第2章 第2节.ppt

1、2.2.2卤素灯，卤素灯是改良的钨丝白炽灯。钨在高温下蒸发，使灯泡变黑，降低白炽灯的灯丝温度，发光效率就会下降。灯泡中填充六价元素溴、氯、溴、碘等卤元素，由玻璃皮中蒸发的钨和卤化物制成。当这些卤化物回到灯丝附近，高温发生时，会分解，钨会回到钨丝上。这样可以大大提高灯丝的温度，但玻璃壳也不会变黑。因此，由于灯丝的发光亮度高、效率高，卤素灯具有形体小、成本低的特点。常用卤钨灯是碘钨灯和溴钨灯。光电传感器技术中最常用的卤素灯是溴灯。图2-7显示了4种溴钨灯的外形规格。其中，(A)和(C)是低功耗溴化物灯，(A)型灯具是具有矩形灯丝的面光源灯，基本上符合测量仪器的光源均匀性要求。(C)灯的灯丝非常小，

2、类似于“点”光源，用于光源发光表面尽可能小的测量设备。表2-5仪器用国产卤素灯，H=37，2.3气体放电灯，气体放电灯包括汞、钠、溴灯、铟等。它们通过高压通过气体电离放电产生强光辐射，不像钨电灯那样用加热灯丝发光，因此也称为气体放电灯，它是冷光源。气体放电灯的一般特征是发射的光谱是线谱或带状光谱。因为发光机制属于等离子体发光。2.3.1气体放电，在紫外线或宇宙射线的作用下，少量气体分子电离成正负离子自由电子，电压升高，就会出现图2-8所示的刺激光现象。辉光放电会产生明暗混合的区域。每个区域的电势和亮度分布如图2-9所示，电弧放电发出的光非常亮，可以用于电影放映和公共场所照明。辉光放电或电弧放电

3、都是气体的电致发光现象。在气体放电过程中，由于电场的作用，带电粒子的动能增加到能够电离其他气体分子的程度，气体分子吸收带电粒子的能量，使电子处于此状态。此发生状态不稳定，通常在10-8s以内。在此状态下，回到低能状态或基态，以发光的形式释放能量。例如，钠蒸气原子发出589010 -10米、589610 -10米的双硫光。2.4金属蒸汽灯，2.4.1汞蒸汽灯(汞灯)，汞灯在石英玻璃管中装满了水银，灯着火时，灯中的水银蒸发了，水银蒸汽压在几个大气压下强烈，引起辉光放电。如图2-13(a)所示，高压汞灯的基本结构图是由灯座灯内部支撑和内部发光室(水银蒸汽由两个电极之间的电场所引起)产生的，因为汞灯是

4、金属汞蒸汽在高压下产生汞光谱的多种特征补线。这种光谱的强弱和光谱分布都与汞元素相关，经常用作光谱测量仪的已知光谱光源。在钠-钙玻璃中填充钠蒸汽的2.4.2钠灯，点燃钨丝后仅发射589.0nm、589.6nm的双硫光，可以校准光谱仪器或用于其他用途。还有氢灯、氘灯和其他光谱校准灯。这里不再讨论了。需要此内容时，可以找到“光学技术手册”。2.5半导体发光二极管光源，1907年首次发现半导体二极管以正向偏磁发光。70年代末，人们开始使用发光二极管作为数字显示器和视频显示器。在过去的10年里，发光二极管的发光效率和发光光谱有了很大的提高，使用发光二极管作为光源有很多优点。2.5.1发光二极管的发光机制

5、，发光二极管(LED)是注入式电致发光设备，由P型和N型半导体组合而成。其发光机制经常分为PN结注入发光和异质结注入发光两种。1 .PN结注入光，PN结平衡后，有几个障碍区域可以带来，如图2-15所示。加上正偏压，PN结区壁垒降低，从扩张、扩散区注入的大量不平衡载流子不断地复合发光，主要发生在P区。，2 .可以采用异质结，通过向异质结注入发光，提高注入流子的效率。图2-16a表示理想异质结带状图。因为p区和N区的禁止宽度不相等，加上正电压会降低小区壁垒，两区的价格几乎相同，空穴继续扩散到N区。(阿尔伯特爱因斯坦，Northern Exposure，)，n古濑车站电子的障碍仍然很高，不能注入p区

6、。这样，禁止带宽的P区域成为注入源，窄N区域成为载波复合发光的发光区域(图2-16b)。例如，当n-GaAs的孔以异质形式形成禁止带宽EG2=1.32eV的p-GaAs和禁止带宽EG10.7eV p-GaAs和禁止带宽EG10.7eV的n-GaSb时，n-GaAs的孔被注入n-GaAs区域复合发光。N区发射的光子能量HV比EG2小得多，因此进入P区不会引起本征吸收，而是直接透射。2.5.2发光强度电流特性，在正向配置电压的作用下，低流发光二极管PN节的正向电流If在PN结中注入的载流子在P节中复合发光。发光强度IV，表达式中的V是发光二极管的发光效率。图2-17示出了GaP(红色)发光二极管发

7、光强度与电流密度If的关系曲线，显示了发光二极管发光强度与流动电流If基本成正比。说明可以通过控制电流If来控制LED发出的发光强度IV。因为发光二极管的正向电压特性曲线在发光区域中表示为I=I0exp(qU/nkT)指数，并且1n2很小，所以通常发光强度Iv和发光二极管两端电压U之间的关系为，(2-4)，2.5.例如，GaAs红外发光二极管的禁止宽度在室温下为1.4 eV，最大发光波长为0.860.9m。发射绿光的发光二极管GaP的禁止宽度为2.26 eV，最大发光波长为0.55 m。对于异质结发光二极管，禁带宽度由GaAs1-x Px、最佳组x0.4、发光峰值波长为0.650.66 m等元

8、素的分组分量确定。改变组分量x可以改变最大发光波长。(1)光谱，(2)发光效率，发光二极管发射的光通量与发射器功率之比表示发光效率，单位LM/W。有些人把光强度和注入电流的比率(cd/A)称为发光效率。发光效率由两个参数决定：内部杨紫效率和外部杨紫效率。内部杨紫效率可以表示为(2-5)，复合率分别取决于托架的寿命R和N。其中复合率为1/r，非复制复合率为1/n。(2-6)，在表达式中，R是辐射复合载体平均寿命。n是没有辐射的复合载体平均寿命。只有Nr才能获得内部杨紫效率高的光子发射。以间接复合为主的半导体材料，通常有发光中心和其他复合中心。通过发光中心生成复制复合，通过其他复合中心的复合不生成

9、发射。因此，要使辐射复合物占压倒性优势，发光中心的浓度必须远远高于杂质的浓度。光子通过半导体部分吸收，部分到达界面后遇到高折射率物质，产生完全反射，被晶体吸收，辐射效率下降。向外发射单位时间的光子数NEX与注入到设备的电子孔代数nin的比率定义为设备的外部杨紫效率EX，即(2-7)。对于直接带隙半导体(如GaAs)，内部杨紫效率in可能接近100。有三个措施可以提高外部杨紫效率。高于空气折射率的透明物质，将环氧裴秀智(N2=1.55)涂在发光二极管上。将晶体表面加工成半球。使用禁止的大块晶体作为衬层，减少晶体被光吸收。表2-7几种常用发光二极管的发光效率和发光波长，(3)时间响应和温度特性，发光二极管的时间响应快，比1s短，响应速度比眼睛快得多，但是用作光信号传输时，响应时间看起来太长。发光二极管的响应时间取决于载流子非发光复合寿命和发光能量馈电的可能性。发光二极管的外部发光效率均随温度升高而降低。图2-18表示GaP(绿色)、GaP(红色)和GaAsP三种发光二极管的相对发光强度和温度之间的关系曲线。(4)最大工作电流(参见图2-19