/节能灯/荧光汞灯 低气压放电荧光灯/节能灯/低压钠灯/电磁感应灯 高气压放电高压汞灯/高压钠灯/金卤灯/超高压汞灯,2.2光 的 发 射,气体放电(1) 低气压放电气体压力近似于0.01大气压

4、时的电离放电. 电离产生电子碰撞产生等离子体 放电性质弧光放电 放电谱 线状谱 汞：253.7nm 钠：589.3nm,2.2光 的 发 射,气体放电(2) 高气压放电气体压力为1个到几十个大气压时的电离放电; 电离产生电子碰撞产生 等离子体; 放电性质辉光到弧光放电; 启动放电较困难； 放电谱线状谱.,2.2光 的 发 射,荧光 发光材料受紫外光、电子束、可见光 的激发而发光. 紫外激发荧光粉(光致发光):用于荧光灯管等. 电子束激发荧光粉(阴极发光):用于显像管等.,2.2光 的 发 射,选择性辐射体产生的线光谱,例如 : 气体放电灯,场致发光 某些材料(荧光粉)在电场中直接把电磁场能转化

5、为光能. 粉质场致发光屏:如平面显示器(ELP) 场致发光膜:如数字指示器(FEL),2.2光 的 发 射,半导体发光 半导体p-n结发光二极管(LED),具有低压,耐振,长寿,高效等特点, 有红,绿,蓝,琥珀,白等色.,2.2光 的 发 射,近代照明光源主要采用电光源（即将电能转换为光能的光源），一般分为热辐射光源、气体放电光源和半导体光源三大类。,一、电光源发展简史,1802年英国科学家HumphryDavy显示了白炽现象 1879年美国科学家爱迪生发明了第一只白炽灯 1906年研制成功高压汞灯,1930年应用于照明 1938年荧光灯问世 60年代金属卤化物灯研制成功 70年代发明了铝酸盐

6、系列三基色荧光粉 1979年PHILIPS发明了第一只节能灯,二、电光源种类,固体发光光源包括场致发光灯、半导体发光器件、热辐射光源（白炽灯、卤钨灯） 气体放电发光光源包括辉光放电灯(氖灯、霓虹灯)和弧光放电灯低压气放电灯(荧光灯、紧凑型荧光灯、低压钠灯)高气压放电灯(高压汞灯、高压钠灯高压氙灯、金属卤化物灯）,三、选择与设计光源基本要素,光通量 照度 色温 显色性 光效、眩光 电磁干扰、电磁噪声 平均寿命 亮度对比,概念,光通量：光源每秒钟发出的可见光量之总和，简单说就是发光量。单位：流明（lm） 照 度：单位面积内入射的光通量，也就是光通量除以面积所得到的值。 单位：勒克司（lm），照度分

7、为水平照度和垂直照度。 水平照度为光通量入射水平表面的照度，垂直照度为光通量入射到垂直表面的照度。垂直照度1000lux,色 温：以绝对温度K来表示，即将一标准黑体加热，湿度升高以一定程度时颜色开始由深红浅红橙黄白蓝，逐渐改变，某光源一黑体的颜色相同时，我们将黑体当时的绝对湿度称为该光源之色温。色温在3000K以下，光色偏红给人以温暖的感觉：色温超过6000K，光色偏蓝，给人以清冷的感觉，色温在4000K左右，人在此色调下，无特别明显的视觉心理效果，故称为“中性”色温。,采用低色温光源照射，能使红色更加鲜艳；采用中等色温光源照射，使蓝色具有清凉感；采用高色温光源照射，使物体有冷的感觉。,显色性

8、：光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度，显色性高的光源对颜有现较好，我们所见到的颜色也就接近自然色，显色性低的光源对颜色表现较差，我们所见到的颜色偏差也较大。国际照明委员会CIE把太阳光的显色指数定为100，各类光源的显色指数各有相同，如：高压钠灯的显色指数Ra=23，荧光灯管显色指数Ra=60-90。,光效：衡量光源节能的重要指标，就是光源发出的光通量除以光源所消耗的功率。单位：流明/瓦（lm/w） 眩光：视野内的亮度极高的物体或强烈的亮度对比，则可以造成视觉不舒适称为眩光。眩光分为失能性眩光和不舒适眩光。眩光是影响照明质量的重要因素。 直射眩光 反射眩光 电磁干扰：

9、气体放电灯镇流器在使用过程中，会通过幅射、传导等方式对周围电器产生干扰。,电磁噪音：可能使周围电器工作导常甚至失控。 平均寿命：灯50%损坏时的时间。 亮度对比：被识别对象和其背景亮度之差与背景亮度之比称为亮度对比，对比影响物体的可见度。对比大的物体容易被观察到，并在视觉上产生近距离感和兴奋感。 启燃与再启燃时间： 电光源的启燃时间是指光源接通电源到光源达到额定光通量输出所需的时间。 电光源的再启燃时间是指正常工作着的光源熄灭后再将其点燃所需要的时间。 频闪效应：气体放电光源因交流电源周期性变化使光通量发生周期性变化，造成观察运动物体时造成错觉。,四、几种常用电光源的介绍,白炽灯 卤钨灯 荧光

10、灯 紧凑型荧光灯 高压汞灯 高压钠灯 金属卤化物灯 氙灯,白炽灯的工作原理,电流流过灯丝，使灯丝产生热量，大量的热能将灯丝加热到高温状态，温度达2700多度，处于白炽状态，放射出可见光。,1、白炽灯,白炽灯的结构,1、白炽灯,白炽灯的种类,透明泡 磨砂泡 乳白泡 彩色泡,1、白炽灯,局部照明白炽灯 局部照明白炽灯又称低电压安全灯。它适用于安全低电压636V的局部照明场合，如机床工作照明及其它类似要求的场所。行业标准QB/T2054-94适用于额定电压为6V，12V，24V和36V，直流或50Hz交流。,1、白炽灯,白炽灯优点,1、白炽灯,白炽灯的不足之处,光效低（约10lm/W），运行费用高。

11、 寿命较短，平均寿命1000小时。 表面温度较高,1、白炽灯,白炽灯适用范围：,要求照度不高的场所，局部照明，事故照明； 要求频闪小或经常开关的场所； 避免气体放电对无线电或电子设备干扰场所；需调光场所。,1、白炽灯,2、卤钨灯,卤钨灯的工作原理,电流流过灯丝，使灯丝产生热量，大量的热能将灯丝加热到高温状态，温度达2700多度，处于白炽状态，放射出可见光。 在高温下，从灯丝上蒸发出来的钨，在靠近玻壳的温度较低的部位，与灯内的卤素发生化合反应，形成卤化钨，并部分向钨丝扩散，使钨不至于粘到管壁上；在靠近钨丝的温度较高部位，化合物因高温而分解成钨与卤素，钨回到灯丝上，卤素又可参与下一次循环。 如此周

12、而复始，就延长了灯丝的寿命。,2、卤钨灯,卤钨灯的结构,2、卤钨灯,卤钨灯的种类,卤钨灯按型状和结构常有以下种类： 管型卤钨灯（双端卤钨灯） 单端卤钨灯 GU10单端卤钨灯,2、卤钨灯,管型卤钨灯（双端卤钨灯）,2、卤钨灯,单端卤钨灯,2、卤钨灯,GU10单端卤钨灯,2、卤钨灯,MR11、MR16卤素灯杯,注：卤钨灯的国家标准为 GB/T 14094-93,2、卤钨灯,PAR灯-冷反射定向照明卤钨灯,2、卤钨灯,冷光束卤钨灯 由卤钨灯泡和介质膜冷光镜组合而成，具有体积小、造型美观、工艺精致、发光效率高、使用寿命长、光线柔和舒适等特点。 应用于商业橱窗、舞厅、宾馆、展览厅、博物馆等室内照明，是最

13、佳装饰照明光源。 冷光束卤钨灯的介质膜冷光镜对可见光反射比达0.95，对红外线可过滤约80，因此被称为冷光灯。,2、卤钨灯,卤钨灯的型号,L Z G 灯管额定功率 灯管额定电压 管形照明 卤钨灯,2、卤钨灯,卤钨灯的型号,FY表示放映电影用的卤钨灯 FJ表示冷反射放映卤钨灯 HD表示幻灯、投影用幻灯卤钨灯 Z 表示照明用卤钨灯,2、卤钨灯,卤钨灯优缺点,优点：光谱连续，显色性好，体积小，功率大，发光效率高，可调光，能瞬间点燃。无频闪，寿命长（平均寿命可达1500小时）。 缺点：对电压波动比较敏感，灯管表面温度很高(600)，耐振性差。,2、卤钨灯,荧光灯的结构,3、荧光灯,荧光灯的工作原理,灯

14、丝上的电子发射材料，在电流流过灯丝时，受到灯丝加热，发射出电子；电子在运动过程中，碰撞汞原子，使汞原子由稳态进入激发态，激发态的汞原子会跃迁回稳态，同时放射出汞的特征谱线253.7nm紫外线。 紫外线照射到荧光粉上,使荧光粉发出可见光。 此过程稳定保持下去，于是，荧光灯便能稳定地发光了。,3、荧光灯,荧光灯的基本工作电路,荧光灯的基本工作电路如下：,日光灯的光谱,3、荧光灯,荧光灯优点,高光效 发光均匀 光色柔和 结构简单 安装方便 温度低 光效高（比白炽灯高2-3倍） 寿命长（3000小时以上） 电子镇流无频闪（20K-100KHZ ）。,3、荧光灯,荧光灯缺点 电压特性：对电压不十分敏感；

15、灯管电流、灯管电功率和光通量基本与电源电压成正比，而灯管电压却与电源电压近似成反比。 缺点：不宜开关频繁，低温度难以启动，频闪明显，功因低（0.5左右），需辅助电路，启动慢（3-5s）。,3、荧光灯,荧光灯的种类和变形,荧光灯按其形状来分，有以下一些种类： 直管荧光灯； 环形荧光灯； U形荧光灯； 平面形荧光灯（如2D、Y型、M型）； 螺旋形荧光灯；,3、荧光灯,荧光灯的种类,荧光灯通常按管径来分类，有以下一些种类： T12-38mm 最早采用此管径 T10-32mm 国内曾大量采用 T9 -30mm 国内曾大量采用 T8 -26mm 目前最通用 T5 -15mm 未来发展趋势,3、荧光灯,荧

16、光灯的型号（第一部分）,YZ表示直管荧光灯 YU表示U形荧光灯 YH表示环形荧光灯 YZZ表示自镇流荧光灯 YHG表示黑光荧光灯 ZW表示紫外线灯管,3、荧光灯,荧光灯的型号（第二部分）,第二部分表示灯管功率 第三部分表示灯管颜色特征 RR表示 日光色（6500K） RZ表示 中性白色（5000K） RL表示冷白色（4000K） RB表示白色（3500K） RN表示暖白色（3000K）,3、荧光灯,荧光灯的种类,荧光灯按其材料和功能来分类，有以下一些种类： 普通卤粉荧光灯（普通照明用） 三基色荧光灯（普通照明用） 紫外荧光灯（保健、消毒用） 彩色荧光灯（装饰用） 其它特殊荧光灯（如暗室胶片冲洗

17、用、生物生长用等）,3、荧光灯,荧光灯的种类和变形,荧光灯按其电极结构分类，有以下种类： 热阴极荧光灯（如普通直管荧光灯）； 冷阴极荧光灯（如装饰用的冷极管） 无极荧光灯 无极荧光灯的基本发光机制与荧光灯相似，但是无极荧光灯的放电腔内不需要电极，通过高频工作的感应线圈发出电磁波，激发气体发出紫外能量。 瞬时启动，关灯后可以立即重新启动。 无极荧光灯的寿命非常长。,3、荧光灯,紫外线杀菌灯,3、荧光灯,紫外线杀菌灯 紫外线杀菌灯，和普通日光灯一样，利用低压汞蒸汽被激发后发射紫外线。采用石英玻璃制作，对紫外线各波段都有很高的透过率，达80%-90%。 杀菌灯有热阴极低压汞蒸气放电灯、冷阴极低压汞蒸

18、气放电灯等几种结构。 强紫外线光源，对核酸蛋白质作用极强，能使细菌发生变异或死亡， 被广泛应用于医疗卫生、细菌研究、制药工业和食品制造工业等场所。,3、荧光灯,橄榄形和管形高压钠灯,橄榄形(ED泡壳),管形(T型泡壳),4、气体放电灯,高压钠灯,高光效（120LM/W）； 功率范围宽（从35W-1000W） 结构简单紧凑； 寿命长（15000-20000h）； 光色金白色。,4、气体放电灯,高压钠灯的结构,4、气体放电灯,高压钠灯的型号,NG 250 N-1 GL/T型波壳 内启动式 灯泡功率 （普通型）高压钠灯泡,4、气体放电灯,高压钠灯的型号,NG Z 400 灯泡功率 中显色性（60左右

19、） 高压钠灯泡,4、气体放电灯,高压钠灯的型号,NG G 250 灯泡功率 高显色性（80左右） 高压钠灯泡,4、气体放电灯,高压钠灯的工作原理,高压钠灯内管（氧化铝陶瓷管）里充有钠汞剂，在灯管里分别存在钠蒸气和汞蒸气。灯工作时，钠和汞都参与工作。先是汞放电，形成较低的放电电流，然后温度慢慢上升。随着温度上升，钠蒸气压也慢慢提高。越来越多的钠参与放电。 钠放电在低气压下，放射出589和589.6nm两条谱线.(低压钠灯即利用此工作状态); 当钠蒸气压进一步提高,钠放电的谱线会加宽,在共振波长两侧形成连续的宽辐带.此时钠蒸气压达到104Pa左右,所以称为高压钠灯.,4、气体放电灯,高压钠灯的种类

20、,高压钠灯按其显色性来分,有: 普通高压钠灯,Ra=20-30; 颜色改进型高压钠灯, Ra=60-70; 高显色性高压钠灯: Ra=80-85; 高压钠灯按外玻壳形状来分,有: 橄榄形(ED和BT); 管形(T型),4、气体放电灯,高压钠灯的规格,35W、50W、70W、100W、150W、250W、400W、1000W。 高压钠灯的国家标准为GB13259-91,4、气体放电灯,高压钠灯的应用,高压钠灯光效高，但显色指数偏低，光色偏黄，所以常用于对光色要求不是太高，但亮度要求高的场所。 高压钠灯适用于：道路、广场、停车场、码头、大型工场、矿区照明等。,4、气体放电灯,高压钠灯光谱,4、气体

21、放电灯,高压钠灯 中显色高压钠灯和高显色高压钠灯 在普通高压钠灯基础上，适当提高电弧管内的钠蒸气气压，从而提高高压钠灯的色温度，改善灯的显色性。 中显色高压钠灯相关色温为2200K，平均显色指数提高到60。 高显色高压钠灯相关色温为2500K，平均显色指数提高到85。 与标准型高压钠灯相比，它们的光效明显下降。适用于高大厂房、商业区、游泳池、体育馆、娱乐场所等处的室内照明。,4、气体放电灯,低压钠灯 电光源中光效最高的品种，光效可达140180lm/W，589nm单色光为主，光色呈黄色，柔和、眩光小、透雾能力极强， 冷态启燃时间810min，热态再启燃时间不足1min。 寿命约为2000500

22、0h，燃点次数对灯寿命影响较大，并要求水平燃点，否则也影响寿命。 适用于公路、隧道、港口、货场和矿区等场所的照明，也可作为特技摄影和光学仪器的光源。,4、气体放电灯,低压钠灯 但低压钠灯辐射近乎单色黄光，显色能力差，分辨颜色的能力差，不宜用于繁华的市区街道和室内照明。,4、气体放电灯,低压钠灯光谱,4、气体放电灯,高压汞灯,光效较白炽灯高，约40-60lm/w； 寿命是白炽灯的3-5倍，3000-5000h； 显色性较差，Ra20-40；,4、气体放电灯,高压汞灯的工作原理,高压汞灯是利用汞放电时产生的高气压来获得高发光效率的一种光源。高压汞灯刚起动时，灯管两端电压为20V左右，与荧光灯放电类

23、似。谱线集中在254nm附近。光色呈蓝色。随着放电的进行，温度升高，更多的汞被蒸发，汞蒸汽压增大，放电的能量逐渐向长波谱线移动。光色从蓝色变成白色。汞蒸汽压增大至0.2-1MPa 。故称为高压汞灯。,4、气体放电灯,高压汞灯的结构,4、气体放电灯,自镇流荧光高压汞灯的结构,4、气体放电灯,高压汞灯的型号和规格,荧光高压汞灯泡 型号：GGY50、GGY80、GGY125、GGY175、GGY250、GGY400、GGY1000 行业标准为QB/T205194,4、气体放电灯,高压汞灯的型号和规格,自镇流高压汞灯泡 GGY50Z、GGY80Z、GGY125Z、GGY175Z、GGY250Z、GGY

24、400Z、GGY1000Z。 行业标准：QB/T250294 高压汞灯因为光色偏兰，显色指数很低；为改善光色，一般在玻壳内涂上荧光粉，故称荧光高压汞灯。,4、气体放电灯,高压汞灯的种类,高压汞灯按用途可分为照明用高压汞灯和非照明用高压汞灯。 照明用高压汞灯常用的有： 荧光高压汞灯 反射型荧光高压汞灯 自镇流荧光高压汞灯,4、气体放电灯,高压汞灯的种类,非普通照明用高压汞灯有： 紫外线高压汞灯 球型超高压汞灯 毛细管形超高压汞灯,4、气体放电灯,荧光高压汞灯,反射型荧光高压汞灯,自镇流荧光高压汞灯,4、气体放电灯,荧光高压汞灯 荧光高压汞灯是玻壳内表面涂有荧光粉的高压汞蒸汽放电灯，它的特点是结构

25、简单、寿命长，耐震性较好，但显色指数低。,4、气体放电灯,自镇流荧光高压汞灯 自镇流荧光高压汞灯是利用汞放电管、钨丝和荧光粉三种发光要素同时发光的一种复合光源。钨丝兼作镇流器，可以像普通灯泡那样直接接入灯座使用，非常方便。 但该灯光效低，耗电较多，寿命因灯丝而缩短，故而不应推广使用。,4、气体放电灯,微波硫灯,4、气体放电灯,微波硫灯 发光原理：利用 245050MHz微波电磁场能量来激发石英泡壳内主要为硫的发光物质，使其形成分子辐射而产生可见光。 优点：高光效、长寿命、光谱连续、光色好、无汞害污染、良好的光通量维持率、瞬时启动、低紫外和红外输出、发光体小，便于配置灯具 适用场所：大型厂房、仓

26、库、广场、体育场馆等等。,4、气体放电灯,金卤灯的分类,金卤灯按形状分，有： 单端金卤灯 双端金卤灯 插脚式单端金卤灯,4、气体放电灯,金属卤化物气体放电灯 基本原理是将多种金属以卤化物的方式加入到高压汞灯的电弧管中，使这些金属原子像汞一样电离、发光。汞弧放电决定了它的电性能和热损耗，而充入灯管内的低气压金属卤化物决定了灯的发光性能。,4、气体放电灯,金属卤化物灯,发光效率高(60-90Lm/W); 显色性好(Ra:7090); 寿命长(10000-20000H); 功率范围宽(35-2000w);,4、气体放电灯,金卤灯的结构,4、气体放电灯,金卤灯的型号,JLZ KN 表示不同玻壳型号 （

27、如ED型、BT型、 T型、 TT型） 表示为钪钠型灯泡 表示灯的额定功率 表示金属卤化物灯,4、气体放电灯,金卤灯的规格,35W、50W、70W、100W、150W、175、250W、400W、1000W、1500W、1800W、2000W。 金卤灯的国家标准GB18661-2002,4、气体放电灯,金卤灯的工作原理,金卤灯是在高压汞灯基础上发展起来的,它是在高压汞灯内添加某些金属卤化物,使此种金属参与到放电过程中,利用此金属放电的特征颜色,来改善高压汞灯在显色性方面的不足. 目前的金卤灯一般采用Na-Tl-In系列和Sc-Na系列金属卤化物；此外，还有采用Sn系列的和La系列的。,4、气体放

28、电灯,金卤灯的应用,金卤灯光效高、寿命长、显色指数高、除了常归照明用途外，还可以制成多种彩色灯，因此，应用十分广泛。 金卤灯常用于以下场所如：道路、广场、体育场馆、商场、广告标牌、建筑物立面照明、园林景观装饰照明等等。,4、气体放电灯,氙灯,氙灯是利用高压、超高压惰性气体的放电现象制成的高效率光源之一。氙气在高压、超高压下放电时，原子被激发到高能级，并被大量电离，在可见光区发射出与日光接近的连续光谱。氙灯作为照明光源，功率大，光通量输出高，被称为“人造小太阳”。,4、气体放电灯,氙灯的特性,1、氙灯发射连续光谱，光色近似日光，显色性好，Ra达90以上； 2、氙灯的工作状态受制作工艺和工作环境的

29、影响较少，光电参数一致性好。 3、氙灯放电发光所需的稳定时间很短，一点亮，很快就达到稳定。 4、氙灯具有正的伏安特性，可以不用镇流器。 5、氙灯的光效比其它气体放电灯低，一般为30-50lm/w。,4、气体放电灯,氙灯的分类,氙灯按工作气压可分为： 脉冲氙灯（工作气压低于100KPa）； 长弧氙灯（工作气压约为100KPa）； 短弧氙灯（工作气压为500-3000KPa）；,4、气体放电灯,5、LED基础知识,1.什么是发光二极管 发光二极管英文全称为Light Emitting Diode（简称LED），是一种新型的固态光源， 诞生于20世纪60年代。 1923年，罗塞夫（Lossen.o.

30、w）在研究半导体SiC时有杂质的P-N结中有光发射，研究出了发光二极管（LED：Light Emitting Diode），一直不受重视.随着电子工 业的快速发展，在60年代，显示技术得到迅速发展LED才逐步受到人们的重视。,5、LED基础知识,LED与传统灯泡的比较,白热的,技术,机理,热量,放电,放电,固态LED,电子/空穴复合,光谱 分布,光效,固有失效 机理,热量,15%,40%,50%,辐射 对流 传导,辐射 对流 传导,内部反射,5、LED基础知识,LED的优点 寿命长（100，000Hrs） 驱动电压低（1.8（5V） 耗电量少（401000mW） 相对冷光源(熱輻射小) 点亮速

31、度快（时间常数为10-710-9S ） 避免疑似点灯效应 体积小 多种色彩 耐震性特佳（全固体封装，不易破损） 单色性佳（发光波长稳定） 绿色无污染,5、LED基础知识,LED分类及结构,A.直插式LED：（ight emitting diode） 按外形尺寸分：3mm、5mm、8mm、10mm等等 按发光颜色分：红色、绿、蓝、黄、橙、黄绿、白色、紫色、红外线、紫外线等 按胶体颜色分：无色透明、有色透明、有色散射、无色散射（深浅根据配比调节） 色彩分类：单色、双色、全彩（三色）,5、LED基础知识,. SMD(Surface mount diode）表面贴装二极管 1. 按外形分：0603、1

32、206、2810、3020、3528 、5050等等 2. 按颜色分：红色、绿、蓝、黄、琥珀、黄绿、白色、紫色、红外线等; 3. 按胶体颜色分：无色透明、有色透明、有色散射、无色散射 （深浅根据配比调节） 4. 色彩分类：单色、双色、全彩（三色）,5、LED基础知识,、食人鱼（Flux led） 食人鱼产品主要是顶部LENS的不同种类而改变： 顶部珠子分为：3mm、5mm 、平头与微凸产品。 为改变角度的大小，顶部珠子的高低也不同： 比如3mm的珠子高度有1.35、1.5、1.9mm的. 颜色种类如插件LED齐全。,5、LED基础知识,D、大功率LED（Power led） 1. 大功率有1w

33、、3w、5w、10w等等不同种类 2. 目前流程大大功率有铝基板样式的、 仿luminous、SMD样式的。 3. 透镜有酒杯状的、平头的、透镜的 4. 直流与交流驱动,5、LED基础知识,E、数码管LED（Display） 数码管的种类比较繁多:单位、双位、三位、四位、多位、 以及客户要求定做的各种产品。 F、点阵（Dot matrix display） 外形和数码管不同，但性能等相关规格差别不大。,5、LED基础知识,1 波长 (Wavelength ) ,LED的参数,5、LED基础知识,LED光谱,5、LED基础知识,LED的特性 1、LED理想的I-V曲线图,施加正向电压时,施加反向

34、电压时,5、LED基础知识,LED的特性 2 LED电性参数图,5、LED基础知识,LED的发展,5、LED基础知识,1 车载用灯 汽车的内部照明显示虽不像外部信号灯那样受到政府有关部门的控制， 但汽车的制造者对LED的颜色及照度有要求。GaP LED早已用于车内， 超高亮度AlGaInP和InGaN LED由于在颜色和照度上可满足制造者的要 求，因而将更多的取代车内白炽灯。下图表示了LED在汽车上的应用：,LED的应用,5、LED基础知识,2 交通信号指示： 用超高亮度LED取代白炽灯，用于交通信号灯、警示灯、标志灯现已遍及世界各地，市场广阔，需求量增长很快。采用超高亮度LED取代 白炽灯后

35、，其耗电量仅为原来的12%。,LED的应用,5、LED基础知识,3 屏幕显示 大屏幕显示是超高亮度LED应用的另一巨大市场，包括：图形、文字、数字 的单色、双色和全色显示。,LED的应用,5、LED基础知识,4 液晶显示(LCD)的背照明 采用LED作为背照明的液晶显示器可用于移动电话、笔 记本电脑， 随着小型液晶显示器在节电型通信产品中的 广泛使用，将会对超 高亮度LED有更大的需求。,LED的应用,5、LED基础知识,5 固体照灯、室内照明 LED固体照明灯的功耗只占白炽灯的10%20%，白炽灯的寿命一般不超过 2000小时，而LED灯的寿命长达数万小时。这种体积小、重量轻、方向性好、 节

36、能、寿命长、耐各种恶劣条件的固体光源必将对传统的光源市场造成冲击。,LED的应用,5、LED基础知识,6 建筑装饰业 由于LED具有省电、环保、多种色彩等优点，近年来在灯饰行业的应用越来越普遍。,LED的应用,5、LED基础知识,回顾光源的发展,发光效率： 白炽灯7.519 lm/W 卤钨灯1821 lm/W 荧光灯2782 lm/W 荧光高压汞灯1853 lm/W 高压钠灯70150 lm/W 高显色型高压钠灯50110 lm/W 金卤灯65100 lm/W 无极灯6580 lm/W LED灯60150 lm/W,6、电光源比较,一般显色指数： 白炽灯、卤钨灯99100 荧光灯6080 荧光

37、高压汞灯3040 高压钠灯2025 高显色型高压钠灯70 金卤灯6585 无极灯80 LED灯5595,6、电光源比较,色温K： 白炽灯24002900、 卤钨灯29003200， 荧光灯27006500， 荧光高压汞灯44005500， 高压钠灯20002400，高显色型高压钠灯23003300， 金卤灯320020000， LED灯全覆盖,6、电光源比较,寿命： 白炽灯1000h 卤钨灯1500h 荧光灯15005000h 荧光高压汞灯30006000h 高压钠灯600015000h 低压钠灯18000h 高显色型高压钠灯300013000h 金卤灯100012000h 无极灯800030

38、000h LED灯1500030000h，,6、电光源比较,表面亮度：荧光灯较小，其余较亮 启燃与再启燃时间： 白炽灯、卤钨灯、无极灯、LED灯瞬时启燃 荧光灯13S，其它410分钟； 白炽灯、卤钨灯、无极灯、LED灯，荧光灯瞬时再启燃。 其它520分钟,6、电光源比较,电压特性 ： 电压变化对无极灯和LED影响较小，其它较大。 温度特性 ： 荧光灯、LED温度较低，其它都较高。同时，环境温度对荧光灯光通量影响较大，其它较小。,6、电光源比较,耐震性能： 白炽灯、卤钨灯较差，其他较好 频闪效应： 白炽灯、卤钨灯、LED、无极荧光灯、微波硫灯不明显， 其它明显。高频电子镇流器荧光灯不明显。,6、

39、电光源比较,总结,人类从远古的黑暗走来，不断地追求着光明。从感恩太阳的光辉和深怀着对闪电的惊惧，到利用火山爆发、雷电点燃的火把；从摇曳的烛光到昏黄的煤油灯；从第一个碳丝灯泡的出现，到石英卤素灯的广泛使用；从卤磷酸钙荧光灯，到稀土三基色荧光灯点亮万家灯火，再到LED，人类一步步将光明掌握在了手中。,课堂思考题 1、进行一条交通道路的照明设计，且周边多为现代化建筑，景观性要求较高，你认为选择哪种光源为宜？为什么？ 2、进行城市桥梁设计时，桥下有车道通过，需要在桥下对应车道的上方安装吸顶灯为桥下车道照明，选择哪种光源合适，为什么？,课堂思考题 3、眼科诊室，应当有较好的显色性以诊断患者的视力，你认为

40、选择哪种光源为宜？ 4，听力科诊室，不能有噪音，你认为选择哪种光源为宜？ 5、LED的可控性能好，具体体现在哪些方面？,课堂思考题 6、需要在储油间内安装防爆灯，其光源，你认为选择哪种合适？ 7、光源的额定容量为20W，光源的光通量为900lm，该光源的光效为多少？8、在色温相同的光源下，同一物体所显示的颜色一定相同吗？,简答 1、低压钠灯光效高，光色柔和、眩光小、透雾能力极强，为何没有在繁华的市区街道和室内照明中得到大面积应用？ 答案： 显色指数太低,2、钨丝兼作镇流器，因此不需要外接镇流器，可以像普通灯泡那样直接接入灯座使用，使用非常方便的光源是哪种？为何不应推广使用？ 答案： 自镇流荧光

41、高压汞灯。 该灯光效低，耗电较多，寿命因灯丝而缩短。,填空题 1、无极荧光灯可以 启动，关灯后可以 重新启动。 2、紫外线杀菌灯是一种强 光源，对核酸蛋白质作用极强，能使细菌发生变异或死亡。 3、金属卤化物灯光效高、寿命长、 好，而且可以根据不同需要设计制造出需要的光色。 4、高压钠灯具有发光效率高、寿命长、透雾性能好等优点。广泛用于道路、机场、码头、车站、广场及工矿企业照明，是一种理想的节能光源，缺点是 低。,立即,瞬时,紫外线,显色性,显色性,二、填空题 5、中显色高压钠灯和高显色高压钠灯是在普通高压钠灯基础上，适当提高电弧管内的钠蒸气气压，从而提高高压钠灯的 ，改善灯的 ，但与标准型高压

42、钠灯相比，它们的光效明显 。 6、LED是一种半导体发光二极管，利用 作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合发出过剩的能量，从而引起光子发射产生可见光。 7、目前常用固体发光光源应用最多的是 ？,填空 5、中显色高压钠灯和高显色高压钠灯是在普通高压钠灯基础上，适当提高电弧管内的钠蒸气气压，从而提高高压钠灯的色温度 ，改善灯的显色性 ，但与标准型高压钠灯相比，它们的光效明显下降 。 6、LED是一种半导体发光二极管，利用 固体半导体芯片 作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合发出过剩的能量，从而引起光子发射产生可见光。 7、目前常用固体发光光源应用最多的是

43、 LED ？,选择 1、局部照明白炽灯又称低电压安全灯。它适用于安全低电压 的局部照明场合，如机床工作照明及其它类似要求的场所。 A 612V B 2436V 636V D 1224V,6,36V,C,2、微波硫灯是一种高效节能光源，其发光原理为利用 245050 微波电磁场能量来激发石英泡壳内主要为硫的发光物质，使其形成分子辐射而产生可见光。 A Hz B kHz C MHz D GHz,MHz,C,3、LED为低压供电，具有附件简单、结构紧凑、可控性 、色彩 纯正、高亮点，防潮、防震性能好、节能环保等优点。 好，丰富 B 一般，丰富 C 好，单调 D 差，丰富,好,丰富,A,2.3 半导体

44、光源理论,1、单质半导体Si、Se等， 2、化合物InP、GaN、GaAs、SiC、ZnS、ZnO等,半导体材料分类：,2.3 半导体光源理论2.3.1半导体中的能带,根据原子结构理论，电子在原子的各层轨道上运动，都具有一定的能量，称为能级。当很多原子结合在一起时，所有电子的能级分裂的结果，形成一组密集的能级带，简称能带。用电子能量来衡量，能带可分为价带、导带和禁带（又称为带隙）。,自由电子能带 （外电场作用下就能参与导电）,价电子能带(价电子完全被共价健束缚住),2.3.1半导体中的能带,本征半导体： 完全纯净、结构完整没有杂质的半导体。 掺杂半导体： 在本征半导体中掺入微量杂质可使半导体性

45、质发生显著变化，称为掺杂半导体。 N型半导体：若掺入的杂质提供电子给导带，称为N 型杂质或施主杂质，如掺入锡和碲。掺入N型杂质的材料称为N型半导体 。 P型半导体：若掺入的杂质提供空穴给价带，称为受主杂质或P 型杂质 ，如掺入锗。掺入P 型杂质的材料称为P 型半导体。,晶体二极管:是一种由P型半导体和N型半导体形成的p-n结器件，最显著的特征是单向导电性（整流特性）。,LED（light emitting diode）发光二极管,多量子阱 （MQW）,1、LED使用的都是化合物半导体材料(发光二极管是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其

46、核心是PN结。),2、PN结之间插入多量子阱结构提高发光效率,3、LED发光波长主要由多量子阱组分决定,LED 问世于20世纪60年代，起源于美国，在日本发扬光大。 70年代初，美国杜邦化工厂首先研发出镓砷磷 LED，发桔红色，可作仪器仪表指示灯用。 随着技术进步，LED发光颜色覆盖从黄绿色到红外的光谱范围。 80年代后，用液相外延技术，制作高亮度红色LED和红外二极管。,2.3 半导体光源理论,1、LED的发展历程,MOCVD技术用于外延材料生长后，红光到深紫外LED亮度大幅度提高,AlGaAs使用于高亮度红光和红外LED。,AlGaInP适用于高亮度红、橙、黄及黄绿LED。,GaInN适用

47、于高亮度深绿、蓝、紫和紫外LED。,90年代半导体材料GaN使蓝、绿色LED光效达到10 lm/w，实现全色化,1、费密原理与费密能级,物质中的电子在不断地作无规则的运动，它们可以从较低的能级跃迁到较高的能级，也可以从较高的能级跃迁到较低的能级。就一个电子来看，所具有的能量时大时小，不断地变化，但从大量电子的统计规划来看，电子按能量大小的分布却有一定规律。因而我们只能从大量电子的统计规律来衡量每个能级被电子占据的可能性。,2.3.1半导体中的能带,费密(意大利 19011954 ),由于中子核反应的发现，他（37岁）获得1938年诺贝尔物理学奖。他和助手们在1942年12月2日在芝加哥大学建成

48、世界上第一座可控原子核裂变链式反应堆。随后费密参加了原子弹的研制工作。,1、费密原理与费密能级,一般而言，电子占据各个能级的几率是不等的。占据低能级的电子多而占据高能级的电子少。统计物理学指出，电子占据能级的几率遵循费密统计规律：在热平衡状态下，能量为E 的能级被一个电子占据的几率为：,f(E) 称为电子的费密分布函数，k、T 分别为波耳兹曼常数和绝对温度。EF 称为费密能级，它与物质的特性有关。,2.3.1半导体中的能带,费密分布函数的一些特性1EF,第一， EF 是描述电子的能级填充水平的假想能级， EF 越大，表示处于高能级的电子越多； EF 越小，则表示高能级的电子越少。 第二、EF

49、在能级图中的位置与材料掺杂情况有关。 1） 本征半导体： EF处于禁带的中央，,1、费密原理与费密能级,2.3.1半导体中的能带,费密分布函数特性,由式可见， 当T=0K时，若EEF， exp0,则f(E)=1； 若EEF，则f(E)=0。 可见在绝对零度时，能量比 EF 小的能级被电子占据的几率是100%，而能量比EF大的能级被电子占据的几率为零。即所有低于EF的能级都被占满，而所有高于EF的能级都空着。 因而费密能级是在绝对零度时电子所具有的最大能量，是能级在绝对零度时能否被占据的一个界限，因而它是一个很重要的参数。,1、费密原理与费密能级,2.3.1半导体中的能带,举例,当E-EF5kT

50、时，f(E) 0.007 当E-EF0.993 可见，温度高于绝对零度时，能量比费密能级高5KT的能态被电子占据的几率只有0.7%，几率很小，能级几乎是空的；而能级比费能级低 5KT 的能态被电子占据的几率是 99.3%，几率很大，该能级上几乎总有电子。 一般可以认为，在温度不很高时，能量小于费密能级的能态基本上为电子所占据：能量大于费密能级的能态基本上没有被电子占据；而电子占据费密能级的几率是任何温度下都是1/2。 所以费密能级的位置，比较直观地标志了电子占据能态的情况，或者说费密能级标志了电子填充能级的水平。费密能级高说明在较高的能态上有电子。,1、费密原理与费密能级,2.3.1半导体中的

51、能带,费密分布函数的一些特性,假定费密能级EF为已知。根据费米分布函数式可画出 f(E) 的曲线。,当T0K时， 若EEF， 则 f(E) 1/2； 若E= EF，则 f(E)=1/2； 若 EEF，则 f(E) 1/2。,1、费密原理与费密能级,2.3.1半导体中的能带,费密分布函数的一些特性,2）在掺杂半导体中： 如果是N型材料由于电子占据导带的几率较 大，则EF的位置上移离导带不远。 如果是P型材料则 EF 的位置下移离价带不远。,费密分布函数的一些特性,3)掺杂很重时: 对N 型材料，能参与导电的电子比空穴多许多，EF 的有可能进入导带； 对P 型材料， EF 可能进入价带。,费密分布

52、函数的一些特性,某个能级E不被电子占据的几率f(E) 为：,费密分布函数的一些特性,随着温度的升高，占据能量高于EF的能级上的电子增多，而占据能量底于EF的能级上的电子减少。 当E-EFKT时，由于(E-EF)/KT1，费密分布函数就转化为：,上式说明，在一定温度下，电子占据能量为E的能级的几率fB(E)由式中指数因子所决定，即电子能级的分布近似服从波耳兹曼分布规律式。,1、PN结的能带图,2.3.2PN结,2、 PN结的特性,PN结的特性：,2.3.2PN结,当P型半导体和N型半导体结合后，,电子和空穴的浓度差别扩散,P区失去空穴留下带负电的杂质离子,N区失去电子留下带正电的杂质离子,空间电

53、荷区，称为PN结, N指向P，称为内电场扩散的方向相反 对扩散有阻挡作用，称为势垒,3、 加正向电压时PN结的能带图,2.3.2PN结,2.3.3半导体器件的发光机理,如果在PN结上加正向电压，外电场与内电场的方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷，于是空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（由P区流向N区的正向电流）。在一定范围内，外电场愈强，正向电流愈大，这时PN结呈现的电阻很低，即PN结处于导通状态。,当外加电场正端接P区负端接N区与内电场方向相

54、反时，电子被迫从N区向P区方向集结，当足够数量的电子能级上升到导带能级，它们的电子能级就超过了势垒能级，电子流过P-N结进入P 区。 此时价带中有许多空穴存在而导带中有许多电子存在，这种状态称为粒子数反转。 来自导带的电子失去它的一些能量并下降到价带时，它们和空穴复合并产生出光子。这种过程称为复合。 在理想情况下，能量完全以光子的形式释放出来。如果这一过程自发地发生，则所发生出的光子能量近似地等于带隙的能量Eg，所产生的光子在许多随机的方向上进行。,2.3.3半导体器件的发光机理,激发载流子的方式有四种： （1） 光致发光：是由能量大于半导体能带间隙的入射光吸收产生少数载流子的过程。它在研究半

55、导体材料时常用 （2）阴极的射线发光：剩余载流子的产生是由高能电子电离的电子空穴队而来的。每一个入射的电子产生的电子空穴对数目是非常大的（对于一个10kev的电子，其典型数为103）,（3）放射线发光：由各种高能粒子轰击发光物体产生电子空穴对而引起发光 （4）电致发光：它是由于外加电场而产生少数载流子的过程利用这种现象制成的器件有LED、LD。 复合过程 电子空穴对一旦由上面提到的某种激发过程产生，电子将回到它的较低能量的平衡态并与空穴复合。这种复合能够通过两种途径发生：辐射复合，非辐射复合。,1、辐射复合 辐射复合可直接由带间电子和空穴复合产生，也可通过由晶体自身的缺陷、掺入的杂质和杂质的聚

56、合物所形成的中间能级来产生；这些缺陷或杂质就叫做发光中心。按电子跃迁的方式可把辐射分成两种。 （1）带间复合 带间复合是指导带中的电子直接与价带中空穴复合，产生的光子能量易接近等于半导体材料的禁带宽度。,半导体材料如GaAs,Inp等，由于价带极大与导带极小对应于同一位置（零动量位置）这种半导体材料的能带称为直接带隙半导体能带，也即是说，在直接带隙半导体的电子能量E（k)与波数K关系曲线中，导带极小与价带极大具有相同的K值，电子与空穴在这种材料中的复合为二体过程，辐射效率不高。 如果半导体材料的E（k)K曲线中，导带极小与价带极大对应于不同的K值，称为间接带隙半导体能带。,带间复合必需涉及一个

57、第三者的粒子以保持动量守恒。声子（晶格振动)就是这里的第三者。 但是这种三粒子过程中电子空穴复合的几率比直接带隙材料中小23个数量级，Si、Ge、GaP等都属于间接带隙。,两种带间复合,电子吸收光子的跃迁过程必须满足能量和动量守恒，电子在跃迁过程中波矢保持不变 (在波矢k空间必须位于同一垂线上）直接跃迁,直接跃迁和间接跃迁,常见半导体GaAs就属于此类： 直接带隙半导体,直接跃迁中吸收系数 和光子能量的关系为,（A为一基本常数）,间接跃迁：动量不守恒，电子不仅吸收光子，同时还和晶格交换一定的振动能量，即放出或吸收一个声子从而达到动量守恒. 光吸收系数（1-103 cm-1）比直接跃迁（104

58、- 106 cm-1 ) 小得多。,Si：间接带隙 半导体,（2）非间接复合 施主和受主杂质不仅决定于材料的导电类型和电阻率，而且当杂质是发光中心时，它们还支配着辐射复合过程，杂质取代晶体内部的基质原子，其位置不规则，因而形成周期性排列。杂质能级在动量空间扩展开，特别是出现在K0处，（说明杂质能级于半导体的价带顶或导带低具有相同的动量）。 这说明为何含有杂质能级的跃迁能如此有效，复合的辐射部分可以发生在从导带到受主或从施主到价带，跃迁更经常发生在施主和受主能态之间，因为它们分别单独为电子和空穴提供低能态。,对于各种特定的搀杂剂和半导体的组合，最佳的杂质浓度通常是以高效发光为目的的经验来决定。一般情况下，杂质浓度不能太小，因为： 注入少数载流子的复合几率直接正比于将要与之复合的多数载流子的浓度（即发光中心浓度） 较高的串联电阻是由于低的载流子浓度的缘故，在大电流下，能引起过多的发热和大的电压降。,另一方面，杂质浓度不能太大，由于“浓度悴灭”，在浓度接近杂质溶解度极限时会引起诸如沉淀和金属络合物等冶金学缺陷，使半导体根本不会发光，因此浓度不能太大。 对于所搀施主杂质，浓度范围为1017