发光材料与器件基础第五章课件

发光材料与器件基础3/14/20231电信系光电工程专业第五章各种照明器件5.1荧光灯5.1.1荧光灯的结构及原理荧光灯属于放电光源，是靠低压汞蒸气放电，利用放电过程中的电致发光和荧光质的光致发光，形成光源。它的优点是：结构简单、制造容易、价格便宜并且发光效率高、光色好、寿命长。常见的普通荧光灯是圆形截面的直长玻璃管子。在管子两端各放一个电极。3/14/20232电信系光电工程专业5.1荧光灯荧光灯即低压汞灯，它是利用低气压的汞蒸气在放电过程中辐射紫外线，从而使荧光粉发出可见光的原理发光，因此它属于低气压弧光放电光源。荧光灯内装有两个灯丝。灯丝上涂有电子发射材料三元碳酸盐（碳酸钡、碳酸锶和碳酸钙），俗称电子粉。在交流电压作用下，灯丝交替地作为阴极和阳极。灯管内壁涂有荧光粉。管内充有400Pa-500Pa压力的氩气和少量的汞。通电后，液态汞蒸发成压力为0.8Pa的汞蒸气。在电场作用下，汞原子不断从原始状态被激发成激发态，继而自发跃迁到基态，并辐射出波长253.7nm和185nm的紫外线(主峰值波长是253.7nm，约占全部辐射能的70-80％；次峰值波长是185nm，约占全部辐射能的10％)，以释放多余的能量。荧光粉吸收紫外线的辐射能后发出可见光。荧光粉不同，发出的光线也不同，这就是荧光灯可做成白色和各种彩色的缘由。由于荧光灯所消耗的电能大部分用于产生紫外线，因此，荧光灯的发光效率远比白炽灯和卤钨灯高，是目前最节能的电光源。荧光灯管中是压力约为0.8Pa的汞蒸汽，在电场作用下放电，在放电过程中，汞原子的价电子不断地从原始状态被激发成激发态，同时又激发态自发的返回到基态，将价电子的为能转化为电磁辐射能，并辐射初3.7nm的紫外线（另外还约有10%的85nm的短波紫外线）。屠夫载波管内壁上的荧光粉吸收353.7nm的紫外线，把它转化为可见光。3/14/20233电信系光电工程专业5.1荧光灯（1）荧光灯的工作原理荧光灯需要镇流器和启辉器才能正常工作。（2）荧光灯的工作特性荧光灯的电流分为额定工作电流和额定启动电流两项。额定工作电流根据灯管功率、灯管结构和电流密度而定。额定启动电流是启动时预热灯丝的电流，它比额定工作电流大。在工作电流下，灯管上产生的电压降是荧光灯的管电压。3/14/20235电信系光电工程专业5.1荧光灯荧光灯的接线图3/14/20236电信系光电工程专业5.1荧光灯5.1.2灯用荧光粉的发展1938年G.E.Inman制成了直接用于照明的荧光灯，使用了三种不同发光色的第一代荧光粉(1938-1948年)：蓝（CaWO4）,绿（Zn2SiO4:Mn2+），红（CdB2O5:Mn2+）1944年英国的A.H.Mckeay发明了照明使用的卤素荧光粉：其中化学通式：M5X(PO4)3:Sb3+,Mn2+；其中M为碱土金属离子，X为卤素，Sb3+,

Mn2+为激活剂。1966年发明用的稀土荧光粉：具有以下几个显著的优点。1、窄带发射，发射能量可集中在特定的波长范围；2、短紫外（185nm）辐射下稳定性好。3、高温下能够维持较高的发射强度。3/14/20237电信系光电工程专业5.2半导体发光显示器件（LED）WhatisLED?Lightemittingdiodes,commonlycalledLEDs,areusedfordozensofdifferentapplicationsandarefoundinallkindsofdevices(digitalclocks,remotecontrols,lightupwatchesandtellturnedonindicator).Televisionscreen3/14/20239电信系光电工程专业5.3.1P-N结发光原理3/14/202310电信系光电工程专业由于少数载流子在电场作用下能量增加，这些载流子在同质结或异质结区的注入与复合而产生的发光叫做结型电致发光（又称注入式电致发光）。概据这种发光现象制成的发光器件称为结型电致发光显示器件。

用P-N结电致发光原理制成的发光二极管是在60年代末得到迅速发展的。LED是注入式电致发光显示器件的典型。5.3.1P-N结发光原理3/14/202311电信系光电工程专业5.2.2LED的伏安特性开启电压与材料有关，对于GaAs是1.0V；GaAs1-xPx、Ga1-xAlxAs大致是1.5V；发红光的GP是1.8V，发绿光的GaP是2.0V。反向击穿电压一般在-5V以上。3/14/202313电信系光电工程专业5.2.3、亮度与电流关系在低电流密度下，m=1.3~1.5；在高电流密度下，扩散电流起支配作用，m≈1。自发辐射情况下

由于存在非辐射复全以及隧道电流

3/14/202314电信系光电工程专业2.4、LED的驱动（2.4）3/14/202315电信系光电工程专业5.2.6单色光LED的种类及其发展历史最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光（λ=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λ=555nm），黄光（λ=590nm）和橙光（λ=610nm），光效也提高到1流明/瓦。到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λ=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。3/14/202317电信系光电工程专业5.2.7、单色光LED应用最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。3/14/202318电信系光电工程专业汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级），可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩广告显示屏得到了广泛的应用。5.2.7单色光LED应用3/14/202319