光电传感器应用技术 教学课件 ppt 作者 王庆有 第2章 第2节
2.2.2 卤钨灯,卤钨灯是一种改进的钨丝白炽灯。钨丝在高温下蒸发使灯泡变黑，如果降低白炽灯的灯丝温度，则发光效率降低。在灯泡中充入6价元素氟、氯、溴或碘等卤族元素，使它们与蒸发在玻璃壳上的钨形成卤化物。当这些卤化物回到灯丝附近时，遇到高温便会分解，钨又回到钨丝上。这样，灯丝的温度可以大大提高，而玻璃壳也不会发黑。因此，灯丝发光亮度高、效率高，使卤钨灯具有形体小，成本低的特点。,常用的卤钨灯有碘钨灯和溴钨灯。在光电传感器技术中应用最多的卤钨灯为溴钨灯。,图2-7所示为4种溴钨灯的外形尺寸图。,其中（a）与（c）型为低功率的溴钨仪器灯，（a）型灯为具有矩形灯丝的面光源灯，它基本能满足测量仪器对光源均匀性的要求。而（c）灯的灯丝很小，近似为“点”光源，用于要求光源发光面尽量小的测量仪器中。,表2-5 仪器用国产卤钨灯,H=37,2.3 气体放电灯,气体放电灯包含汞灯、钠灯、氙灯和铟灯等。它们是通过高压使气体电离放电产生很强的光辐射，而不象钨丝灯那样是通过加热灯丝使其发光，因而也称气体放电灯，它为冷光源。气体放电灯的共同特点是发出的光谱为线光谱或带状光谱，因为它们的发光机理属于等离子体发光。,2.3.1 气体放电,在紫外线或在宇宙射线作用下，会有少量气体分子被电离成正、负离子和自由电子 ，电压增高后将出现如图2-8所示的激发光现象。,在辉光放电时，将产生明暗相间的区域，各区域的电势和光强分布如图2-9所示，弧光放电发出的光极其明亮，可用在电影放映和公共场所照明。无论辉光放电或弧光放电，都是气体的场致发光现象。在气体放电过程中，由于电场的作用使带电粒子动能增加到足以能电离其他气体分子时，气体分子吸收带电粒子的能量，使其电子处于激发状态。这种激发态是不稳定的，一般在10-8s以内。从激发态回到低能态或基态，以发光的形式放出能量。如钠蒸汽原子辐射出5890×10 -10 m、5896×10 -10 m的双黄光。,2.4 金属蒸气灯,2.4.1 水银蒸气灯（汞灯）,汞灯是在石英玻璃管内充入汞，当灯点燃时，灯中汞被蒸发，汞蒸气压强增至几个大气压，从而产生辉光放电。,如图2-13（a）所示为高压汞灯的基本结构图，它由灯座灯内支持架与内部发光室（那里汞蒸气被两电极间的电场所激发），由于汞灯是金属汞蒸气在高压下被激发产生汞光谱的多条特征谱线。这些谱线的强弱与光谱分布均与汞元素有关，常将其用作标定光谱仪器的已知光谱光源。,2.4.2 钠灯,在钠-钙玻璃内充入钠蒸汽，当钨丝点燃后，只发射589.0nm、589.6nm的双黄光，为此可用来校正光谱仪器或作其他用途。此外，还有氢灯、氘灯等光谱定标用灯。这里不再讨论，需要这方面内容时可查找“光学技术手册”。,2.5 半导体发光二极管光源,1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光。70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器。进十年来，发光二极管的发光效率及发光光谱都有了很大的提高，用发光二极管作光源有许多优点。,2.5.1 发光二极管的发光机理,发光二极管（即LED）是一种注入电致发光器件，它由P型和 N型半导体组合而成。其发光机理常分为PN结注入发光与异质结注入发光两种。,1. PN结注入发光,PN结处于平衡时，存在一定的势垒区，其能带如图2-15 所示。当加正偏压时，PN结区势垒降低，从扩,散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，并主要发生在p区。,2. 异质结注入发光,为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。图2-16a表示理想的异质结能带图。由于p区和n区的禁带宽度不相等，当加上正向电压时小区的势垒降低，两区的价带几乎相同，空穴就不断向n区扩散。,对n区电子，势垒仍然较高，不能注入p区。这样，禁带宽的p区成为注入源，禁带窄的n区成为载流子复合发光的发光区（图2-16b）。例如，禁带宽EG2=1.32eV 的p-GaAs与禁带宽EG10.7eV p-GaAs与禁带宽EG10.7eV的n-GaSb组成异质结后，n-GaAs的空穴注入n-GaAs区复合发光。,由于n区所发射的光子能量hv比EG2 小得多，它进入p区不会引起本征吸收而直接透射出去。,2.5.2 发光强度电流特性,在正向配置电压的作用下流过发光二极管PN节的正向电流If使注入到PN结内的载流子在P区复合而发光，其发光强度IV为,式中v为发光二极管的发光效率。,图2-17所示为GaP（红色）发光二极管发光强度与电流密度If的关系曲线,可以看出，发光二极管发光强度基本与流过的电流If成正比。说明可以通过控制电流If对LED发出的光强IV进行控制。,由于发光二极管的正向伏安特性曲线在发光区呈现为I=I0exp（qU/nkT）指数形式，并且1n2较小，通常可以略，求出发光强度Iv与发光二极管两端电压U的关系为 ：,(2-4),2.5.3 发光光谱和发光效率,由上面讨论可知，LED发射光谱的峰值波长由材料的禁带宽度决定。例如 GaAs红外发光二极管的禁带宽度在室温下为1.4 eV，发光峰值波长为0.860.9m。发绿光的发光二极管GaP的禁带宽度为2.26 eV，发光峰值波长为0.55 m。对异质结发光二极管，禁带宽度由元素的组分量决定，如GaAs1-x Px，最佳组分x0.4，发光峰值波长为0.650.66 m。改变组分量x可以改变发光峰值波长。,(1) 光谱,(2) 发光效率,发光二极管发射的光通量与输人电功率之比表示发光效率，单位lm/W；也有人把光强度与注入电流之比（cd/A）称为发光效率。,发光效率由内部量子效率与外部量子效率两个参数决定。内部量子效率可表示为 （2-5）,复合率又分别取决于载流子的寿命r和n，其中复合率为1/r，无辐射复合率为1/n。,（2-6）,式中，r为辐射复合的载流子平均寿命；n为无辐射复合的载流子平均寿命。只有nr，才能获得较高内部量子效率的光子发射。,以间接复合为主的半导体材料，一般既存在发光中心，又存在其他复合中心。通过发光中心产生辐射复合，通过其他复合中心的复合不产生辐射。因此，要使辐射复合占压倒优势，必须使发光中心的浓度远远高于杂质的浓度。,光子通过半导体，一部分被吸收，一部分在到达界面后因遇到高折射率材料而产生全反射，再被晶体吸收，造成发射效率降低。将单位时间发射到外部的光子数nex与注入到器件的电子-空穴对数nin之比定义为器件的外部量子效率ex，即,(2-7),对于 GaAs这类直接带隙的半导体，其内部量子效率in可接近100。,提高外部量子效率的措施有三条： 用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂（n2 =1.55）涂敷在发光二极管上； 把晶体表面加工成半球形； 用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。,表2-7 几种典型发光二极管的发光效率与发光波长,（3）时间响应与温度特性,发光二极管的时间响应较快，短于1s，比人眼的时间响应要快得多，但是，用作光信号传递时，响应时间又显得太长。发光二极管的响应时间取决于注入载流子非发光复合的寿命和发光能级上跃迁的几率。,发光二极管的外部发光效率均随温度上升而下降。图2-18 表示GaP（绿色）、GaP（红色）、GaAsP三种发光二极管的相对光强度与温度的关系曲线。,（4）最大工作电流,如图2-19所示为典型发红光的GaP发光二极管内部量子效率in的相对值与电流密度J的关系曲线。,LED的最大工作电流密度应低于最大发射效率处的电流密度值。LED的最大容许功耗为Pmax，则最大容许的工作电流为,（2-8）,式中，rd是发光二极管的动态内阻；If、Uf为发光二极管在较小工作电流时的电流和正向压降。,
