光电子光源PPT课件

1、1第二章第二章 电电 光光 源源2光是电磁辐射谱中能够引起人眼视觉的部分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3 2.1光光 的的 本本 质质电磁波: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.6307806006305656005005654355003804351nm(纳米)= 10-9m(米)4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光光 的的 本本 质质5n另一个光的本质是光子,是一个个量子化的光子的传播.

2、光子的不同频率对应于不同的颜色. 光子的频率和电磁波的波长具有对应关系.n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光光 的的 本本 质质6n相同频率的光子在不同的媒质中对应不同的波长(颜色)n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 ）n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光光 的的 本本 质质7n 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

3、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).n 紫外光谱分区:380-315nm为uv-a, 315-280nm为uv-b;280-100nm为uv-c.n 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光光 的的 本本 质质8c热辐射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9o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

4、灯 2.2光光 的的 发发 射射10a 气体放电(1)p低气压放电气体压力近似于0.01大气压时的电离放电.p电离产生电子碰撞产生等离子体p放电性质弧光放电p放电谱 线状谱 汞：253.7nm 钠：589.3nm 2.2光光 的的 发发 射射11a 气体放电(2)o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;o电离产生电子碰撞产生 等离子体;o放电性质辉光到弧光放电;o启动放电较困难；o放电谱线状谱. 2.2光光 的的 发发 射射12 荧光发光材料受紫外光、电子束、可见光 的激发而发光.a紫外激发荧光粉(光致发光):用于荧光灯管等.a电子束激发荧光粉(阴极发光):用于显像管等. 2.2

5、光光 的的 发发 射射选择性辐射体产生的线光谱选择性辐射体产生的线光谱例如例如 : 气体放电灯气体放电灯13 场致发光a某些材料(荧光粉)在电场中直接把电磁场能转化为光能. 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光光 的的 发发 射射14n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光光 的的 发发 射射15n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。 16一、电光源发展简史一、电光源发展简史n1802年英国科

6、学家humphrydavy显示了白炽现象n1879年美国科学家爱迪生发明了第一只白炽灯n1906年研制成功高压汞灯,1930年应用于照明n1938年荧光灯问世n60年代金属卤化物灯研制成功n70年代发明了铝酸盐系列三基色荧光粉n1979年philips发明了第一只节能灯17二、电光源种类二、电光源种类n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）n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）18三、选择与设计光源基本要素n光通量n照度n色温n显色性n光

7、效、眩光n电磁干扰、电磁噪声n平均寿命n亮度对比19概念光通量光通量：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）照照 度度：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。单位单位：勒克司（lm），照度分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1000lux20色色 温：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6

8、000k，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。 21显色性显色性：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。22光效：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）眩光眩光：视野内的亮度极高

9、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。电磁干扰电磁干扰：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。23电磁噪音电磁噪音：可能使周围电器工作导常甚至失控。平均寿命平均寿命：灯50%损坏时的时间。亮度对比亮度对比：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。24四、几种常用电光源的介绍n白炽灯n卤钨灯n荧光灯n紧凑型荧光灯n高压汞灯n高压钠灯n金属卤化物灯n氙灯25白炽灯的工作原理电流流过灯丝，使灯丝产

10、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26白炽灯的结构1、白炽灯27白炽灯的种类n透明泡n磨砂泡n乳白泡n彩色泡1、白炽灯28局部照明白炽灯局部照明白炽灯n局部照明白炽灯又称低电压安全灯。它局部照明白炽灯又称低电压安全灯。它适用于安全低电压适用于安全低电压636v的局部照明场的局部照明场合，如机床工作照明及其它类似要求的合，如机床工作照明及其它类似要求的场所。行业标准场所。行业标准qb/t2054-94适用于适用于额定电压为额定电压为6v，12v，24v和和36v，直，直流或流或50hz交流。交流。1、白炽灯29白炽灯优点极低的初始成

11、本 令人愉悦的暖色光 优异的显色性 多样的外形和涂层 简便的安装特性需反复开启时1、白炽灯30白炽灯的不足之处n光效低（约10lm/w），运行费用高。n寿命较短，平均寿命1000小时。1、白炽灯311、白炽灯322、卤钨灯外形更紧凑较低的初始成本 令人愉悦的暖色光 优异的显色性 比白炽灯更高的光效 比白炽灯更长的寿命简便的安装特性33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，温度达到高温状态，温度达2700多度，处于白炽状态，放射出多度，处于白炽状态，放射出可见光。可见光。在高温下，从灯丝上蒸发出来的钨，在靠

12、近玻壳的温度较在高温下，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，温度较高部位，化合物因高温而分解成钨与卤素，钨回到钨回到灯丝上灯丝上，卤素又可参与下一次循环。，卤素又可参与下一次循环。如此周而复始，就延长了灯丝的寿命。如此周而复始，就延长了灯丝的寿命。2、卤钨灯34卤钨灯的结构2、卤钨灯35卤钨灯的种类n卤钨灯按型状和结构常有以下种类：n管型卤钨灯（双端

13、卤钨灯）n单端卤钨灯ngu10单端卤钨灯2、卤钨灯36管型卤钨灯（双端卤钨灯）2、卤钨灯37单端卤钨灯2、卤钨灯38gu10单端卤钨灯2、卤钨灯39mr11、mr16卤素灯杯注：卤钨灯的国家标准为gb/t 14094-932、卤钨灯40par灯-冷反射定向照明卤钨灯2、卤钨灯41冷光束卤钨灯冷光束卤钨灯n由卤钨灯泡和介质膜冷光镜组合而成，具有体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。用寿命长、光线柔和舒适等特点。n应用于商业橱窗、舞厅、宾馆、展览厅、博物应用于商业橱窗、舞厅、宾馆、展览

14、厅、博物馆等室内照明，是最佳装饰照明光源。馆等室内照明，是最佳装饰照明光源。n冷光束卤钨灯的介质膜冷光束卤钨灯的介质膜冷光镜冷光镜对对可见光反射可见光反射比比达达0.95，对，对红外线可过滤约红外线可过滤约80，因此被称因此被称为冷光灯。为冷光灯。 2、卤钨灯42卤钨灯的型号nl 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43卤钨灯的型号nfy表示放映电影用的卤钨灯nfj表示冷反射放映卤钨灯nhd表示幻灯、投影用幻灯卤钨灯nz 表示照明用卤钨灯2、卤钨灯44卤钨灯优缺点2、卤钨灯45荧光灯的结构3、荧光灯46荧光灯的工作原理n灯丝上的电子发射材料，在电流流过灯丝时，灯丝上的

15、电子发射材料，在电流流过灯丝时，受到灯丝加热，受到灯丝加热，发射出电子发射出电子；电子在运动过；电子在运动过程中，程中，碰撞汞原子碰撞汞原子，使汞原子由稳态进入激，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放射出汞的特征谱线253.7nm紫外线。紫外线。n紫外线照射到紫外线照射到荧光粉荧光粉上上,使荧光粉发出可见使荧光粉发出可见光。光。n此过程稳定保持下去，于是，荧光灯便能稳此过程稳定保持下去，于是，荧光灯便能稳定地发光了。定地发光了。3、荧光灯47荧光灯的基本工作电路n荧光灯的基本工作电路如下：日光灯的光谱3、荧光灯48

16、荧光灯优点n高光效n发光均匀n光色柔和n结构简单n安装方便 ）。3、荧光灯493、荧光灯50荧光灯的种类和变形n荧光灯按其形状来分，有以下一些种类：n直管荧光灯；n环形荧光灯；nu形荧光灯；n平面形荧光灯（如2d、y型、m型）；n螺旋形荧光灯；3、荧光灯51荧光灯的种类n荧光灯通常按管径来分类，有以下一些种类：nt12-38mm 最早采用此管径nt10-32mm 国内曾大量采用nt9 -30mm 国内曾大量采用nt8 -26mm 目前最通用nt5 -15mm 未来发展趋势3、荧光灯52荧光灯的型号（第一部分）nyz表示直管荧光灯nyu表示u形荧光灯nyh表示环形荧光灯nyzz表示自镇流荧光灯n

17、yhg表示黑光荧光灯nzw表示紫外线灯管3、荧光灯53荧光灯的型号（第二部分）n第二部分表示灯管功率n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54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：n普通卤粉荧光灯（普通照明用）n三基色荧光灯（普通照明用）n紫外荧光灯（保健、消毒用）n彩色荧光灯（装饰用）n其它特殊荧光灯（如暗室胶片冲洗用、生物生长用等）3、荧光灯55荧光灯的种类和变形荧光灯按其电极结构分类，有以下种类荧光灯按其电极结构分类，有以下种类：

18、n热阴极荧光灯热阴极荧光灯（如普通直管荧光灯）；（如普通直管荧光灯）；n冷阴极荧光灯冷阴极荧光灯（如装饰用的冷极管）（如装饰用的冷极管）n无极荧光灯无极荧光灯无极荧光灯的基本发光机制与荧光灯相似，但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，激发气体发出频工作的感应线圈发出电磁波，激发气体发出紫外能量。紫外能量。瞬时启动，关灯后可以立即重新启动。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。无极荧光灯的寿命非常长。3、荧光灯56紫外线杀菌灯3、荧光灯57紫外线杀菌灯紫外线杀菌灯

19、3、荧光灯58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59高压钠灯n高光效（120lm/w）；n功率范围宽（从35w-1000w）n结构简单紧凑；n寿命长（15000-20000h）；n光色金白色。4、气体放电灯60高压钠灯的结构4、气体放电灯61高压钠灯的型号nng 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62高压钠灯的型号nng z 400 灯泡功率 中显色性（60左右） 高压钠灯泡4、气体放电灯63高压钠灯的型号nng g 250 灯泡功率 高显色性（80左右） 高压钠灯泡4、气体放电灯64高压钠灯的工作原理n高压

20、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。n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);n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65高压钠灯的种类n高压钠灯按其显色性来分,有:n普通高压钠灯,ra=20-30;n颜色改进型高压钠灯, ra=60-70;n高显色性高压钠灯: ra=80-85;n高

21、压钠灯按外玻壳形状来分,有:n橄榄形(ed和bt);n管形(t型)4、气体放电灯66高压钠灯的规格高压钠灯的规格n35w、50w、70w、100w、150w、250w、400w、1000w。n高压钠灯的国家标准为高压钠灯的国家标准为gb13259-914、气体放电灯67高压钠灯的应用n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。n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684、气体放电灯694、气体放电灯704、气体放电灯714、气体放电灯724、气体放电灯73高压汞灯n光效较白炽灯高，约40-60lm/w；

22、n寿命是白炽灯的3-5倍，3000-5000h；n显色性较差，ra20-40；4、气体放电灯74高压汞灯的工作原理n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75高压汞灯的结构4、气体放电灯76自镇流荧光高压汞灯的结构4、气体放电灯77高压汞灯的型号和规格n荧光高压汞灯泡型号：ggy50、ggy80、ggy1

23、25、ggy175、ggy250、ggy400、ggy1000行业标准为qb/t2051944、气体放电灯78高压汞灯的型号和规格n自镇流高压汞灯泡ggy50z、ggy80z、ggy125z、ggy175z、ggy250z、ggy400z、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79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：n荧光高压汞灯n反射型荧光高压汞灯n自镇流荧光高压汞灯4、气体放电灯80高压汞灯的种类非普通照明用高压汞灯有：

24、n紫外线高压汞灯n球型超高压汞灯n毛细管形超高压汞灯4、气体放电灯814、气体放电灯824、气体放电灯834、气体放电灯844、气体放电灯854、气体放电灯86金卤灯的分类n金卤灯按形状分，有：n单端金卤灯n双端金卤灯n插脚式单端金卤灯4、气体放电灯87n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88金属卤化物灯n发光效率高(60-90lm/w);n显色性好(ra:7090);n寿命长(10000-20000h);n功率范围宽(35-2000w)

25、;4、气体放电灯89金卤灯的结构4、气体放电灯90金卤灯的型号njlz kn 表示不同玻壳型号 （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91金卤灯的规格金卤灯的规格n35w、50w、70w、100w、150w、175、250w、400w、1000w、1500w、1800w、2000w。n金卤灯的国家标准金卤灯的国家标准gb18661-20024、气体放电灯92金卤灯的工作原理n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

26、不足.n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、气体放电灯93金卤灯的应用n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。n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94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

27、放电灯95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96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975、led基础知识 98 1. 1.什么是发光二极管什么是发光二极管 发光二极管英文全称为ligh

28、t 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.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。传统灯传统灯食人鱼食人鱼led普通普通led未来未来led大功率大功率led5、led基础知识 99led与传统灯泡的比较 白热的技术技术机理机理热量 放电放电 固态led电子/空穴复合光谱光谱分布分布光效光效固有失效固有失效机理机理热量1

29、5%40%50%辐射对流传导辐射对流传导内部反射5、led基础知识 100 led led的优点的优点寿命长（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 101ledled分类及结构分类及结构a.a.直插式直插式ledled：（：（ight emitting diodeight emitting diode） 按外形尺寸分：3mm、5mm、8mm、10mm等等按发光颜色分：红色、绿

30、、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）1.色彩分类：单色、双色、全彩（三色）5、led基础知识 102. smd(surface mount diode）表面贴装二极管 1. 按外形分：0603、1206、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 103 、食人鱼（、食人鱼（flux ledflux led）

31、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 104 d d、大功率、大功率ledled（power ledpower led） 1. 大功率有1w、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 105 e、数码管led（display） 数码管的种类比较繁多:单位、双位、三

32、位、四位、多位、 以及客户要求定做的各种产品。 f f、点阵（、点阵（dot matrix displaydot 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 1061 1 波长波长 (wavelength(wavelength )可見光380-780nm紫外线100-380nm紅外线780-1,000,000nm234 5 6 7 8 9234 5 6 7 8 91001,000波長 1,0000(纳米nm)x-射线微波 led的参数5、led基础知识 107led光谱5、led基础知识 108 led的特性 1 1、ledled理想的理想的

33、i-vi-v曲线图曲线图施加正向电压时施加正向电压时施加反向电压时施加反向电压时5、led基础知识 109 led的特性 2 led 2 led电性参数图电性参数图正向电流正向电流反向电反向电压压反向电流反向电流正向电正向电压压5、led基础知识 110led的发展全全球球高高亮亮度度l le ed d市市场场应应用用0200400600800100012001400160018002000其他照明行动通讯 交通号志灯资讯显示幕汽车资料来源：strategied unlinited/pda百万美元2002200320042005（e）2006（e）5、led基础知识 111 1 1 车载用灯车

34、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 1122 2 交通信号指示：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，其耗电量仅为原来的12%。led的应用5、led基础知识 1133 3 屏幕显示屏幕显示大屏幕显示是超

35、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 1144 4 液晶显示液晶显示(lcd)(lcd)的背照明的背照明 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 115 5 5 固体照灯、室内照明固体照灯、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、 节能、寿命长、耐各种恶劣条件的固体光源

36、必将对传统的光源市场造成冲击。led的应用5、led基础知识 1166 6 建筑装饰业建筑装饰业 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 117回顾光源的发展1186、电光源比较1196、电光源比较1206、电光源比较1216、电光源比较1226、电光源比较1236、电光源比较1246、电光源比较125总结n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

37、点亮万家灯火，再到led，人类一步步将光明掌握在了手中。126127128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？129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？130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

38、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？131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132 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？133n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

39、、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。134n二、填空题n5、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 ，但与标准型高压钠灯相比，它们的光效明显 。n6、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。n7、目前常用固体发光光源应用最多的是 ？135 填空n5、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

40、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 。n6、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。n7、目前常用固体发光光源应用最多的是 led ？136n 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 1224v1372、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

41、辐射而产生可见光。 a hz b khz c mhz d ghz1383、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1391、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：1402.3.12.3.1半导体中的能带半导体中的能带 n 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，称为能量，称为能级能级。当很多原子结合在一起时，所有电子的能级分裂的结。当

42、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，简称果，形成一组密集的能级带，简称能带能带。用电子能量来衡量，能带可分。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）。为价带、导带和禁带（又称为带隙）。eeg禁带绝缘体价带导带导带价带eeg禁带半导体导带价带e导体自由电子能带自由电子能带（外电场作用下（外电场作用下就能参与导电）就能参与导电） 价电子能带价电子能带(价电子完全被共价健束缚住价电子完全被共价健束缚住)141 完全纯净、结构完整没有杂质的半导体。完全纯净、结构完整没有杂质的半导体。 在本征半导体中掺入微量杂质可使半导体性质发生显在本征半导体中掺入微

43、量杂质可使半导体性质发生显著变化，称为掺杂半导体。著变化，称为掺杂半导体。若掺入的杂质若掺入的杂质提供电子给导带提供电子给导带，称为，称为n n 型杂质型杂质或施主杂质，如掺入或施主杂质，如掺入锡和碲锡和碲。掺入。掺入n n型杂质的材料称为型杂质的材料称为n n型型半导体半导体 。若掺入的杂质若掺入的杂质提供空穴给价带提供空穴给价带，称为受主杂质，称为受主杂质或或p p 型杂质型杂质 ，如掺入如掺入锗锗。掺入。掺入p p 型杂质的材料称为型杂质的材料称为p p 型型半导体。半导体。142p n晶体二极管晶体二极管: :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（

44、整流特性）。led（light emitting diode）发光二极管p n多量子阱（mqw）1 1、ledled使用的都是化合物使用的都是化合物半导体材料半导体材料(发光二极管发光二极管是由是由-族化合物，如族化合物，如gaas（砷化镓）、（砷化镓）、gap（磷化镓）、（磷化镓）、gaasp（磷砷化镓）等半导体制成（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是的，其核心是pn结。结。) )2 2、pnpn结之间插入多量子阱结构提高发光效率结之间插入多量子阱结构提高发光效率3 3、ledled发光波长主要由多量子阱组分决定发光波长主要由多量子阱组分决定143led led 问世于问世于2020世纪世纪

45、6060年代，起源于美国，在日本发年代，起源于美国，在日本发扬光大。扬光大。7070年代初，美国杜邦化工厂首先研发出年代初，美国杜邦化工厂首先研发出镓砷磷镓砷磷 ledled，发，发桔红色桔红色，可作仪器仪表指示灯用。，可作仪器仪表指示灯用。 随着技术进步，随着技术进步，ledled发光颜色覆盖从发光颜色覆盖从黄绿色黄绿色到到红外红外的光谱范围。的光谱范围。 80 80年代后，用液相外延技术，年代后，用液相外延技术，制作高亮度红色制作高亮度红色ledled和和红外二极管红外二极管。1、led的发展历程的发展历程144mocvdmocvd技术用于外延材料生长后，技术用于外延材料生长后，红光到深紫

46、外红光到深紫外ledled亮度大幅亮度大幅度提高度提高algaas使用于使用于高亮度红光和红外高亮度红光和红外led。algainp适用于适用于高亮度红高亮度红、橙、黄及黄绿橙、黄及黄绿led。gainn适用于适用于高亮度深绿高亮度深绿、蓝、紫和紫外蓝、紫和紫外led。90年代半导体材料年代半导体材料gan使蓝、绿色使蓝、绿色led光效达到光效达到10 lm/w，实，实现现全色化全色化145 n 物质中的电子在不断地作无规则的运动，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。就一个可以从较

47、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。据的可能性。 146费密费密( (意大利意大利 19011954 ) ) 由于中子核反应的由于中子核反应的发现，他（发现，他（3737岁）获得岁）获得19381938年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。他和助手们在他和助手们在194219

48、42年年1212月月2 2日在芝加哥大学建日在芝加哥大学建成世界上第一座可控原成世界上第一座可控原子核裂变链式反应堆。子核裂变链式反应堆。随后费密参加了原子弹随后费密参加了原子弹的研制工作。的研制工作。 147n 一般而言，电子占据各个能级的几率是不等的。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，理学指出，电子占据能级的几率遵循费密统计规律电子占据能级的几率遵循费密统计规律：在热平衡状态下，能量为在热平衡状态下，能量为e e 的能级被一个电子占据的的能级被一个电子占据的几率为：几率为： / )

49、exp(11)(kteeeff f(e) 称为电子的费密分布函数，称为电子的费密分布函数，k、t 分别为波耳兹曼常数和分别为波耳兹曼常数和绝对温度。绝对温度。ef 称为费密能级称为费密能级，它与，它与物质的特性物质的特性有关。有关。 148e ef f第一，第一， e ef f 是描述电子的能级填充水平的是描述电子的能级填充水平的假想能级假想能级， e ef f 越大，越大，表示处于高能级的电子越表示处于高能级的电子越多多； e ef f 越小，越小，则表示高能级的电子越则表示高能级的电子越少少。第二、第二、e ef f 在能级图中的位置与在能级图中的位置与材料掺杂材料掺杂情况有关情况有关。

50、1 1） 本征半导体：本征半导体： e ef f处于处于禁带的中央，禁带的中央， 149由式可见，由式可见，当当t=0k时，若时，若eef， exp0,则则f(e)=1；若若eef，则，则f(e)=0。n 可见在绝对零度时，能量比可见在绝对零度时，能量比 ef 小的能级被电子占小的能级被电子占据的几率是据的几率是100%，而能量比，而能量比ef大的能级被电子占据的大的能级被电子占据的几率为零。即所有低于几率为零。即所有低于ef的能级都被占满，而所有高的能级都被占满，而所有高于于ef的能级都空着。的能级都空着。n 因而费密能级是在绝对零度时电子所具有的最大能因而费密能级是在绝对零度时电子所具有的

51、最大能量，是能级在量，是能级在绝对零度时能否被占据的一个界限绝对零度时能否被占据的一个界限，因，因而它是一个很重要的参数。而它是一个很重要的参数。 / )exp(11)(kteeeff 150举例举例当当e-ef5kt时，时，f(e) 0.007当当e-ef0.993 可见，温度高于绝对零度时，能量比费密能级高可见，温度高于绝对零度时，能量比费密能级高5kt的能态的能态被电子占据的几率只有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，几率很小，能级几乎是空的；而能级比费能级低级比费能级低 5kt 的能态被电子占据的几率是的能态被电子占据的几率是 99.3%，几率很，几率很大，该

52、能级上几乎总有电子。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：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能量大于费密能级的能态基本上没有被电子占据子占据；而；而电子占据费密能级的几率是任何温度下都是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

53、上有电子。明在较高的能态上有电子。 151n假定费密能级假定费密能级ef为已知。根据费米分布函数式可画出为已知。根据费米分布函数式可画出 f(e) 的曲线。的曲线。01/21f（e）eeft0t1t2t3费密分布函数变化曲线费密分布函数变化曲线t3 t2 t1 t0当当t0k时，时，若若eef， 则则 f(e) 1/2；若若e= ef，则，则 f(e)=1/2；若若 eef，则，则 f(e) 1/2。/ )exp(11)(kteeeff 152 2）在掺杂半导体中在掺杂半导体中：n 如果是如果是n型材料由于电子占据导带的几率较型材料由于电子占据导带的几率较 大，则大，则ef的位置上移离的位置上

54、移离导带不远导带不远。n 如果是如果是p型材料则型材料则 ef 的位置下移离的位置下移离价带价带不远。不远。eeg禁带n型价带导带efeeg禁带p型价带导带ef153 3)掺杂很重时掺杂很重时:n对对n 型材料，能参与导电的电子比空穴多许多，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；的有可能进入导带；n对对p 型材料，型材料， ef 可能进入价带。可能进入价带。efeeg禁带p型价带导带efeeg禁带n型价带导带154n某个能级某个能级e不被电子占据的几率不被电子占据的几率f(e) 为：为：27. 2/ )(exp11)(1)(kteeefeff155n随着温度的升高，占据

55、能量高于随着温度的升高，占据能量高于ef的能级上的电子增的能级上的电子增多，而占据能量底于多，而占据能量底于ef的能级上的电子减少。的能级上的电子减少。n当当e-efkt时，由于时，由于(e-ef)/kt1，费密分布函，费密分布函数就转化为：数就转化为： ktektekteeefffexpexpexp)(则，记为并将)()(,expefefaktebfkteaefbexp)(n 上式说明，在一定温度下，电子占据能量为上式说明，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波耳兹曼

56、分布规律式。曼分布规律式。156(ef)pp型区n型区(ef)n(ef)p(ef)nqvd=(ef)n-(ef)p157 pnpn结的特性结的特性：当当p型半型半导体和导体和n型半导体型半导体结合后，结合后，电子和空电子和空穴的浓度穴的浓度差别差别扩散扩散p区失去区失去空穴留下空穴留下带负电的带负电的杂质离子杂质离子n区失去电区失去电子留下带子留下带正电的杂正电的杂质离子质离子空间电荷区，称空间电荷区，称为为pn结结,n指向指向p，称为，称为内电场扩散的方内电场扩散的方向相反向相反对扩散有阻挡作对扩散有阻挡作用，称为势垒用，称为势垒158电子扩散电子扩散长度长度空穴扩散空穴扩散长度长度空间电荷

57、区空间电荷区3 3、 加正向电压时加正向电压时pnpn结的能带图结的能带图(ef)n(ef)p价带价带efefeg导带导带evevevde(vd-v)价带价带p型区型区n型区型区159n 如果在如果在pnpn结上加正向电压结上加正向电压，外电场与内电，外电场与内电场的方向相反，场的方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。扩散与漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使外电场驱使p p区的空穴进入空间电荷区抵消一区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时部分负空间电荷，同时n n区的自由电子进入空区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷，于是间电荷区抵消一部分正空间电荷，于是空间电空间电荷区变窄

58、，内电场被削弱荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的，多数载流子的扩散扩散运动增强，运动增强，形成较大的形成较大的扩散电流扩散电流（由（由p p区流向区流向n n区的正向电流）。区的正向电流）。在一定范围内，外电场愈强，在一定范围内，外电场愈强，正向电流愈大，这时正向电流愈大，这时pnpn结呈现的电阻很低，即结呈现的电阻很低，即pnpn结处于结处于导通导通状态。状态。 160 当外加电场正端接当外加电场正端接p区负端接区负端接n区与内电场方向相反区与内电场方向相反时，电子被迫从时，电子被迫从n区向区向p区方向集结，当区方向集结，当足够数量的电子能足够数量的电子能级上升到导带能级级上升到导带能级，

59、它们的电子能级就，它们的电子能级就超过了势垒能级超过了势垒能级，电子流过电子流过p-n结进入结进入p 区。区。 此时价带中有许多空穴存在而导带中有许多电子存在，此时价带中有许多空穴存在而导带中有许多电子存在，这种状态称为这种状态称为粒子数反转粒子数反转。 来自导带的电子失去它的一些能量并下降到价带时，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它们和空穴复合并产生出光子生出光子。这种过程称为复合。这种过程称为复合。 在在理想理想情况下，情况下，能量完全以光子的形式释放出来能量完全以光子的形式释放出来。如。如果这一过程自发地发生，则所发生出的光子能量近似地果这一过程自发地发生

60、，则所发生出的光子能量近似地等等于于带隙的能量带隙的能量eg，所产生的光子在许多随机的方向上进行。，所产生的光子在许多随机的方向上进行。161n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）162（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、