第二章_发光器件及其运用.

1、一切能产生光辐射的辐射源都称为光源。一切能产生光辐射的辐射源都称为光源。光源光源一、光电仪器中的常用光源一、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：按照发光机理，光源可以分为如下几类：热辐射光源热辐射光源气体放电光源气体放电光源固体发光光源固体发光光源激光器激光器太阳太阳白炽灯、卤钨灯白炽灯、卤钨灯黑体辐射器黑体辐射器汞灯、荧光灯、钠灯汞灯、荧光灯、钠灯氙灯、金属卤化物灯氙灯、金属卤化物灯氘灯、空心阴极灯氘灯、空心阴极灯场致发光灯场致发光灯发光二极管发光二极管气体激光器、固体激光器气体激光器、固体激光器染料激光器、半导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由

2、物体温度高于绝对零度而产生的物体热辐射，称为热产生的物体热辐射，称为热辐射光源。辐射光源。由于物体在特定环境下受外由于物体在特定环境下受外界能量激发而产生辐射，为界能量激发而产生辐射，为激发辐射，其光源被称为冷激发辐射，其光源被称为冷光源。光源。冷光源按激发方式分可分为冷光源按激发方式分可分为光致发光、化学发光、摩擦光致发光、化学发光、摩擦发光、阴极射线致发光、发光、阴极射线致发光、电致发光等。电致发光等。（1 1）辐射效率和发光效率）辐射效率和发光效率一、光电仪器中的常用光源一、光电仪器中的常用光源 1 1、光源的基本特性参数、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

3、电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。功率之比，就是该光源的发光效率。780e,380vV( )dmvKPP单位为单位为lm/Wlm/W（1 1）辐射效率和发光效率）辐射效率和发光效率一、光电仪器中的常用光源一、光电仪器中的常用光源 1 1、光源的基本特性参数、光源的基本特性参数光源种类光源种类发光效率发光效率光源种类光源种类发光效率发光效率普通钨丝灯普通钨丝灯8 81818高压汞灯高压汞灯30304040卤钨灯卤钨灯14143030高压钠灯高压钠灯9090100100普通荧光灯普通荧光灯35356060球形氙灯球形氙灯30304040三基色荧光灯三基

4、色荧光灯55559090金属卤化物灯金属卤化物灯60608080（2 2）光谱功率分布）光谱功率分布一、光电仪器中的常用光源一、光电仪器中的常用光源 1 1、光源的基本特性参数、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。若令其最大值为功率分布来描述。若令其最大值为1 1，得到相应归一化的光，得到相应归一化的光谱功率分布，称为相对光谱功率分布。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、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。带状光谱

5、、连续光谱、混合光谱。（2 2）光谱功率分布）光谱功率分布一、光电仪器中的常用光源一、光电仪器中的常用光源 1 1、光源的基本特性参数、光源的基本特性参数( )P0线状光谱线状光谱( )P0带状光谱带状光谱( )P0连续光谱连续光谱( )P0混合光谱混合光谱( )P0带状光谱带状光谱( )P0带状光谱带状光谱( )P0带状光谱带状光谱( )P0带状光谱带状光谱（3 3）空间光强分布）空间光强分布一、光电仪器中的常用光源一、光电仪器中的常用光源 1 1、光源的基本特性参数、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

6、空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，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，即配光曲起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。线。 在光学仪器中，为了提高光的利用率，一般选择发光强在光学仪器中，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。度高的方向作为照明方向。（4 4）光源的色温）光源的色温一、光电仪器中的常用光源一、光电仪器中的常用光源 1 1、光源的基本特性参数、光源的基本特性参数 黑体的温度决定了它的光辐射特

7、性。对于非黑体辐射，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。般光源，常用用分布温度、色温和相关色温表示。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，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。那么该黑体的温度就称该辐射源的分布温度。（4 4）光源的色温）光源的色温一、光电仪器中的常用光源一、

8、光电仪器中的常用光源 1 1、光源的基本特性参数、光源的基本特性参数色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色温：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。的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。相关色温：在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某一相关色温：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。该光源的相关色温。（4 4）光源的色温）光源的色温一、光电仪器中的常用光源一、光电仪器中的常用光源 1 1、光源的基本

9、特性参数、光源的基本特性参数光源光源 色温色温 北方晴空北方晴空 8000-8500k 8000-8500k 阴天阴天 6500-7500k 6500-7500k 下午日光下午日光 4000k 4000k 钨丝灯钨丝灯 2700k 2700k 高压钠灯高压钠灯 1950-2250k 1950-2250k 蜡烛光蜡烛光 2000k 2000k 高压汞灯高压汞灯 3450-3750k 3450-3750k （4 4）光源的色温）光源的色温一、光电仪器中的常用光源一、光电仪器中的常用光源 1 1、光源的基本特性参数、光源的基本特性参数色温色温 光色光色 气氛效果气氛效果 5000K 5000K 清凉

10、清凉 ( (带蓝的白色带蓝的白色) ) 冷的气氛冷的气氛 3300-5000K 3300-5000K 中间中间 ( (白白) ) 爽快的气氛爽快的气氛 3300K 3300K 温暖温暖 ( (带红的白色带红的白色) ) 稳重的气氛稳重的气氛 2.2.发光二极管的基本工作原理与特性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 2.1.1 发光二极管的发光机理发光二极管的发光机理 发光二极管（即LE

11、D）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.PN1.PN结注入发光结注入发光 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。 2.2.异质结注入发光异质结注入发光 为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。图为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。图2-132-13（a a）表示）表示理想的异质结能带图。由于理想的异质结能带图。由于p p区和区和n n区的禁带宽度不相等，当加上区的禁带宽度不相等，当加上正向电压时小区

12、的势垒降低，两区的价带几乎相同，空穴就不断正向电压时小区的势垒降低，两区的价带几乎相同，空穴就不断向向n n区扩散。区扩散。 对对n n区电子，势垒仍然较高，不能注入区电子，势垒仍然较高，不能注入p p区。区。这样，禁带宽的这样，禁带宽的p p区成为注入源，禁带窄的区成为注入源，禁带窄的n n区成为载流子复合发光的发光区（图区成为载流子复合发光的发光区（图2-2-1313（b b）。）。由于由于n n区所发射的光区所发射的光子能量子能量hvhv比比E EG2G2 小小得多，它进入得多，它进入p p区不区不会引起本征吸收而会引起本征吸收而直接透射出去。直接透射出去。2.1.2 2.1.2 基本结

13、构基本结构 1. 1. 面发光二极管面发光二极管 图6-3所示为波长0.80.9m的双异质结GaAsAIGaAs面发光型LED的结构。它的有源发光区是圆形平面，直径约为50m，厚度小于2.5m。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。2.2.边发光二极管边发光二极管 图6-4所示为波长1.3m的双异质结InGaAsPInP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

14、面射出。2.1.3LED2.1.3LED的特性参数的特性参数 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，其波长与跃迁前后的能量差E之间的关系为hcE。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。 例如例如GsAsGsAs的峰值波长出现在的峰值波长出现在1.1eV1.1eV

15、，比室温下的禁，比室温下的禁带宽度少带宽度少0.3eV0.3eV。当。当GaAsGaAs1x1xP Px x中的中的x x值不同时，峰值波长值不同时，峰值波长在在620620680nm680nm之间变化，谱线半宽度大致为之间变化，谱线半宽度大致为 202030nm30nm。GaPGaP发红光的峰值波长在发红光的峰值波长在700nm700nm附近，半宽度大约为附近，半宽度大约为100nm100nm。 发光效率由发光效率由内部量子效率内部量子效率与与外部量子效率外部量子效率决定。内部决定。内部量子效率在平衡时，电子量子效率在平衡时，电子- -空穴对的激发率等于非平衡载空穴对的激发率等于非平衡载流子

16、的复合率（包括辐射复合和无辐射复合），而复合率流子的复合率（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又分别决定于载流子寿命r r和和rnrn，其中辐射复合率与，其中辐射复合率与1/1/r r成正比，无辐射复合率为成正比，无辐射复合率为1/1/rnrn，内部量子效率为，内部量子效率为 ieoinnn（1 1）光子通过半导体有一部分被吸收）光子通过半导体有一部分被吸收（2 2）有一部分到达界面后因高折射率产生全反射而）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返回晶体内部后被吸收（3 3）只有一部分发射出去）只有一部分发射出去inexnnex(6-2) CaP红

17、光发射效率红光发射效率ex很小，最高为很小，最高为15发绿光的发绿光的GaP的的ex约为约为0.7对发红光的对发红光的 GaAs0.6P0.4，其，其ex约为约为0.4对发红外光的对发红外光的In0.32Ga0.68Pex约为约为 0.1 2. 2. 时间响应特性与温度特性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：提高外部量子效率的措施有三条：用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂（用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂（n n2 2 =1.55 =1.55）涂敷在发光二极管上；涂敷在发光二极管上；把晶体表面加工成半球形；把晶体表面加工成半球形；用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光

18、吸收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1s，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. 3. 发光亮度发光亮度 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 ReiLdn4. 4. 最大工作电流最大工作电流 在低工作电流下，发光二极管发光在低工作电流下，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，发光效率不电流增加到一定值时

19、，发光效率不再增加；相反，发光效率随工作电再增加；相反，发光效率随工作电流的继续增加而降低。流的继续增加而降低。发光二极管最大容许功耗为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，则发光管最大容许的工作电流为 dddfffdfrPrrIUUrII24)()(max2max（6-4） 式中，式中，rd为发光二极管的动态内阻；为发光二极管的动态内阻；If、Uf均为发光二极管在较小均为发光二极管在较小工作电流时的电流和正向压降。工作电流时的电流和正向压降。 5. 5. 伏安特性伏安特性 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

20、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 iioexp(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m2。电流增大后，扩散电流占优势时，m1。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. 6. 寿命寿命 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. 7. 响应时间响应时间 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