《光辐射与发光源》PPT课件.ppt

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1、第一章第一章 光辐射与发光源光辐射与发光源光电子技术光电子技术任何光电系统都离不开光辐射源，任何光电系统都离不开光辐射源，所以光辐射原理是光电子技术的基所以光辐射原理是光电子技术的基本研究内容之一。本研究内容之一。本章主要介绍本章主要介绍光辐射的基本概念和原理光辐射的基本概念和原理典型的光辐射源典型的光辐射源 光子的基本概念光子的基本概念光是以电磁波方式辐射的物质光是以电磁波方式辐射的物质,具有波粒具有波粒二象性二象性麦克斯韦麦克斯韦电磁场理论电磁场理论：若在空间某区域：若在空间某区域有有变化的电场变化的电场（或变化磁场），在邻近（或变化磁场），在邻近区域将区域将产生变化的磁场产生变化的磁场(

2、或变化电场或变化电场)。这种变化的这种变化的电场电场和变化的和变化的磁场磁场不断地不断地交交替产生替产生，由近及远以有限的速度在空间，由近及远以有限的速度在空间传播，传播，形成电磁波形成电磁波。电磁波波谱范围很广，从电磁波波谱范围很广，从无线电波无线电波到到光光波波，从，从 X X射线射线到到射线射线都属于电磁波的都属于电磁波的范畴只是波长不同而已。范畴只是波长不同而已。波段（nm）名称用途10-5 30射线金属探伤、研究核结构10-4 100X射线医用、探伤、分析晶体结构100 380紫外线紫外线医用、照相制版医用、照相制版380 780可见光可见光780 10 6红外线红外线雷达、光纤通信

3、、导航雷达、光纤通信、导航10 6 10 9微波电视、雷达、无线电导航10 9 10 10米波（分米波 厘米波）调频广播、电视、导航等10 10 510 10短波无线电广播、电报通讯510 10 210 11中短波电报通讯210 11 310 12中波无线电广播310 12 310 13长波越洋长距离通讯和导航电磁波波段划分及用途 光辐射仅占电磁波谱的一小部分光辐射仅占电磁波谱的一小部分 度量长度用长度物理量度量长度用长度物理量米、厘米等米、厘米等度量时间用时间物理量度量时间用时间物理量秒、分、时秒、分、时怎样对光辐射进行度量呢？怎样对光辐射进行度量呢？1-1 1-1 辐射的基本概念辐射的基本

4、概念光辐射的探测和计量有两套体系光辐射的探测和计量有两套体系辐射度学量辐射度学量光度学量光度学量基本量辐射通量辐射通量(又称辐射功率)或者辐射能辐射能与辐射客体有关的量客观量客观量。基本单位是瓦特(W)或者焦耳(J)。辐射度学适用于整个电磁波段。基本量发光强度发光强度不是光通量视觉亮暗特性视觉亮暗特性的光辐射计量主观量主观量基本单位是坎德拉坎德拉(cd)光度学只适用于可见光波段。虽然虽然辐射度学辐射度学体系和体系和光度学光度学体系的物理体系的物理量在物理概念上不同，但所用的物理符量在物理概念上不同，但所用的物理符号一一对应。号一一对应。辐射度物理量用角标辐射度物理量用角标“e”表示表示(emi

5、ssion)光度物理量用角标光度物理量用角标“”表示（表示（vision）下面学习这两套光辐射单位体系物理量下面学习这两套光辐射单位体系物理量。一、辐射度的基本物理量一、辐射度的基本物理量辐射能辐射能 Qe 焦耳焦耳(J)辐射能辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波是以辐射形式发射或传输的电磁波(主要指紫主要指紫外、可见光和红外辐射外、可见光和红外辐射)能量能量2.辐射通量辐射通量 e（辐射功率辐射功率）瓦特瓦特(W)焦耳焦耳/秒秒(Js)单位时间内发射、传播或接收的单位时间内发射、传播或接收的辐射能辐射能量量3.辐射强度辐射强度 Ie单位：单位：瓦特瓦特球面度球面度-1-1(Wsr(Wsr -

6、1-1)点辐射源点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量。的辐射通量。一个置于各向同性、均匀介质中的点辐射体向所一个置于各向同性、均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是有方向发射的总辐射通量是e，则该点辐射体在，则该点辐射体在各个方向的辐射强度各个方向的辐射强度Ie是常量，有是常量，有4.辐射照度辐射照度 Ee 单位：单位：Wm2受体的辐射照度受体的辐射照度Ee定义为照射在面元上的辐射通量定义为照射在面元上的辐射通量de与该面与该面元的面积元的面积dA之比，即之比，即5.辐射出射度辐射出射度Me单位是单位是Wm2 反映反映物体辐射能力物体辐射

7、能力的物理量。的物理量。定义为扩展辐射源单位面积向半球空间发射定义为扩展辐射源单位面积向半球空间发射的辐射通量的辐射通量。辐射出射度Me和辐射照度Ee区别辐射出射度Me和辐射照度Ee区别：Me描述面辐射源向外发射的辐射特性Ee描述辐射接收面所接收的辐射特性6.6.辐射亮度辐射亮度 Le 单位：瓦特瓦特/球面度球面度米米2(wsrm2)定义：定义：扩展源扩展源(面辐射源面辐射源)表面一点处的面元表面一点处的面元在某一给定方向上单位立体角、单位投影面在某一给定方向上单位立体角、单位投影面积内发出的辐射通量，如图积内发出的辐射通量，如图l-2l-2所示。所示。式中是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。

8、辐射出射度Me和辐射亮度Le区别辐射出射度Me和辐射亮度Le区别：Me描述面源的辐射通量的表面密度。（单位面积向半球间发射的辐射功率）Le描述面源辐射强度的表面密度。面源在该方向上的单位投影面积（dAcos）向单位立体角内发射的辐射功率。7.光谱辐射量度量名称度量名称符号符号定义式定义式单位名称单位名称单位符号单位符号单色辐射通量单色辐射通量e,de/d瓦特微米瓦特微米Wm单色辐射出射度单色辐射出射度Me,dMe/d瓦特米瓦特米2微米微米W(m2m)单色辐射强度单色辐射强度Ie,dIe/d瓦特球面度瓦特球面度微米微米W(sr m)单色辐射亮度单色辐射亮度Le,dLe/d瓦特球面度瓦特球面度米米

9、2微米微米w(srm2m)单色辐射照度单色辐射照度Ee,dEe/d瓦特米瓦特米2微米微米W(m2m)二、光度的基本物理量二、光度的基本物理量光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位。辐射计量单位。（人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，辐射人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，辐射度单位不能正确反映人的亮暗感觉。）度单位不能正确反映人的亮暗感觉。）辐射度学的基本物理量辐射度学的基本物理量QeQe、ee、IeIe、MeMe、LeLe、EeEe光频区光度基本物理量光频区光度基本物理量QvQv、vv、IvIv、MvMv、LvLv、EvEv定义完

10、全一一对应，其关系如表定义完全一一对应，其关系如表l2l2所示。所示。表表1-2 1-2 辐射度量和光度量之间的对应关系辐射度量和光度量之间的对应关系辐射度物理量辐射度物理量光度量物理量光度量物理量物理量名称物理量名称符号符号定义或定义式定义或定义式单位单位物理量名称物理量名称符号符号定义或定义式定义或定义式单位单位辐射能辐射能QehhJ光量光量QvQv=vdtlms辐射通量辐射通量ee=d Qe/dtW光通量光通量vv=Ivdlm辐射出射度辐射出射度MeMededSWm2光出射度光出射度MvMvdvdSlmm2辐射强度辐射强度Ie IededWsr发光强度发光强度Iv基本量基本量cd辐射亮度

11、辐射亮度LeLedIe(dScos)W(m2sr)(光光)亮度亮度LvLvd Iv(dScos)cdm2辐射照度辐射照度Ee EededAWm2(光光)照度照度EvEvdvdAlx光度量与辐射度量关系用光度量与辐射度量关系用光视效能光视效能与与光视效率光视效率表示。表示。光视效能光视效能K K 单位是单位是流明流明/瓦特瓦特(lm(lmW)W)。光视效能光视效能K K定义为同一波长下测得的光通量与辐射定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比通量的比描述某一波长的描述某一波长的单色光辐射通量单色光辐射通量可以产生多少相应的可以产生多少相应的单单色光通量色光通量。光视效率光视效率V()V()单位

12、是单位是坎德拉每平方米坎德拉每平方米通过对标准光度观察者的实验测定，在辐射频率通过对标准光度观察者的实验测定，在辐射频率5401012Hz(波长波长555nm黄光黄光)处，处，K有最大值，其数值为有最大值，其数值为Km=683lmw。光通量与辐射通量之间的关系光通量与辐射通量之间的关系光度量与辐射度量的关系式的一般函数式光度量与辐射度量的关系式的一般函数式在光度学体系中，基本单位是在光度学体系中，基本单位是发光强度发光强度IvIv，其单位，其单位是是坎德拉坎德拉cdcd。坎德拉坎德拉cdcd定义：定义：当单色辐射光源频率为当单色辐射光源频率为54010540101212HzHz，若给定方向的辐

13、射强度为若给定方向的辐射强度为1 1683683（W Wsrsr）则该光源在该方向上的发光强度为则该光源在该方向上的发光强度为1cd1cd。三、热辐射的基本物理量三、热辐射的基本物理量热辐射热辐射任何任何0K0K以上温度的物体都会发射以上温度的物体都会发射各种波长的电磁波各种波长的电磁波,这种由于物体中的分子、这种由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象。原子受到热激发而发射电磁波的现象。热辐射具有连续的辐射谱热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区，波长自远红外区延伸到紫外区（光谱区）延伸到紫外区（光谱区）辐射能辐射能按波长的按波长的分布分布取决于物体的温度。取决于物体的温度。1.1

14、.辐射本领辐射本领M M(,T)(,T)单位是单位是瓦每微米平方米瓦每微米平方米(W(Wumm2)定义定义:热辐射体表面在单位波长间隔单位面积内所辐射的热辐射体表面在单位波长间隔单位面积内所辐射的辐射通量辐射通量,即光谱辐射出射度、单色辐射出射度即光谱辐射出射度、单色辐射出射度2.吸收率吸收率(,T)定义定义:在波长在波长到到+d间隔内被物体吸收的通量与入射通量间隔内被物体吸收的通量与入射通量之比之比3.3.绝对黑体绝对黑体(简称黑体简称黑体)：在任何温度下，对任何波长的辐射能的在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收吸收率等于率等于l l，即，即（T T）l l黑体的辐射本领黑体的辐射本领 M

15、b(,T)Meb(,T)4.发射率(,T)定义定义:物体的辐射本领物体的辐射本领M(,T)与绝对黑体辐射本领 Mb(,T)的比值黑体黑体:(,T)=(,T)=1 1-2 1-2 热辐射的基本定律热辐射的基本定律一、基尔霍夫辐射定律一、基尔霍夫辐射定律辐射本领辐射本领与吸收率吸收率内在联系的重要定律：在给定的温度下在给定的温度下,对某一波长来说对某一波长来说,物体的物体的辐射本辐射本领与单色吸收率之比值领与单色吸收率之比值与物体本身的性质无关，与物体本身的性质无关，对于一切物体都是对于一切物体都是恒量恒量。等于该温度下。等于该温度下黑体黑体对同对同一波长的一波长的辐射本领辐射本领(单色辐射出射度

16、单色辐射出射度)。即。即式中 为黑体的单色辐射出射度单色辐射出射度。总结:基尔霍夫定律是平衡辐射定律基尔霍夫定律是平衡辐射定律,与物体本与物体本身的性质无关身的性质无关吸收和辐射的多少应在同一温度下比较吸收和辐射的多少应在同一温度下比较任何强烈的吸收必发出强烈的辐射任何强烈的吸收必发出强烈的辐射,无论无论吸收是由物体表面性质决定的吸收是由物体表面性质决定的,还是由系还是由系统的构造决定的统的构造决定的基尔霍夫定律所描述的辐射与波长有关基尔霍夫定律所描述的辐射与波长有关,不与人眼的视觉特性和光度量有关不与人眼的视觉特性和光度量有关基尔霍夫定律只适用于温度辐射基尔霍夫定律只适用于温度辐射,对其它对

17、其它发光不成立发光不成立二、兰伯特定律二、兰伯特定律-朗伯辐射表面在某方向辐射光强随该方向和表面法朗伯辐射表面在某方向辐射光强随该方向和表面法线之间夹角余弦而变化线之间夹角余弦而变化 辐射表面辐射表面 法线方向辐射亮度法线方向辐射亮度 与法线成与法线成 角角方向辐射亮度方向辐射亮度 理想漫反射表面理想漫反射表面-均匀点光源向空间发射球面波，则点光源在均匀点光源向空间发射球面波，则点光源在传输方向上某点的照度与该点到点光源距离平方传输方向上某点的照度与该点到点光源距离平方成反比成反比 三、距离平方反比定律距离平方反比定律dA-球心点光源球心点光源 o 发出的光所张发出的光所张的的 立体角立体角d

18、 所截的表面积所截的表面积-与球的半径平方成正比与球的半径平方成正比 dA上的照度：上的照度：-照度照度E与距离的平方与距离的平方R2成反比成反比半径半径R-表面表面dA到点光源的距离到点光源的距离点光源点光源o o向空间任一锥立体角向空间任一锥立体角d 内辐射通量内辐射通量-不变不变 实际光源：实际光源：有一定的几何尺寸有一定的几何尺寸光能叠加原理光能叠加原理-所求表面的照度实所求表面的照度实际上是该光源上各点贡献照度之和际上是该光源上各点贡献照度之和 照度照度条件条件:面辐射源是亮度均匀的发光表面面辐射源是亮度均匀的发光表面,即漫辐射源即漫辐射源rR L-光源的发光亮度光源的发光亮度 四、

19、亮度守恒定律四、亮度守恒定律辐射亮度辐射亮度几何关系几何关系1)同一种介质中同一种介质中-光在同一种介质中传播时，若传输过程中无能光在同一种介质中传播时，若传输过程中无能量损失，则光能传输的任一表面亮度相等量损失，则光能传输的任一表面亮度相等2）不同介质中）不同介质中在在不同介质中传播的光束，不同介质中传播的光束，在无能量损耗的情况下其基本在无能量损耗的情况下其基本幅亮度是守恒的。幅亮度是守恒的。-基本幅亮度基本幅亮度折射定律折射定律-光在介质表面无反射和吸收损失光在介质表面无反射和吸收损失 结论：结论：五、普朗克定律五、普朗克定律黑体处于温度黑体处于温度T T时，在波长时，在波长处的单色辐处

20、的单色辐射出射度由普朗克公式给出射出射度由普朗克公式给出式中式中h h为普朗克常数，为普朗克常数，c c为真空中的光速，为真空中的光速，k k为波尔兹为波尔兹曼常数。曼常数。(1)对应任一温度，单色辐对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值；化，且只有一个峰值；对应不同温度的曲线不对应不同温度的曲线不相交。因而温度能惟一相交。因而温度能惟一确定单色辐射出射度的确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出射度光谱分布和辐射出射度(即曲线下的面积即曲线下的面积)。(2)单色辐射出射度和辐射单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高出射度均随温度的升高而增大。而增大。(3

21、)单色辐射出射度的峰值单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方随温度的升高向短波方向移动。向移动。六、维恩位移定律六、维恩位移定律单色辐射出射度最大值对应的波长m应由 这就是著名的维恩位移定律。根据这一定律，只要知道了黑体的温度，就能直接得到黑体最大辐射出射度最大辐射出射度对应的峰值波长峰值波长mm。七、斯忒藩七、斯忒藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律普朗克公式积分可得到黑体的辐射出射度为此为单位面积辐射总功率.表明黑体辐射出射度只与黑体温度有关。温度决定了黑体的辐射特性。1-3 1-3 光源的基本特性参数和光源的选择光源的基本特性参数和光源的选择在光电技术系统中，在光电技术系统中，光源光源的选择起着

22、的选择起着关关键的作用键的作用。根据光源的基本特性参数，按实际需要根据光源的基本特性参数，按实际需要选择光源。选择光源。1 1、辐射效率（辐射度学）和发光效率（光度学）、辐射效率（辐射度学）和发光效率（光度学）在给定波长范围（12）内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比。光源在规定光谱范围内的辐射效率为：相应对于光度学，对于可见光，某一光源的发光效率为：V()为明视觉光谱光视效率，Km为明视觉最大光谱光视效能。在照明和光度测量系统中，一般选用发光效率v较高的光源。一、发光源的基本特性参数一、发光源的基本特性参数常用光源的发光效率 光源种光源种类类发发光效率光效率(lm/W

23、)光源种光源种类类发发光效率光效率(lm/W)普通普通钨丝钨丝灯灯818高高压压汞灯汞灯3040卤钨卤钨灯灯1430高高压钠压钠灯灯90100普通普通荧荧光灯光灯3560球形氙灯球形氙灯xiandeng 3040三基色三基色荧荧光灯光灯5590金属金属卤卤化物灯化物灯60802 2、光谱功率分布、光谱功率分布光源输出的功率与光谱（光的波长光源输出的功率与光谱（光的波长）有关）有关典型分布典型分布线状光谱线状光谱低压汞灯低压汞灯带状光谱带状光谱高压汞灯高压汞灯连续光谱连续光谱白炽灯、白炽灯、卤素灯卤素灯复合光谱复合光谱荧光灯荧光灯选择：选择：光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致光谱功

24、率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致目视测量目视测量-可见光谱辐射比较丰富的光源可见光谱辐射比较丰富的光源目视瞄准目视瞄准-绿光光源（减轻人眼的疲劳）绿光光源（减轻人眼的疲劳）彩色摄影彩色摄影-白炽灯、卤素灯作光源白炽灯、卤素灯作光源紫外、红外测量紫外、红外测量-紫外灯（氙灯、紫外汞灯）、红外灯紫外灯（氙灯、紫外汞灯）、红外灯光源发光各向异性光源发光各向异性-发光强度在各个方向不同发光强度在各个方向不同3 3、空间光强分布特性、空间光强分布特性发光强度曲线（配光曲线）发光强度曲线（配光曲线）-在光源辐射光的空间某一截面上，在光源辐射光的空间某一截面上，将与发光强度成正比的矢量将与发光强度

25、成正比的矢量的端点连线的端点连线选择发光强度高的方向作为照明选择发光强度高的方向作为照明方向方向-提高光的利用率提高光的利用率利用反光罩（焦点位于利用反光罩（焦点位于光源的发光中心）光源的发光中心）-充分利用其他方向的光充分利用其他方向的光4 4 4 4、光源的色温、光源的色温、光源的色温、光源的色温色温色温辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。一种颜色可以由多种光谱分布产生。色温相同，相对光谱功率分布不一定相同。色温只能给出这个光源光色的大概情况，一般来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙、红光的成分多些。二、光源选择的基本要求二

26、、光源选择的基本要求光谱特性必须满足检测系统的要求，光源和光电探光谱特性必须满足检测系统的要求，光源和光电探测器之间光谱匹配系数尽可能大。测器之间光谱匹配系数尽可能大。发光强度必须满足检测系统的要求发光强度必须满足检测系统的要求。光源的稳定性必须满足检测系统的要求。光源的稳定性必须满足检测系统的要求。对光源的结构和形状；发光面积的大小和构成；灯对光源的结构和形状；发光面积的大小和构成；灯泡玻壳的形状和均匀性；以及光源的空间分布等也泡玻壳的形状和均匀性；以及光源的空间分布等也有一些具体要求。有一些具体要求。光谱特性目视光学系统目视光学系统：选用可见光谱较丰富的光源。：选用可见光谱较丰富的光源。紫

27、外、红外测量紫外、红外测量:紫外灯、红外灯紫外灯、红外灯彩色摄影系统彩色摄影系统：选用类似日光色的光源，：选用类似日光色的光源，如卤钨灯、氙灯。如卤钨灯、氙灯。返返 回回发光强度 光源光源强度过低强度过低，系统获得信号过小，可能无法正，系统获得信号过小，可能无法正常监测常监测因此，系统设计应对探测器所需获得的最大、最因此，系统设计应对探测器所需获得的最大、最小光通量进行正确的估计，并按估计选择光源小光通量进行正确的估计，并按估计选择光源光源光源强度过高强度过高，将导致系统工作的非线性，可能，将导致系统工作的非线性，可能损坏系统、待测物、光电探测器等损坏系统、待测物、光电探测器等返返 回回发光源

28、的稳定性脉冲量脉冲量的检测系统对光源的稳定性要求较低。的检测系统对光源的稳定性要求较低。光量或辐射量光量或辐射量强度、亮度、照度或通量检强度、亮度、照度或通量检测系统，对光源的稳定性有较严格的要求。测系统，对光源的稳定性有较严格的要求。返返 回回1-4 1-4 光电技术中常用光源简介光电技术中常用光源简介 常用光源种类常用光源种类 热辐射光源热辐射光源 气体放电光源气体放电光源 固体发光光源固体发光光源 激光器激光器一、热辐射光源一、热辐射光源发光特性发光特性可用普朗克公式精确计算可用普朗克公式精确计算光通量为光通量为连续光谱，光谱宽连续光谱，光谱宽，紫外和可见光少，紫外和可见光少采用采用稳定

29、的供电稳定的供电（稳压或稳流），可使输出的光（稳压或稳流），可使输出的光辐射有较高的稳定度辐射有较高的稳定度 2、白炽灯、白炽灯1、人造黑体辐射源、人造黑体辐射源n种类种类二、气体放电光源二、气体放电光源-利用气体放电原理来发光的光源利用气体放电原理来发光的光源如：将氢、氦、氘、氙、氪或者金属蒸汽（汞、钠、硫等）如：将氢、氦、氘、氙、氪或者金属蒸汽（汞、钠、硫等）充入灯中充入灯中运动：电子运动：电子 阳极，离子阳极，离子 阴极阴极 原子跃迁原子跃迁 高能级高能级 低能级（发光）低能级（发光）气体放电电源的特点：气体放电电源的特点：发光效率高，比白炽灯高发光效率高，比白炽灯高210倍，可节省能源

30、；倍，可节省能源；结构紧凑，耐震、耐冲击；结构紧凑，耐震、耐冲击；寿命长，大约是白炽灯的寿命长，大约是白炽灯的210倍；倍；光色范围大，如普通高压汞灯发光波长大约为光色范围大，如普通高压汞灯发光波长大约为 400500nm，低压汞灯则为紫外灯，钠灯呈黄色，低压汞灯则为紫外灯，钠灯呈黄色 （589nm），氙灯近日色，而水银荧光灯为复色。），氙灯近日色，而水银荧光灯为复色。-常用于工程照明和光电测量之中。常用于工程照明和光电测量之中。三、固体发光光源三、固体发光光源粉末场致发光光源粉末场致发光光源薄膜场致发光光源薄膜场致发光光源注入式场致发光光源注入式场致发光光源-发光二极管发光二极管n发光二极管

31、发光二极管(LED-Light-Emitting Diode):由于少数载流子少数载流子在电场作用下能量增加，这些载流子在P-NP-N结区的注入与复合而产生的发光的器件面光源面光源-专用专用线光源线光源点光源点光源N 型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体N 型型+5+4+4+4+4+4磷原子磷原子自由电子自由电子电子为电子为多多数载流数载流子子空穴为空穴为少少数载流数载流子子载流子数载流子数 电子数电子数P 型型+3+4+4+4+4+4硼原子硼原子空穴空穴空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数施主施主离子离子受主受主离子离子1、工作原理、工作原理PN 结结(P

32、N Junction)的形成的形成1.载流子的载流子的浓度差浓度差引起多子的引起多子的扩散扩散2.复合使交界面复合使交界面形成空间电荷区形成空间电荷区(耗尽区、势垒区耗尽区、势垒区)空间电荷区特点空间电荷区特点:无载流子，无载流子，阻止扩散进行，阻止扩散进行，利于少子的漂移。利于少子的漂移。3.扩散和漂移达到扩散和漂移达到动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流 等于漂移电流，等于漂移电流，总电流总电流 I=0。内建电场内建电场PN 结形成结形成外加外加正向正向电压电压(正向偏置正向偏置)P 区区N 区区内电场内电场+UR外电场外电场外电场使外电场使P区的空穴和区的空穴和N区的区的电子向电子向 PN

33、结移动结移动,中和部分中和部分离子离子使空间电荷区变窄。使空间电荷区变窄。IF限流电阻限流电阻N N区电子越过区电子越过P-NP-N结进入结进入P P区区,与与P P区空穴相复合区空穴相复合。N N区区电子扩散进入电子扩散进入P P区区,对于对于P P区称为少数载流子的注入区称为少数载流子的注入。P P区空穴越过区空穴越过P-NP-N结进入结进入N N区区,与与N N区电子相复合区电子相复合。P P区区空穴扩散进入空穴扩散进入N N区区,对于对于N N区称为少数载流子的注入区称为少数载流子的注入。扩散运动加强形成正向电扩散运动加强形成正向电流流 IF 。高能电子与空穴复合高能电子与空穴复合 -

34、释放能量释放能量-光子光子-半导体发光半导体发光P-N结发光原理辐射光波长辐射光波长-半导体材料的禁带宽度半导体材料的禁带宽度Eg-材料（搀杂）材料（搀杂）发光二极管性能发光二极管性能2 2、主要参数和特性、主要参数和特性半导体发光二极管半导体发光二极管 -半导体器件、发半导体器件、发光器件光器件工作参数工作参数-电学参数、光学参数电学参数、光学参数 电学参数电学参数-工作电流、正向电压、功耗、响应工作电流、正向电压、功耗、响应时间、反向电压、反向电流等时间、反向电压、反向电流等-光电器件手册中查到光电器件手册中查到 光学参数光学参数-辐射波长、光谱特性、发光亮度、辐射波长、光谱特性、发光亮度

35、、光强分布等光强分布等 伏安特性伏安特性正向电压较小不发光正向电压较小不发光-正向死正向死区区-与普通半导体二极管相同与普通半导体二极管相同开启电压：开启电压：GaAs-1V GaAsP-1.5V GaP（红）（红）-1.8V GaP（绿）（绿）-2V 电压：电压：1.53V加反向电压时不发光加反向电压时不发光-反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压：反向击穿电压：520V左右左右-工作电压工作电压大量发光区大量发光区 光谱特性光谱特性-不是纯单色光（谱线比激光宽、比复色光源不是纯单色光（谱线比激光宽、比复色光源窄）窄）峰值波长峰值波长700nm左右，左右，半宽度约半宽度约100nm；GaAs-

36、谱线宽度谱线宽度25nm （单色光）（单色光）P-N结温度上升结温度上升-峰值波长向长波方向漂移峰值波长向长波方向漂移动态动态参数：响应时间（开启与熄灭的时间延迟）参数：响应时间（开启与熄灭的时间延迟）下降时间（下降时间（tF）开启时间（开启时间（tr）切断电源后，发光亮度从切断电源后，发光亮度从90%降到降到10%所经历的时间所经历的时间接通电源后，发光亮度从接通电源后，发光亮度从10%到达到达90%所经历的时间所经历的时间响应时间很短响应时间很短-动态场合（动态场合（10100MHz）寿命长寿命长-105h以上（电流密度以上（电流密度1A/cm2）电流密度大电流密度大-发光亮度高发光亮度高-寿命很快缩短寿命很快缩短正常使用正常使用-白炽灯泡的白炽灯泡的30倍；间歇使用倍；间歇使用-30年年 用途：指示灯、电平指示、安全闪光、交替闪光、电源极性用途：指示灯、电平指示、安全闪光、交替闪光、电源极性 指示、数码显示等指示、数码显示等高亮度高亮度LED-汽车仪表显示灯、汽车尾灯、交通信号灯等汽车仪表显示灯、汽车尾灯、交通信号灯等 （节约能源）（节约能源）（410ns）（4几十几十ns）