光電技術(shù) 第三周 周二已授課

1、 2白熾燈 白熾燈發(fā)射的是連續(xù)光譜，在可見光譜段中部 而在整個光譜段內(nèi)和黑體輻射曲線平均。 圖121示出燈的工作電壓變化時燈參數(shù)的變化情況，可參照此曲線應(yīng)用。 另一個特性是做燈絲的鎢有正阻特性，工作時的熱電阻遠(yuǎn)大于冷態(tài)時的電阻。1二、氣體放電光源 發(fā)光效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長光色適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。與白熾燈相比，具有 利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。密封在泡殼內(nèi)的氣體或金屬氣體在電場的作用下激勵出電子和離子，電子和離子從電場中獲得能量分別向陰極和陽極運(yùn)動，它們與氣體原子或分子碰撞時會激勵出新的電子和離子。這一過程中會引起原子的激發(fā)，受激原子回到低能級時就會發(fā)射出輻射。2光效 64 lm

2、/W3色溫 6000K顯色 90 光效 30 lm/W亮度 105色溫 6000K顯色 80 光效 70 lm/W45二條共振輻射線，來自激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷發(fā)出的特征譜線壓力展寬和多普勒加寬，出現(xiàn)連續(xù)譜6汞/氙燈7 3空心陰極燈 空心陰極燈（原子光譜燈），屬于冷陰極低氣壓正常輝光放電燈。其陰極由金屬元素或其他合金制成空心圓柱型，圓環(huán)形陽極是用吸氣性能很好的鋯材料制成的。空心陰極放電的電流密度可以比正常輝光放電時高10倍以上。譜線很窄，強(qiáng)度很大，穩(wěn)定性好廣泛用于原子吸收光譜儀中用做對微量元素吸收光譜定性或定量分析光源。 屬于冷陰極輝光放電：正常輝光放電電流小，主要輻射工作氣體的原子譜線；冷陰極放電

3、陽離子經(jīng)過很高的陰極位降區(qū)加速轟擊陰極，濺射出陰極金屬原子蒸汽，輻射出陰極金屬原子的特征譜線84.氘燈氘燈是一種熱陰極弧光放電燈，泡殼內(nèi)充有高純度的氘氣。氘燈有側(cè)窗和端窗兩種。由透紫外玻璃或石英玻璃制成。氘燈產(chǎn)生的連續(xù)輻射從165nm-370nm，可作為很好的真空紫外光源。全光譜波段輻射的穩(wěn)定度在2%/h左右，英國CATHODEON公司的端窗式30W氘燈的穩(wěn)定度小于0.5% 。目前，使用較多的是功率為30W的氘燈，200W氘燈已經(jīng)面向市場，需要水冷裝置。9氘燈10三、固體發(fā)光光源粉末場致發(fā)光光源 交流粉末場致發(fā)光光源 直流粉末場致發(fā)光光源薄膜場致發(fā)光光源發(fā)光二極管11交流粉末場致發(fā)光光源的結(jié)構(gòu)

4、發(fā)光材料(通常為ZnS：cu)懸浮在介電系數(shù)很高、透明而又絕緣的膠合介質(zhì)中，并被兩電極所挾持。背電極由金屬導(dǎo)電膜制作，透明的SnO2導(dǎo)電膜作為另一電極。高介電系數(shù)的TiO2射不僅能有效地反射光，而且還有防止擊穿作用。兩電極之間沒有導(dǎo)電支路，不能用直流激勵。粉末場致發(fā)光光源12直流粉末場致發(fā)光光源的結(jié)構(gòu)與交流情況類似，但其發(fā)光材料的涂層是導(dǎo)電的CuxS，而不是大量分布在中間的絕緣膠合介質(zhì)。直流場致發(fā)光吸收的能量等于通過發(fā)光體的傳導(dǎo)電流與實(shí)際施加在發(fā)光體上電壓的乘積。因此要求發(fā)光體與電極有良好的接觸，有電流流過發(fā)光體顆粒。(2)直流粉末場致發(fā)光光源 粉末場致發(fā)光光源13將固體發(fā)光材料制成薄膜的形式

5、，在電場的作用下出現(xiàn)的發(fā)光現(xiàn)象，稱為薄膜場致發(fā)光。在形式上，它與粉末場致發(fā)光極其相似，但在結(jié)構(gòu)上有本質(zhì)的不同。主要特點(diǎn)：發(fā)光體與電極直接接觸，加之薄膜很薄(約1微米左右)，因而可獲得低壓直流場致發(fā)光，一般工作電壓十幾伏至幾十伏。薄膜場致發(fā)光可以有很高的分辨率，成像質(zhì)量高顯示對比度好，可制成各種形狀，視角大，光線柔和，制備工藝簡單，造價便宜等，在顯示和顯像方面是很有前途的發(fā)光器件。薄膜場致發(fā)光光源14發(fā)光二極管；少數(shù)載流子在p-n區(qū)的注入與復(fù)合而發(fā)光。發(fā)光二極管 未加電壓時，p-n結(jié)上形成一定勢壘； 當(dāng)加上正向偏壓時，在外電場作用下，p-n結(jié)附近發(fā)生電子與空穴的復(fù)合，釋放出能量部分以光發(fā)出。 發(fā)

6、光二極管電流一電壓特性和普通的二極管大體一樣，電壓一超過開啟點(diǎn)顯示出歐姆導(dǎo)通特性。響應(yīng)時間幾個納秒，光通信光源15發(fā)光二極管；少數(shù)載流子在p-n區(qū)的注入與復(fù)合而發(fā)光：發(fā)光二極管電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光 光的峰值波長與半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg有關(guān)1240/Eg（nm） 除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個中心介于導(dǎo)帶、價帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)

7、m以內(nèi)產(chǎn)生。 現(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠、藍(lán)光發(fā)光二極管，其中藍(lán)光成本、價格很高 注意：右邊是電勢，帶負(fù)電的電子是向增加方向運(yùn)動。（電子電勢能乘 e，其電勢能仍為減?。﹑n耗盡層16pn結(jié)與整流、發(fā)光、光電探測電子勢能 pn耗盡層E擴(kuò)散漂移pnElectrons have diffused from n to p region and uncovered positively donor ions left;While holes have diffused from p to n and uncovered negative acceptor ions leftThere is a separ

8、ation of charge whithin the space charge region, and a E is created dirrected from n to p A built-in potential is formed between n and p regions, held back the above diffusions1硅二極管整流反偏正偏17pn結(jié)與整流、發(fā)光、光電探測電子勢能 pn耗盡層E擴(kuò)散漂移pn2 發(fā)光硅二極管，正向?qū)?、反向截止。至于相反方向擴(kuò)散的電子和空穴相遇、復(fù)合，放出熱能，往往是二極管冷卻的問題一個事實(shí)：砷化鎵二極管復(fù)合時釋放的能量主要是以光能

9、，而不是熱能！上世紀(jì)60年代發(fā)明的發(fā)光二極管（LED）LED是繼1950年代Si半導(dǎo)體技術(shù)後，由III-V族化合物半導(dǎo)體發(fā)展的半導(dǎo)體器件。LED的發(fā)光原理是利用半導(dǎo)體中的電子和空穴結(jié)合而發(fā)出光子，不同於燈泡需要在3000度以上的高溫下操作，也不必像日光燈需使用高電壓激發(fā)電子束， 18Compound SemiconductorsGaAs, InP, AlAs, GaN, GaAlN, GaInAs, GaInNand Organics SemiconductorsHigh mobility (Due to existence Optical phonon)Direct Band Gap: Ca

10、n convert electricity to light (momentum conservation Direct band gap)Hetero-structure New and better (electric & thermo conductivity) materials for electronic industry & electro- Optics industry Semiconductor lasers & LED19pn結(jié)與整流、發(fā)光、光電探測電子勢能 pn耗盡層E擴(kuò)散漂移pnGaAs二極管發(fā)光反偏正偏硅二極管，正向?qū)?、反向截止。至于相反方向擴(kuò)散的電子和空穴相遇、

11、復(fù)合，放出熱能，往往是二極管冷卻的問題一個事實(shí)：砷化鎵二極管復(fù)合時釋放的能量主要是以光能，而不是熱能！上世紀(jì)60年代發(fā)明的發(fā)光二極管（LED）發(fā)光二極管的整流-伏安特性與硅二極相比，除正偏電壓稍高些，形狀一樣；最大區(qū)別是但增加了發(fā)光的功能20pn結(jié)與整流、發(fā)光、光電探測電子勢能 pn耗盡層E擴(kuò)散漂移pn3 光探測反偏正偏A photodiode is a pn juction with an applied reverse bias voltage光照時，光生載流子在pn結(jié)和n、p區(qū)，前者被內(nèi)建電場迅速掃走，形成所謂快速電流（Prompt Currents）；后者在n、p區(qū)中產(chǎn)生，需經(jīng)擴(kuò)散形成

12、所謂推遲電流（Delayed Currents)21發(fā)光二極管 與 光電二極管Photodiode converts optical energy into electrical energy-photons generate excess electrons and holes, which produce currents. PDWe might also apply a voltage across pn junction resulting currents, which in turn produce photons-this reverse mechinism if often c

13、alled injection electroluminescence. LEDThe spectra output of LED may have a relative wide wavelength bandwidth of 40 nm, this spectrum is however is narrow enough so that a particular color is observed.When a voltage is applied across pn junction, electrons and holes are injected across the space charge region, where they become excess minority carriers, which diffuse into the neutral semiconductor region, where they recombine with majority carriers, then photons are emittedThe diffusion currents proportional to the recombinatio rate, so the output photons i