发光材料与器件基础
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5.1 荧光灯
2021/3/25
荧光灯即低压汞灯，它是利用低气压的汞蒸气在放电过程中辐射紫外线，从而使 荧光粉发出可见光的原理发光，因此它属于低气压弧光放电光源。荧光灯内装有 两个灯丝。灯丝上涂有电子发射材料三元碳酸盐（碳酸钡、碳酸锶和碳酸钙）， 俗称电子粉。在交流电压作用下，灯丝交替地作为阴极和阳极。灯管内壁涂有荧 光粉。管内充有400Pa-500Pa压力的氩气和少量的汞。通电后，液态汞蒸发成 压力为0.8 Pa的汞蒸气。在电场作用下，汞原子不断从原始状态被激发成激发态， 继而自发跃迁到基态，并辐射出波长253.7nm和185nm的紫外线(主峰值波长是 253.7nm，约占全部辐射能的70-80％；次峰值波长是185nm，约占全部辐射 能的10％)，以释放多余的能量。荧光粉吸收紫外线的辐射能后发出可见光。荧 光粉不同，发出的光线也不同，这就是荧光灯可做成白色和各种彩色的缘由。由 于荧光灯所消耗的电能大部分用于产生紫外线，因此，荧光灯的发光效率远比白 炽灯和卤钨灯高，是目前最节能的电光源。 荧光灯管中是压力约为0.8Pa的汞蒸 汽，在电场作用下放电，在放电过程中，汞原子的价电子不断地从原始状态被激 发成激发态，同时又激发态自发的返回到基态，将价电子的为能转化为电磁辐射 能，并辐射初3.7nm的紫外线（另外还约有10%的85nm的短波紫外线）。屠夫 载波管内壁上的荧光粉吸收353.7nm的紫外线，把它转化为可见光。
• 适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm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
• 稳定性：10万小时，光衰为初始的50%
• 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为 纳秒级
• 对环境污染：无有害金属汞
• 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 流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色， 最后为绿色
额定工作电流根据灯管功率、灯管结构和电流密度而定。 额定启动电流是启动时预热灯丝的电流，它比额定工作电 流大。 在工作电流下，灯管上产生的电压降是荧光灯的管电压。
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5.1 荧光灯
荧光灯的接线图
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5.1 荧光灯
5.1.2 灯用荧光粉的发展
• Television screen
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5.3.1 P-N结发光原理
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5.3.1 P-N结发光原理
• 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。
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1.5
2.0
U (V)
2.5
11
5.2.3、亮度与电流关系
自发辐射情况下 由于存在非辐射复全以及隧道电流
在低电流密度下，m=1.3~1.5；在高电流 密度下，扩散电流起支配作用，m≈1。
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2.4、LED的驱动
（2.4）
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5.2 半导体发光显示器件（LED）
• What is LED?
• Light 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 turned on indicator).
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5.1 荧光灯
荧光灯的典型结构
图4.4 荧光灯管
1—灯头；2—灯脚；3—玻璃芯柱；4—灯丝（钨丝，电极）； 5—玻管（内壁涂覆荧光粉，管内充惰性气体）；6—汞（少量）
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5.1 荧光灯
（1） 荧光灯需要镇流器和启辉器才能正常工作。 （2） 荧光灯的电流分为额定工作电流和额定启动电流两项。
白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种
LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一
起做成。GaN芯片发蓝光（λ=465nm，谱宽
= 3 0 n m ） ， 高 温 烧 结 制 成 的 含 C e 3 + 的 YA G 荧 光 粉
受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。蓝
光 L E D 基 片 安 装 在 碗 形 反 射 腔 中 ， 覆 盖 以 混 有 YA G
1938年 G.E. Inman 制成了直接用于照明的荧光灯，使用了 三种不同发光色的第一代荧光粉(1938-1948年)： 蓝（CaWO4）,绿（Zn2SiO4:Mn2+），红（CdB2O5:Mn2+） 1944年英国的A.H. Mckeay发明了照明使用的卤素荧光粉： 其中化学通式： M5X(PO4)3: Sb 3+,Mn2+；其中M为碱土 金属 离子，X为卤素， Sb3+ , Mn2+ 为激活剂。
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5.2.7 单色光LED应用
• 汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年， 我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED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，减少汽车追尾事故的发生。
• 另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩广告显示屏得到了 广泛的应用。
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工作原理
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5.2.8、白光LED的开发
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5.2.8、白光LED的开发
• 对于一般照明，或显示器的背照光而言，人们更需要
• 价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就
可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～
500只二极管构成。 第14页/共24页
14
• 最早应用半导5体.2P.-6N单结发色光光原L理ED制的成的种L类ED及光其源发问世展于历2史0世纪60年代初。当时所用的
材料是GaAsP，发红光（λ=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之 几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。 • 70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λ=555nm），黄光（λ=590nm） 和橙光（λ=610nm），光效也提高到1流明/瓦。 • 到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。 • 90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功， 使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区 （λ=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm） 的光效可以达到50流明/瓦。
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5.2.7、单色光LED应用
• 最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的 LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用， 产生了很好的经济效益和社会效益。以12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 140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经 红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。 而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色 LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产 生同样的光效。
• 用P-N结电致发光原理制成的发光二极管是在60年代 末得到迅速发展的。LED是注入式电致发光显示器件 的典型。
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P-N结发光原理
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5.2.2 LED的伏安特性
I (mA)
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开启电压与材料有关，对 100 于 GaAs 是 1.0V ； 80 GaAs1-xPx 、 Ga1- 60 xAlxAs 大 致 是 1.5V ； 发 红 光 的 GP 是 1.8V ， 发 绿 40 光的GaP是2.0V。反向击 20 穿电压一般在-5V以上。
RL (U CC U F ) / I F
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5.2.5、LED光源的特点
• 电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不 同而异，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。
• 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%
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感谢您的欣赏！
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电信系光电工程专业
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1966年发明用的稀土荧光粉： 具有以下几个显著的优点。 1、窄带发射，发射能量可集中在特定的波长范围； 2、短紫外（185nm）辐射下稳定性好。 3、高温下能够维持较高的发射强度。
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5.2 冷阴极荧光
灯
冷阴极荧光灯（CCF）
是一种依靠冷阴极气体放电，激发荧光粉的光源。掺有少 量水银的衡薄蒸气在高电压下会产生电离，被电离的气体二 次电子发射，轰击水银蒸气，使水银蒸气被激发，发射出紫 外线，紫外线激发荧光粉发光。亮度大于150lm，其特点 是寿命达20000小时，功耗在1~4W，有U形、M形和直管 形。
的树脂薄层，约200-500nm。 LED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
黄光混合，可以得到得白光。现在，对于
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InGaN/YAG白色LE第D22，页/共通24过页 改变YAG荧光粉的化学
5.2.8、白光LED的开发
白色LED照明灯
地砖灯
礼品灯
手电筒
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荧光灯即低压汞灯，它是利用低气压的汞蒸气在放电过程中辐射紫外线，从而使 荧光粉发出可见光的原理发光，因此它属于低气压弧光放电光源。荧光灯内装有 两个灯丝。灯丝上涂有电子发射材料三元碳酸盐（碳酸钡、碳酸锶和碳酸钙）， 俗称电子粉。在交流电压作用下，灯丝交替地作为阴极和阳极。灯管内壁涂有荧 光粉。管内充有400Pa-500Pa压力的氩气和少量的汞。通电后，液态汞蒸发成 压力为0.8 Pa的汞蒸气。在电场作用下，汞原子不断从原始状态被激发成激发态， 继而自发跃迁到基态，并辐射出波长253.7nm和185nm的紫外线(主峰值波长是 253.7nm，约占全部辐射能的70-80％；次峰值波长是185nm，约占全部辐射 能的10％)，以释放多余的能量。荧光粉吸收紫外线的辐射能后发出可见光。荧 光粉不同，发出的光线也不同，这就是荧光灯可做成白色和各种彩色的缘由。由 于荧光灯所消耗的电能大部分用于产生紫外线，因此，荧光灯的发光效率远比白 炽灯和卤钨灯高，是目前最节能的电光源。 荧光灯管中是压力约为0.8Pa的汞蒸 汽，在电场作用下放电，在放电过程中，汞原子的价电子不断地从原始状态被激 发成激发态，同时又激发态自发的返回到基态，将价电子的为能转化为电磁辐射 能，并辐射初3.7nm的紫外线（另外还约有10%的85nm的短波紫外线）。屠夫 载波管内壁上的荧光粉吸收353.7nm的紫外线，把它转化为可见光。
• 适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm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
• 稳定性：10万小时，光衰为初始的50%
• 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为 纳秒级
• 对环境污染：无有害金属汞
• 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 流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色， 最后为绿色
额定工作电流根据灯管功率、灯管结构和电流密度而定。 额定启动电流是启动时预热灯丝的电流，它比额定工作电 流大。 在工作电流下，灯管上产生的电压降是荧光灯的管电压。
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荧光灯的接线图
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5.1.2 灯用荧光粉的发展
• Television screen
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5.3.1 P-N结发光原理
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5.3.1 P-N结发光原理
• 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。
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U (V)
2.5
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5.2.3、亮度与电流关系
自发辐射情况下 由于存在非辐射复全以及隧道电流
在低电流密度下，m=1.3~1.5；在高电流 密度下，扩散电流起支配作用，m≈1。
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2.4、LED的驱动
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5.2 半导体发光显示器件（LED）
• What is LED?
• Light 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 turned on indicator).
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5.1 荧光灯
荧光灯的典型结构
图4.4 荧光灯管
1—灯头；2—灯脚；3—玻璃芯柱；4—灯丝（钨丝，电极）； 5—玻管（内壁涂覆荧光粉，管内充惰性气体）；6—汞（少量）
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5.1 荧光灯
（1） 荧光灯需要镇流器和启辉器才能正常工作。 （2） 荧光灯的电流分为额定工作电流和额定启动电流两项。
白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种
LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一
起做成。GaN芯片发蓝光（λ=465nm，谱宽
= 3 0 n m ） ， 高 温 烧 结 制 成 的 含 C e 3 + 的 YA G 荧 光 粉
受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。蓝
光 L E D 基 片 安 装 在 碗 形 反 射 腔 中 ， 覆 盖 以 混 有 YA G
1938年 G.E. Inman 制成了直接用于照明的荧光灯，使用了 三种不同发光色的第一代荧光粉(1938-1948年)： 蓝（CaWO4）,绿（Zn2SiO4:Mn2+），红（CdB2O5:Mn2+） 1944年英国的A.H. Mckeay发明了照明使用的卤素荧光粉： 其中化学通式： M5X(PO4)3: Sb 3+,Mn2+；其中M为碱土 金属 离子，X为卤素， Sb3+ , Mn2+ 为激活剂。
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• 汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年， 我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED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，减少汽车追尾事故的发生。
• 另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩广告显示屏得到了 广泛的应用。
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5.2.8、白光LED的开发
• 对于一般照明，或显示器的背照光而言，人们更需要
• 价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就
可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～
500只二极管构成。 第14页/共24页
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• 最早应用半导5体.2P.-6N单结发色光光原L理ED制的成的种L类ED及光其源发问世展于历2史0世纪60年代初。当时所用的
材料是GaAsP，发红光（λ=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之 几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。 • 70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λ=555nm），黄光（λ=590nm） 和橙光（λ=610nm），光效也提高到1流明/瓦。 • 到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。 • 90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功， 使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区 （λ=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm） 的光效可以达到50流明/瓦。
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• 最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的 LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用， 产生了很好的经济效益和社会效益。以12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 140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经 红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。 而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色 LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产 生同样的光效。
• 用P-N结电致发光原理制成的发光二极管是在60年代 末得到迅速发展的。LED是注入式电致发光显示器件 的典型。
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开启电压与材料有关，对 100 于 GaAs 是 1.0V ； 80 GaAs1-xPx 、 Ga1- 60 xAlxAs 大 致 是 1.5V ； 发 红 光 的 GP 是 1.8V ， 发 绿 40 光的GaP是2.0V。反向击 20 穿电压一般在-5V以上。
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5.2.5、LED光源的特点
• 电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不 同而异，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。
• 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%
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1966年发明用的稀土荧光粉： 具有以下几个显著的优点。 1、窄带发射，发射能量可集中在特定的波长范围； 2、短紫外（185nm）辐射下稳定性好。 3、高温下能够维持较高的发射强度。
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5.2 冷阴极荧光
灯
冷阴极荧光灯（CCF）
是一种依靠冷阴极气体放电，激发荧光粉的光源。掺有少 量水银的衡薄蒸气在高电压下会产生电离，被电离的气体二 次电子发射，轰击水银蒸气，使水银蒸气被激发，发射出紫 外线，紫外线激发荧光粉发光。亮度大于150lm，其特点 是寿命达20000小时，功耗在1~4W，有U形、M形和直管 形。
的树脂薄层，约200-500nm。 LED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
黄光混合，可以得到得白光。现在，对于
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InGaN/YAG白色LE第D22，页/共通24过页 改变YAG荧光粉的化学
5.2.8、白光LED的开发
白色LED照明灯
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