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1、发光材料与器件基础第五章发光材料与器件基础第五章7/23/2022电信系光电工程专业2第五章第五章 各种照明器件各种照明器件5.1 5.1 荧光灯荧光灯5.1.1 5.1.1 荧光灯的结构及原理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。电过程中的电致发光和荧光质的光致发光，形成光源。l它的优点是：结构简单、制造容易、价格便宜并且发光它的优点是：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效率高、光色好、寿命长。常见的普通荧光灯是圆形截面
2、的直长玻璃管子。在管子两端各放一个电极。的直长玻璃管子。在管子两端各放一个电极。 7/23/2022电信系光电工程专业95.2 5.2 半导体发光显示器件（半导体发光显示器件（LEDLED）lWhat is LED?lLight emitting diodes, commonly called LEDs, are used for dozens of different applications and are found in all kinds of devices (digital clocks, remote controls, light up watches and tell tu
3、rned on indicator).lTelevision screen7/23/2022电信系光电工程专业105.3.1 P-N5.3.1 P-N结发光原理结发光原理 7/23/2022电信系光电工程专业11l由于少数载流子在电场作用下能量增加，这些载流子在同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（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。发光器件称为结型电致发光显示器件。 l用用P-NP-
4、N结电致发光原理制成的发光二极管是在结电致发光原理制成的发光二极管是在6060年代末得年代末得到迅速发展的。到迅速发展的。LEDLED是注入式电致发光显示器件的典型。是注入式电致发光显示器件的典型。 5.3.1 P-N5.3.1 P-N结发光原理结发光原理 7/23/2022电信系光电工程专业12P-NP-N结发光原理结发光原理7/23/2022电信系光电工程专业135.2.2 LED5.2.2 LED的伏安特性的伏安特性1.01.52.02.5020406080100120I (mA)U (V)7/23/2022电信系光电工程专业145.2.35.2.3、亮度与电流关系、亮度与电流关系在低电
5、流密度下，在低电流密度下，m=1.31.5m=1.31.5；在高电流密；在高电流密度下，扩散电流起支配作用，度下，扩散电流起支配作用，m1m1。 自发辐射情况下自发辐射情况下 由于存在非辐射复全以及隧道电流由于存在非辐射复全以及隧道电流 7/23/2022电信系光电工程专业152.42.4、LEDLED的驱动的驱动FFCCLIUUR/ )( （2.4）7/23/2022电信系光电工程专业165.2.55.2.5、LEDLED光源的特点光源的特点 l电压：电压：LEDLED使用低压电源，供电电压在使用低压电源，供电电压在6-24V6-24V之间，根据产品不同而之间，根据产品不同而异，所以它是一个
6、比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。场所。 l效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80% 80% l适用性：很小，每个单元适用性：很小，每个单元LEDLED小片是小片是3-5mm3-5mm的正方形，所以可以制备的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境成各种形状的器件，并且适合于易变的环境 l稳定性：稳定性：1010万小时，光衰为初始的万小时，光衰为初始的50% 50% l响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LEDLED灯的响应时间为纳
7、秒灯的响应时间为纳秒级级 l对环境污染：无有害金属汞对环境污染：无有害金属汞 l颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的时为红色的LEDLED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色为绿色 l价格：价格：LEDLED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LEDLED的价格就可以的价格就可以与一只白炽灯的价格相
8、当，而通常每组信号灯需由上与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300300500500只二只二极管构成。极管构成。 7/23/2022电信系光电工程专业175.2.6 5.2.6 单色光单色光LEDLED的种类及其发展历史的种类及其发展历史l最早应用半导体最早应用半导体P-NP-N结发光原理制成的结发光原理制成的LEDLED光源问世于光源问世于2020世纪世纪6060年年代初。当时所用的材料是代初。当时所用的材料是GaAsPGaAsP，发红光（，发红光（=650nm=650nm），在驱动），在驱动电流为电流为2020毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率毫安时，光通量只有千
9、分之几个流明，相应的发光效率约约0.10.1流明流明/ /瓦。瓦。 l7070年代中期，引入元素年代中期，引入元素InIn和和N N，使，使LEDLED产生绿光（产生绿光（=555nm=555nm），黄），黄光（光（=590nm=590nm）和橙光（）和橙光（=610nm=610nm），光效也提高到），光效也提高到1 1流明流明/ /瓦。瓦。 l到了到了8080年代初，出现了年代初，出现了GaAlAsGaAlAs的的LEDLED光源，使得红色光源，使得红色LEDLED的光效达的光效达到到1010流明流明/ /瓦。瓦。 l9090年代初，发红光、黄光的年代初，发红光、黄光的GaAlInPGaAl
10、InP和发绿、蓝光的和发绿、蓝光的GaInNGaInN两种新两种新材料的开发成功，使材料的开发成功，使LEDLED的光效得到大幅度的提高。在的光效得到大幅度的提高。在20002000年，年，前者做成的前者做成的LEDLED在红、橙区（在红、橙区（=615nm=615nm）的光效达到）的光效达到100100流明流明/ /瓦，瓦，而后者制成的而后者制成的LEDLED在绿色区域（在绿色区域（p=530nmp=530nm）的光效可以达到）的光效可以达到5050流流明明/ /瓦。瓦。 7/23/2022电信系光电工程专业185.2.75.2.7、单色光、单色光LEDLED应用应用l最初最初LEDLED用
11、作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LEDLED在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。以好的经济效益和社会效益。以1212英寸的红色交通信号灯为英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140140瓦白炽灯作瓦白炽灯作为光源，它产生为光源，它产生20002000流明的白光。经红色滤光片后，光损流明的白光。经红色滤光片后，光损失失90%90%，只剩下，只剩下200200流明的红光。而在新设计的灯中，流明的红光。而在新设
12、计的灯中，LumiledsLumileds公司采用了公司采用了1818个红色个红色LEDLED光源，包括电路损失在光源，包括电路损失在内，共耗电内，共耗电1414瓦，即可产生同样的光效。瓦，即可产生同样的光效。 7/23/2022电信系光电工程专业19l汽车信号灯也是汽车信号灯也是LEDLED光源应用的重要领域。光源应用的重要领域。19871987年，我国开年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于始在汽车上安装高位刹车灯，由于LEDLED响应速度快（纳秒响应速度快（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。车追尾事
13、故的发生。 l另外，另外，LEDLED灯在室外红、绿、蓝全彩广告显示屏得到了广泛灯在室外红、绿、蓝全彩广告显示屏得到了广泛的应用。的应用。 5.2.7 5.2.7 单色光单色光LEDLED应用应用7/23/2022电信系光电工程专业20360360LEDLED环型显示器环型显示器7/23/2022电信系光电工程专业21工作原理工作原理7/23/2022电信系光电工程专业227/23/2022电信系光电工程专业235.2.85.2.8、白光、白光LEDLED的开发的开发7/23/2022电信系光电工程专业24l对于一般照明，或显示器的背照光而言，人们更需要白对于一般照明，或显示器的背照光而言，人
14、们更需要白色的光源。色的光源。19981998年发白光的年发白光的LEDLED开发成功。这种开发成功。这种LEDLED是将是将GaNGaN芯片和钇铝石榴石（芯片和钇铝石榴石（YAGYAG）封装在一起做成。）封装在一起做成。GaNGaN芯芯片发蓝光（片发蓝光（=465nm=465nm，谱宽，谱宽=30nm=30nm），高温烧结制成的），高温烧结制成的含含Ce3+Ce3+的的YAGYAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值峰值550nm550nm。蓝光。蓝光LEDLED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有混有YAGYAG的树脂薄层
15、，约的树脂薄层，约200-500nm200-500nm。 LEDLED基片发出的蓝基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAGInGaN/YAG白色白色LEDLED，通过改变，通过改变YAGYAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温厚度，可以获得色温3500-10000K3500-10000K的各色白光。的各色白光。5.2.85.2.8、白光、白光LEDLED的开发的开发7/23/2022电信系光电工程专业25白色白色LEDLED照明灯照明灯地砖灯地砖灯礼品灯礼品灯手电筒手电筒5.2.85.2.8、白光、白光LEDLED的开发的开发26结束语结束语