打印 第四章 红外辐射源

1、 红外技术及应用红外技术及应用1第四章 红 外 辐 射 源 红外技术及应用红外技术及应用2 2用Gouffe公式( )计算：当腔体为球形，材料选用表面发射率为0.8的不锈钢，要求直径为20cm的圆形开口时，若要求有效发射率达到0.998，应如何设计腔长？SsSsSs)1 ()(1 (1 0 红外技术及应用红外技术及应用34.1 黑体型辐射源黑体型辐射源 4.1.1 空腔辐射理论 基尔霍夫定律证明密闭空腔内的辐射就是黑体的辐射。 腔体辐射理论是制作黑体源所涉及的基础，主要有哥福（Gouff）理论、德法斯（Devos）理论等。 Gouff在1954年提出了一个计算开孔空腔有效发射率的表达式。 De

2、vos在1954年给出了黑体辐射源腔孔有效发射率的计算公式。 红外技术及应用红外技术及应用44.1.2 黑体辐射源 黑体型辐射源作为标准辐射源，广泛地用做红外设备的绝对标准。然而，黑体是一种理想化的概念，在自然界并不存在绝对的黑体。因此，我们也就不可能制作出一个绝对黑体。由前面的讨论可知，开有小孔的空腔很接近黑体，所以通常就把开有小孔的空腔叫做黑体辐射源（或标准黑体辐射源）。它可以作为一种标准来校正其他辐射源或红外系统。 红外技术及应用红外技术及应用5 典型的实用黑体型辐射源的构造如图4-1所示 图4-1 三种典型的腔体结构 红外技术及应用红外技术及应用6 如按辐射腔口的口径尺寸来分类，则可把

3、黑体型辐射源分为以下三类： 大型：100mm； 中型：30 mm； 小型：10 mm。 如按工作温度的范围来分类，则可把黑体型辐射源分为以下三类： 高温：30002000K； 中温：900500K； 低温：400200K。 红外技术及应用红外技术及应用7在设计制造黑体型辐射源时，应考虑以下几个问题。 1 1腔形的选择 2 2对腔芯材料加热的要求 3 3腔体的等温加热 4 4腔体的温度控制和测量 5 5降低黑体前表面的辐射 红外技术及应用红外技术及应用8黑体视场的示意图 图4-2 黑体视场的示意图 红外技术及应用红外技术及应用94.2 其它红外辐射源其它红外辐射源 下面主要介绍实验室和光谱仪器中

4、常用的红外辐射源，如能斯脱灯、硅碳棒、钨丝（带、管）灯、氙灯、汞灯和各种气体放电灯等等。 红外技术及应用红外技术及应用104.2.1 电热固体辐射源电热固体辐射源 1能斯脱灯能斯脱灯 能斯脱灯常作为红外分光光度计中的红外辐射源。它有寿命长，工作温度高，黑体特性好和不需要水冷等特性。管子两端绕有铂丝，以作为电极与电路的连接。 由于能斯脱灯都是细长的圆柱形，因而对分光光度计狭缝的照明特别有用。能斯脱灯的主要缺点是机械强度低，稍受压，就会损坏。 典型能斯脱灯的各项参数如下：功率消耗为45W、工作电流为0.1A；工作温度为1980K；尺寸为3.1mm（直径）12.7mm（长度）。 红外技术及应用红外技

5、术及应用11 2. 硅碳棒硅碳棒 硅碳棒是用碳化硅（SiC）做成的圆棒。一般硅碳棒的直径为650 mm，长度为5100cm。在空气中的工作温度一般在12001400K，寿命约为250h。 硅碳棒的主要缺点是最高工作温度较低，需要镇流的电源设备。同时，由于碳化硅材料的升华效应，会使材料粉末沉积在光学仪器表面上，因此它不能靠近精密光学仪器附近工作。另外，工作时需要水冷装置，耗电量较大等 红外技术及应用红外技术及应用12 3 钨丝灯、钨带灯和钨管灯钨丝灯、钨带灯和钨管灯 钨丝灯是近红外测量中常用的辐射源。但由于玻璃泡透过区域的限制，这种灯的辐射波长通常在3m以下。 钨带灯是将钨带通电加热而使其发光的

6、光源。钨带常做成狭长的条形，宽约为2mm，厚度约为0.05mm左右。 钨管灯是由一根在真空或氩气中通电加热的钨管做成的。真空灯的温度可达1100，充氩灯的温度可达2700。 红外技术及应用红外技术及应用13 4乳白石英加热管乳白石英加热管 乳白石英加热管是一种新型红外加热元件。 乳白石英加热管是以天然水晶为原料，在以石墨电极为坩埚发热体的真空电阻炉中熔融（1740）拉制而成的。在熔融过程中，使气体在熔体中形成大量的小气泡，故外观呈乳白色。乳白石英玻璃材料耐热性能好（可耐2001300高温），热膨胀系数低，有优良的抗热震性能和电绝缘性能，此外，还具有很好的化学稳定性，但机械强度和耐冲击性能较差。

7、 红外技术及应用红外技术及应用144.2.2 气体放电辐射源气体放电辐射源 当电流通过气体媒质时，会产生放电现象，利用这种放电现象可制作辐射源。 1水银灯 2氙气 3碳弧 红外技术及应用红外技术及应用15辉光放电与弧光放电的区别从现象来看，弧光放电要比辉光放电剧烈的多，辉光是出现玫瑰色的柔和光，没有大量热产生，而弧光放电却是是耀眼的白光，有大量热产生。辉光放电一般发生在低压气体中，当外加电场很强时候，自然存在的电子便会加速碰撞气体分子，产生二次电子，同时伴随辉光的发生,一般电流密度不大。而且，这个过程是不能持续进行的，如果电压稍有降低，二次电子数量减少，辉光就会熄灭。弧光放电则可以在常压下发生

8、，而且此时气体中多数已经比电离，由于体系的温度已经相当高，电子，气体分子热运动相互碰撞产生的二次电子速度足以超过电子与正离子结合速度，所以，及时降低电压弧光也能维持下去。当然，此时外加电压提供的能量就是供给弧光放电以及热运动的,当电压降低到某个程度时候，体系温度下降，弧光也会消失。 红外技术及应用红外技术及应用16日光灯与水银灯的区别 日光灯：灯管内也充有微量的惰性气体（如：氩）和稀薄的汞蒸气，两个灯丝之间的气体导电时发出紫外线，激发涂在管壁上的荧光粉发出柔和的可见光。也可发出红外光，取决于荧光粉。 水银灯：水银蒸汽直接发光。1. 水银灯 红外技术及应用红外技术及应用172. 氙灯 除利用金属

9、蒸气放电制作辐射派(如水银灯)之外，还可利用情性气体的放电现象制成辐射源。超高压下的氩、氪、氙等情性气体在紫外和可见光区域具有连续光谱，而在红外波段则有明显的线光谱叠加在连续光谱上。在惰性气体中，以氙气放电最为常用，由它制成的辐射源叫做氙灯。 红外技术及应用红外技术及应用18氙灯与水银灯对比 氙灯与水银灯不同，后者在启动之前蒸气压不高，而前者在启动之前的常温下就一直存在有很高的气压，所以要点燃惰性气体放电灯需要有辅助装置触发器。 红外技术及应用红外技术及应用19短弧氙灯的光谱分布 红外技术及应用红外技术及应用203. 碳弧 前面的各种放电灯均采用密封的泡壳，放电在其中进行。碳弧则是开放式放电，

10、电弧发生在大气中的两个碳棒之间。 为使电弧保持稳定，阳极做成有芯结构，一般它由外壳和灯芯形成，采用纯碳素材料，碳黑，石墨，焦炭制作，只是灯芯材料较软。 放电时，阳极大量放热，造成碳的蒸发，而灯芯的蒸发比外壳厉害得多，因此便在阳极中心形成稳定的喷火口（弧坎）。碳弧的辐射90是从阳极弧坎发出，其中主要是热辐射。 红外技术及应用红外技术及应用21碳弧的光谱分布 红外技术及应用红外技术及应用224.2.3 红外激光器红外激光器 激光器是20世纪60年代发展起来的一种新型光源。与普通光源相比，激光具有方向性好、亮度高、单色性和相干性好等特性。激光器的出现从根本上突破了以往普通光源的种种局限性（如亮度低、

11、方向性和单色性差等），赋予古老光学技术以新的生命力，产生了许多新的分支学科，如全息照相、光信息处理、非线性光学等。本节将简单介绍激光的特性及常用的红外激光器。 红外技术及应用红外技术及应用23 激光与普通光源相比，有如下三个特点。 1激光的方向性好 2激光光束具有高亮度 3单色性和相干性好 红外技术及应用红外技术及应用24 任何种类的激光器，其基本结构必然包括以下三个主要组成部分： （1）工作物质：用来在特定能级间实现粒子数反转并产生受激发射。 （2）抽运（泵浦）装置：用来激励工作物质，使其产生并维持特定能级间的粒子数反转和相应的受激发射。 （3）光学谐振腔：其作用是保证受激发射光子在腔内产生

12、持续的激光振荡，此外还对振荡光子的特征（频率、方向等）加以限制，以保证激光输出的高定向性和高单色性。 红外技术及应用红外技术及应用25 激光就是由受激辐射产生的被放大了激光就是由受激辐射产生的被放大了的相干光。的相干光。激光的英文名为激光的英文名为“ight amplification by stimulated emission of radiation”第一个字母的缩写。第一个字母的缩写。Laser 红外技术及应用红外技术及应用26梅曼和第一只红宝石激光器梅曼和第一只红宝石激光器 红外技术及应用红外技术及应用27一、激光的特性一、激光的特性1. 方向性好方向性好 红外技术及应用红外技术及应

13、用282. 单色性好单色性好 红外技术及应用红外技术及应用29 在普通光源中，单色性最好的是作为长度基准器在普通光源中，单色性最好的是作为长度基准器的氪灯（的氪灯（K186）；它的谱线宽度为）；它的谱线宽度为4.710-3纳米，纳米，而激光谱线宽为而激光谱线宽为10-9纳米，为氪灯谱线宽度的纳米，为氪灯谱线宽度的5万分万分之一。采用稳频等技术还可以进一步提高激光的单之一。采用稳频等技术还可以进一步提高激光的单色性。色性。 计量工作的计量工作的标准光源、激光标准光源、激光通讯等利用了单通讯等利用了单色性好的特点。色性好的特点。光缆光缆 红外技术及应用红外技术及应用303. 能量集中能量集中4.

14、相干性好相干性好空间高度集中：空间高度集中：亮度比太阳表面高亮度比太阳表面高 倍。倍。时间高度集中：时间高度集中：功率峰值为功率峰值为 瓦。瓦。 10101210 红外技术及应用红外技术及应用31时间和空间相干性时间和空间相干性激光具有很好的相干性。激光具有很好的相干性。 普通光源的相干长度约为普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米，毫米至几十厘米，激光可达几十公里。激光可达几十公里。 全息照相、全息全息照相、全息存储等就利用了相干存储等就利用了相干性好的特点。性好的特点。全息照相全息照相 红外技术及应用红外技术及应用32（1）时间相干性：波场中同一点不同时刻光波场特性的相关）时间相干性：波场

15、中同一点不同时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于原子发光的间断性。性。此相干性来源于原子发光的间断性。描述时间相干性描述时间相干性的等效物理量：的等效物理量：相干时间：相干时间：c相干长度：相干长度：cL谱线宽度：谱线宽度：1ccLcc（2）空间相干性：波场中不同点在同一时刻光波场特性的）空间相干性：波场中不同点在同一时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于光源中不同原子发光的独立性。相关性。此相干性来源于光源中不同原子发光的独立性。 红外技术及应用红外技术及应用33相干体积相干体积Vc：若在空间体积：若在空间体积Vc内各点的光波场都具有明显的内各点的光波场都具有明显的相干性，则相干性，则Vc

16、称为相干体积。称为相干体积。cAcALAVcccccc相干面积相干面积:cAxRPS1S2zPLx事例事例:双缝干涉实验中的条纹双缝干涉实验中的条纹可见度要高可见度要高,必须要求光波有必须要求光波有明显的相干性明显的相干性,即要满足即要满足:xLRx物理意义物理意义:光源的线度光源的线度 不能大于不能大于 !xxLR 红外技术及应用红外技术及应用34二、辐射与跃迁二、辐射与跃迁跃迁：跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。吸收跃迁：吸收跃迁： 低低吸收能量吸收能量高高12hEE 辐射跃迁：辐射跃迁：高高辐射能量辐射能量低低（自发辐射）（自发

17、辐射） 红外技术及应用红外技术及应用35自发辐射、受激吸收和受激辐射自发辐射、受激吸收和受激辐射1. 自发辐射自发辐射2E1E发光前发光前h发光后发光后21hEE 红外技术及应用红外技术及应用36普通光源普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、相位不一定相同振动方向、相位不一定相同为为非相干光非相干光。自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：21A211SA 原子在能级原子在能级 的平均寿命的平均寿命2

18、E只与原子本身性质有关，与辐射场无关只与原子本身性质有关，与辐射场无关 红外技术及应用红外技术及应用372. 受激吸收受激吸收2E1E吸收前吸收前h吸收后吸收后21hEE 受激吸收跃迁几率：受激吸收跃迁几率：1212WB 12B：受激吸收跃迁爱因斯坦系数：受激吸收跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关只与原子本身性质有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关 红外技术及应用红外技术及应用382E1E发光前发光前hh发光后发光后h21hEE 3. 受激辐射受激辐射当外来光子的频率满足当外来光子的频率满足 时，使原子中处于高时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下

19、向低能级跃迁而发光。能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。21hEE 21B：受激辐射跃迁爱因斯坦系数：受激辐射跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关只与原子本身性质有关受激辐射跃迁几率：受激辐射跃迁几率：2121WB 与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关 红外技术及应用红外技术及应用39 爱因斯坦三系数爱因斯坦三系数 的相互关系的相互关系212112ABB、热平衡状态：热平衡状态：辐射率辐射率 吸收率吸收率 （辐射场总光子数保持不变）（辐射场总光子数保持不变）玻尔兹曼统计分布：玻尔兹曼统计分布：221221112n An Bn B各能级上的原子数密度（

20、集居数密度）各能级上的原子数密度（集居数密度）123nnn、 、21()2211EEKTnfenf 12ff、能级能级 和和 的简并度，的简并度， 或称统计权重或称统计权重1E2E 红外技术及应用红外技术及应用40常用激光器由三部分组成：常用激光器由三部分组成： 工作物质工作物质 泵浦源泵浦源 光学谐振腔光学谐振腔激光激光工作物质工作物质激励能源激励能源谐振腔谐振腔1M2M激光器结构示意图激光器结构示意图三、激光工作条件三、激光工作条件 红外技术及应用红外技术及应用41受激辐射光放大简称为受激辐射光放大简称为激光。激光。粒子数反转粒子数反转 在温度为在温度为 T 的平衡态下，原子中的电子处于高

21、、低的平衡态下，原子中的电子处于高、低两个能级上的数目之比为两个能级上的数目之比为kTEkTEEeeNN/)(1212/ 讨论讨论正常分布：正常分布：N1N2。光吸收比光辐射占优势。光吸收比光辐射占优势。 粒子数反转：粒子数反转：N2N1。光通过物质得到光放大。光通过物质得到光放大。 红外技术及应用红外技术及应用42粒子数反转必须具备的条件：粒子数反转必须具备的条件： 能量的供应过程能量的供应过程激励（光泵浦）激励（光泵浦）工作物质内必须存在工作物质内必须存在亚稳态能级亚稳态能级 亚稳态不如基态稳定，亚稳态不如基态稳定，但比激发态稳定。但比激发态稳定。He,Ne,Ar,Ru,CO2等具有等具有

22、亚稳态，可实现粒子数亚稳态，可实现粒子数反转反转。hhh亚稳态亚稳态E2基态基态E1激发态激发态E3三能级系统示意图三能级系统示意图hEE12E1与与E2之间产生以之间产生以受受激辐射为主的跃迁激辐射为主的跃迁激励激励无辐射跃迁无辐射跃迁 红外技术及应用红外技术及应用43光学谐振腔光学谐振腔使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强，其它方向、使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强，其它方向、其它频率的辐射受到抑制的装置其它频率的辐射受到抑制的装置全反射镜全反射镜M1部分反射镜部分反射镜M2激光激光工作物质工作物质作用作用选择激光的方向选择激光的方向选择激光的频率选择激光的频率激励能源激励能源 红

23、外技术及应用红外技术及应用44He-Ne激光器的工作原理激光器的工作原理激光器的基本构成及激光的形成激光器的基本构成及激光的形成具有亚稳态能级结构的工作物质、激励系统和光学谐振腔具有亚稳态能级结构的工作物质、激励系统和光学谐振腔 光束在谐振腔内来回震荡，在工作物质中的传播使光得以光束在谐振腔内来回震荡，在工作物质中的传播使光得以放大，并输出激光。放大，并输出激光。反射镜反射镜反射镜反射镜阳极阳极阴极阴极布儒斯特窗布儒斯特窗毛细管毛细管工作物质：工作物质：氦气氦气辅助物质：辅助物质：氖气氖气激励方式：激励方式：直流气体放电直流气体放电 红外技术及应用红外技术及应用45按输出方式分：按输出方式分：

24、单单(连续连续)脉冲输出脉冲输出连续输出连续输出半导体激光器半导体激光器按工作物质分按工作物质分 ：气体激光器气体激光器固体激光器固体激光器液体激光器液体激光器自由电子激光器自由电子激光器激光器的分类激光器的分类激光器的组成和常见激光器激光器的组成和常见激光器Q开关输出开关输出 红外技术及应用红外技术及应用46红外发光二极管 红外技术及应用红外技术及应用47一、一、P-NP-N结基本原理结基本原理1 P-N1 P-N结的形成与少子注入发光结的形成与少子注入发光内建电场内建电场空间电荷区空间电荷区P PN N空穴空穴电子电子扩散扩散漂移漂移 红外技术及应用红外技术及应用48 利用正向偏置利用正向

25、偏置PNPN结中电子与空穴的辐射复合发光结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒的，是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。干光。 P-AIP-AIx xGaGa1-x1-xAsAsN-AIN-AIy yGaGa1-y1-yAsAsP- GaAsP- GaAs光输出光输出双异质结半导体发光二极管的结构示意图双异质结半导体发光二极管的结构示意图 红外技术及应用红外技术及应用492LED的效率的效率半导体中注入电能转换成所希望的辐射能取决于三个因素：非平衡少子的激发

26、；这些载流子的辐射复合；将产生的光从晶体中引出。因此功率转变效率可以写成三部分效率的积 ：xgpint 红外技术及应用红外技术及应用50v 发光二极管的光发射来源于发光二极管的光发射来源于P-NP-N结少数载流子注入，若注结少数载流子注入，若注入的非平衡载流子复合后产生光子就出现光发射。但是入的非平衡载流子复合后产生光子就出现光发射。但是非平衡载流子未必一定能复合，而且复合后可能成为光非平衡载流子未必一定能复合，而且复合后可能成为光辐射也可能产生非辐射形式的能量。所以好的发光二极辐射也可能产生非辐射形式的能量。所以好的发光二极管应该使注入的非平衡载流子产生尽量多的光子。为了管应该使注入的非平衡

27、载流子产生尽量多的光子。为了描述这一特性，引入描述这一特性，引入内量子效率内量子效率intint为复合产生的光子为复合产生的光子数数N NT T和注入的电子空穴对数和注入的电子空穴对数G G之比之比, ,在稳定态时，电子空在稳定态时，电子空穴对数的激发率应等于非平衡载流子的复合率穴对数的激发率应等于非平衡载流子的复合率 GNTint 红外技术及应用红外技术及应用51v 载流子复合后产生的光子不一定能射出器件之外，有载流子复合后产生的光子不一定能射出器件之外，有一部分在半导体内被吸收，或者一部分在表面处被反一部分在半导体内被吸收，或者一部分在表面处被反射回器件等等，所以作为一种发光器件，我们所关

28、心射回器件等等，所以作为一种发光器件，我们所关心的是射出器件外的光子数有多少。表征这一特性的参的是射出器件外的光子数有多少。表征这一特性的参数叫数叫外量子效率外量子效率exex，定义为，定义为v 内量子效率高的器件不一定外量子效率就高。内、外内量子效率高的器件不一定外量子效率就高。内、外量子效率数量上的关系表征了器件结构的光学性能，量子效率数量上的关系表征了器件结构的光学性能，我们称内外量子效率之比为光学效率。内量子效率与我们称内外量子效率之比为光学效率。内量子效率与外量子效率之间还有一个简单的关系式外量子效率之间还有一个简单的关系式 GNTex)(1intATaVaVex 红外技术及应用红外

29、技术及应用52v 功率效率功率效率是指输出的光功率与输入的激发功率之比。与是指输出的光功率与输入的激发功率之比。与量子效率相比，载流子数和光子数都是微观参量，不可量子效率相比，载流子数和光子数都是微观参量，不可能用宏观测量手段直接获得，而功率是可以用宏观手段能用宏观测量手段直接获得，而功率是可以用宏观手段测量的，所以功率效率是从宏观上描述发光器件性能的测量的，所以功率效率是从宏观上描述发光器件性能的参数。参数。 IVPP0 红外技术及应用红外技术及应用53二、发光二、发光LEDLED的外形与结构的外形与结构常见发光二极管外形常见发光二极管外形 按功率可分为小按功率可分为小(100mw)、中、中

30、(几百几百mw)、大、大(数数w)三三种，功率不同，外形也不同。小功率管多采用全塑封装，种，功率不同，外形也不同。小功率管多采用全塑封装，也有部分采用金属或陶瓷底座，顶端用玻璃或树脂透镜封也有部分采用金属或陶瓷底座，顶端用玻璃或树脂透镜封装。中大功率管一般采用有螺纹的底座以便于安装在散热装。中大功率管一般采用有螺纹的底座以便于安装在散热片或金属底座上。片或金属底座上。 LED的的P-N结采用三结采用三-五族元五族元素，折射率比空气大，为防止素，折射率比空气大，为防止全反射，在表面镀抗反射膜，全反射，在表面镀抗反射膜，前端有聚光镜可提高亮度。前端有聚光镜可提高亮度。 红外技术及应用红外技术及应用

31、54 有源区有源区 圆形金属触圆形金属触点点SiO2SiO2绝缘绝缘层层SiO2SiO2绝缘层绝缘层金属化层金属化层热沉热沉双异质结双异质结层层衬衬底底限制限制层层接合材料接合材料金属化层金属化层光纤光纤圆形蚀刻圆形蚀刻孔孔L球透镜球透镜环氧树脂环氧树脂P P层层有源层有源层N N层层发光区发光区面发光二极管的结构示意图面发光二极管的结构示意图 红外技术及应用红外技术及应用55 金属化层金属化层( (用于电接触用于电接触) )SiOSiO2 2绝缘层绝缘层双异质结双异质结热沉热沉衬底衬底导光层导光层金属化层金属化层( (用于电接触用于电接触) )条形接触条形接触( (确定有源区确定有源区) )

32、有源区有源区边发光型边发光型LED的结构示意图的结构示意图 红外技术及应用红外技术及应用561. 1. 发光光谱发光光谱三、发光三、发光LEDLED的特性参数的特性参数 红外技术及应用红外技术及应用572. 2. 温度特性温度特性 v LEDLED的光学参数与的光学参数与PNPN结温度有很大的关系。一般工作在结温度有很大的关系。一般工作在小电流小电流I10mAI10mA，或者，或者101020mA20mA长时间连续点亮长时间连续点亮LEDLED温升温升不明显。若环境温度较高，不明显。若环境温度较高，LEDLED的主波长的主波长p p就会向长波就会向长波长漂移，长漂移，L L也会下降，大体上是温

33、度每上升一度，发光也会下降，大体上是温度每上升一度，发光效率就会相应的减少效率就会相应的减少1 1。 v LEDLED的主波长随温度关系可表示为的主波长随温度关系可表示为 CnmTTTgP/1 . 0)()(00 红外技术及应用红外技术及应用58 通常发光二极管的外部发通常发光二极管的外部发光效率均随温度上升而下降。光效率均随温度上升而下降。右图表示右图表示GaPGaP（绿色）、（绿色）、GaPGaP（红色）、（红色）、GaAsPGaAsP三种发光二三种发光二极管的相对光亮度极管的相对光亮度L Le,re,r与温与温度度t t的关系曲线。的关系曲线。 红外技术及应用红外技术及应用593. 3.

34、 发光亮度与电流的关系发光亮度与电流的关系 发光二极管的发光亮度发光二极管的发光亮度L L是单位是单位面积发光强度的量度。在辐射发光发面积发光强度的量度。在辐射发光发生在生在P P区的情况下，发光亮度区的情况下，发光亮度L L与电子与电子扩散电流扩散电流i idndn之间的关系为之间的关系为 ReiLdn式中，式中，是载流子辐射复合寿命是载流子辐射复合寿命R R和和非辐射复合寿命非辐射复合寿命NRNR的函数的函数 如图所示为如图所示为GaAsGaAslxlxP Px x、GaGalxlxAlAlx xAsAs和和GaP(GaP(绿色绿色) )发光二极管的发光发光二极管的发光亮度与电流密度的关系

35、曲线。这些亮度与电流密度的关系曲线。这些LEDLED的亮度与电流密度近似成线的亮度与电流密度近似成线性关系，且在很大范围内不易饱和。性关系，且在很大范围内不易饱和。 红外技术及应用红外技术及应用604. 4. 最大工作电流最大工作电流 若工作电流较小，若工作电流较小，LEDLED发光效率随发光效率随电流的增加而明显增加，但电流增大电流的增加而明显增加，但电流增大到一定值时，发光效率不再增加；相到一定值时，发光效率不再增加；相反，发光效率随电流的增大而降低。反，发光效率随电流的增大而降低。右图所示为发红光的右图所示为发红光的GaPGaP发光二极管内发光二极管内量子效率量子效率inin的相对值与电

36、流密度的相对值与电流密度J J及及温度温度T T的关系。随着电流密度的增加，的关系。随着电流密度的增加，pnpn结温度升高，将导致热扩散，使发结温度升高，将导致热扩散，使发光效率降低。光效率降低。 红外技术及应用红外技术及应用615. 5. 伏安特性伏安特性 LED LED的伏安特性如图所示，它与的伏安特性如图所示，它与普通二极管的伏安特性大致相同。电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性。这时，正向电流与电压的关系为 i ii io oe

37、xp(eV/mkT)exp(eV/mkT)式中，式中，m m为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流i i0.1mA0.1mA时，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 m2 2。电流增大后，扩散电流占优势时，电流增大后，扩散电流占优势时，m m1 1。因而实际测得的。因而实际测得的m m值大小值大小可以标志器件发光特性的好坏。可以标志器件发光特性的好坏。 红外技术及应用红外技术及应用626. 6. 寿命寿命 LEDLED的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。二的寿命定义

38、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，在电流密度小于极管的寿命一般都很长，在电流密度小于lA/cmlA/cm2 2时，一般可达时，一般可达10106 6h h，最长可达最长可达10109 9h h。随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。老。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，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。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

39、亮间，即指器件启亮( (上升上升) )与熄灭与熄灭( (衰减衰减) )时间的延迟。实验证明，二时间的延迟。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，如般是很短的，如GaAsGaAs1-x1-xP Px x仅为几个仅为几个nsns，GaPGaP约为约为100ns100ns。在用脉冲电。在用脉冲电流驱动二极管时，脉冲的间隔和占空比必须在器件响应时间许可的流驱动二极管时，脉冲的间隔和占空比必须在器件响应时间许可的范围内。范围内。 红外技术及应用红外技术及应用63LDLD和和LEDLED的一般性能比较的一般性能比较