第2章 第2節(jié).ppt

1、2.2.2鹵素燈，鹵素燈是改良的鎢絲白熾燈。鎢在高溫下蒸發(fā)，使燈泡變黑，降低白熾燈的燈絲溫度，發(fā)光效率就會下降。燈泡中填充六價元素溴、氯、溴、碘等鹵元素，由玻璃皮中蒸發(fā)的鎢和鹵化物制成。當這些鹵化物回到燈絲附近，高溫發(fā)生時，會分解，鎢會回到鎢絲上。這樣可以大大提高燈絲的溫度，但玻璃殼也不會變黑。因此，由于燈絲的發(fā)光亮度高、效率高，鹵素燈具有形體小、成本低的特點。常用鹵鎢燈是碘鎢燈和溴鎢燈。光電傳感器技術(shù)中最常用的鹵素燈是溴燈。圖2-7顯示了4種溴鎢燈的外形規(guī)格。其中，(A)和(C)是低功耗溴化物燈，(A)型燈具是具有矩形燈絲的面光源燈，基本上符合測量儀器的光源均勻性要求。(C)燈的燈絲非常小，

2、類似于“點”光源，用于光源發(fā)光表面盡可能小的測量設備。表2-5儀器用國產(chǎn)鹵素燈，H=37，2.3氣體放電燈，氣體放電燈包括汞、鈉、溴燈、銦等。它們通過高壓通過氣體電離放電產(chǎn)生強光輻射，不像鎢電燈那樣用加熱燈絲發(fā)光，因此也稱為氣體放電燈，它是冷光源。氣體放電燈的一般特征是發(fā)射的光譜是線譜或帶狀光譜。因為發(fā)光機制屬于等離子體發(fā)光。2.3.1氣體放電，在紫外線或宇宙射線的作用下，少量氣體分子電離成正負離子自由電子，電壓升高，就會出現(xiàn)圖2-8所示的刺激光現(xiàn)象。輝光放電會產(chǎn)生明暗混合的區(qū)域。每個區(qū)域的電勢和亮度分布如圖2-9所示，電弧放電發(fā)出的光非常亮，可以用于電影放映和公共場所照明。輝光放電或電弧放電

3、都是氣體的電致發(fā)光現(xiàn)象。在氣體放電過程中，由于電場的作用，帶電粒子的動能增加到能夠電離其他氣體分子的程度，氣體分子吸收帶電粒子的能量，使電子處于此狀態(tài)。此發(fā)生狀態(tài)不穩(wěn)定，通常在10-8s以內(nèi)。在此狀態(tài)下，回到低能狀態(tài)或基態(tài)，以發(fā)光的形式釋放能量。例如，鈉蒸氣原子發(fā)出589010 -10米、589610 -10米的雙硫光。2.4金屬蒸汽燈，2.4.1汞蒸汽燈(汞燈)，汞燈在石英玻璃管中裝滿了水銀，燈著火時，燈中的水銀蒸發(fā)了，水銀蒸汽壓在幾個大氣壓下強烈，引起輝光放電。如圖2-13(a)所示，高壓汞燈的基本結(jié)構(gòu)圖是由燈座燈內(nèi)部支撐和內(nèi)部發(fā)光室(水銀蒸汽由兩個電極之間的電場所引起)產(chǎn)生的，因為汞燈是

4、金屬汞蒸汽在高壓下產(chǎn)生汞光譜的多種特征補線。這種光譜的強弱和光譜分布都與汞元素相關，經(jīng)常用作光譜測量儀的已知光譜光源。在鈉-鈣玻璃中填充鈉蒸汽的2.4.2鈉燈，點燃鎢絲后僅發(fā)射589.0nm、589.6nm的雙硫光，可以校準光譜儀器或用于其他用途。還有氫燈、氘燈和其他光譜校準燈。這里不再討論了。需要此內(nèi)容時，可以找到“光學技術(shù)手冊”。2.5半導體發(fā)光二極管光源，1907年首次發(fā)現(xiàn)半導體二極管以正向偏磁發(fā)光。70年代末，人們開始使用發(fā)光二極管作為數(shù)字顯示器和視頻顯示器。在過去的10年里，發(fā)光二極管的發(fā)光效率和發(fā)光光譜有了很大的提高，使用發(fā)光二極管作為光源有很多優(yōu)點。2.5.1發(fā)光二極管的發(fā)光機制

5、，發(fā)光二極管(LED)是注入式電致發(fā)光設備，由P型和N型半導體組合而成。其發(fā)光機制經(jīng)常分為PN結(jié)注入發(fā)光和異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光兩種。1 .PN結(jié)注入光，PN結(jié)平衡后，有幾個障礙區(qū)域可以帶來，如圖2-15所示。加上正偏壓，PN結(jié)區(qū)壁壘降低，從擴張、擴散區(qū)注入的大量不平衡載流子不斷地復合發(fā)光，主要發(fā)生在P區(qū)。，2 .可以采用異質(zhì)結(jié)，通過向異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光，提高注入流子的效率。圖2-16a表示理想異質(zhì)結(jié)帶狀圖。因為p區(qū)和N區(qū)的禁止寬度不相等，加上正電壓會降低小區(qū)壁壘，兩區(qū)的價格幾乎相同，空穴繼續(xù)擴散到N區(qū)。(阿爾伯特愛因斯坦，Northern Exposure，)，n古瀨車站電子的障礙仍然很高，不能注入p區(qū)

6、。這樣，禁止帶寬的P區(qū)域成為注入源，窄N區(qū)域成為載波復合發(fā)光的發(fā)光區(qū)域(圖2-16b)。例如，當n-GaAs的孔以異質(zhì)形式形成禁止帶寬EG2=1.32eV的p-GaAs和禁止帶寬EG10.7eV p-GaAs和禁止帶寬EG10.7eV的n-GaSb時，n-GaAs的孔被注入n-GaAs區(qū)域復合發(fā)光。N區(qū)發(fā)射的光子能量HV比EG2小得多，因此進入P區(qū)不會引起本征吸收，而是直接透射。2.5.2發(fā)光強度電流特性，在正向配置電壓的作用下，低流發(fā)光二極管PN節(jié)的正向電流If在PN結(jié)中注入的載流子在P節(jié)中復合發(fā)光。發(fā)光強度IV，表達式中的V是發(fā)光二極管的發(fā)光效率。圖2-17示出了GaP(紅色)發(fā)光二極管發(fā)

7、光強度與電流密度If的關系曲線，顯示了發(fā)光二極管發(fā)光強度與流動電流If基本成正比。說明可以通過控制電流If來控制LED發(fā)出的發(fā)光強度IV。因為發(fā)光二極管的正向電壓特性曲線在發(fā)光區(qū)域中表示為I=I0exp(qU/nkT)指數(shù)，并且1n2很小，所以通常發(fā)光強度Iv和發(fā)光二極管兩端電壓U之間的關系為，(2-4)，2.5.例如，GaAs紅外發(fā)光二極管的禁止寬度在室溫下為1.4 eV，最大發(fā)光波長為0.860.9m。發(fā)射綠光的發(fā)光二極管GaP的禁止寬度為2.26 eV，最大發(fā)光波長為0.55 m。對于異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管，禁帶寬度由GaAs1-x Px、最佳組x0.4、發(fā)光峰值波長為0.650.66 m等元

8、素的分組分量確定。改變組分量x可以改變最大發(fā)光波長。(1)光譜，(2)發(fā)光效率，發(fā)光二極管發(fā)射的光通量與發(fā)射器功率之比表示發(fā)光效率，單位LM/W。有些人把光強度和注入電流的比率(cd/A)稱為發(fā)光效率。發(fā)光效率由兩個參數(shù)決定：內(nèi)部楊紫效率和外部楊紫效率。內(nèi)部楊紫效率可以表示為(2-5)，復合率分別取決于托架的壽命R和N。其中復合率為1/r，非復制復合率為1/n。(2-6)，在表達式中，R是輻射復合載體平均壽命。n是沒有輻射的復合載體平均壽命。只有Nr才能獲得內(nèi)部楊紫效率高的光子發(fā)射。以間接復合為主的半導體材料，通常有發(fā)光中心和其他復合中心。通過發(fā)光中心生成復制復合，通過其他復合中心的復合不生成

9、發(fā)射。因此，要使輻射復合物占壓倒性優(yōu)勢，發(fā)光中心的濃度必須遠遠高于雜質(zhì)的濃度。光子通過半導體部分吸收，部分到達界面后遇到高折射率物質(zhì)，產(chǎn)生完全反射，被晶體吸收，輻射效率下降。向外發(fā)射單位時間的光子數(shù)NEX與注入到設備的電子孔代數(shù)nin的比率定義為設備的外部楊紫效率EX，即(2-7)。對于直接帶隙半導體(如GaAs)，內(nèi)部楊紫效率in可能接近100。有三個措施可以提高外部楊紫效率。高于空氣折射率的透明物質(zhì)，將環(huán)氧裴秀智(N2=1.55)涂在發(fā)光二極管上。將晶體表面加工成半球。使用禁止的大塊晶體作為襯層，減少晶體被光吸收。表2-7幾種常用發(fā)光二極管的發(fā)光效率和發(fā)光波長，(3)時間響應和溫度特性，發(fā)光二極管的時間響應快，比1s短，響應速度比眼睛快得多，但是用作光信號傳輸時，響應時間看起來太長。發(fā)光二極管的響應時間取決于載流子非發(fā)光復合壽命和發(fā)光能量饋電的可能性。發(fā)光二極管的外部發(fā)光效率均隨溫度升高而降低。圖2-18表示GaP(綠色)、GaP(紅色)和GaAsP三種發(fā)光二極管的相對發(fā)光強度和溫度之間的關系曲線。(4)最大工作電流(參見圖2-19