光电传感器第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 型 号 规 格 光通量 (Lm) 平均寿 命 (h) 主要尺寸 图 号 (V) (W) 最大直径 D 全长 L 光中心高 H 灯丝尺寸 dl或 A B 开档 d LYQ5-40 5 40 800 1 000 50 10.5 42 20+1 1 3 5 c LYQ6-15 6 15 270 200 8.5 42 14 15 1.1 1.2 4 a LYQ6-20 6 20 360 400 200 8.5 42 11 12 0.8 2.3 4 a LYQ6-25 6 25 500 600 50 10.5 45 30 1 3 4.5 c LYQ6-30 6 30 510 570 100 10.5 42 25 1 3 6.5 a LYQ12-50 12 50 1 2600 1 400 50 11.5 52 36 1.5 1.6 6.5 d LYQ12-75 12 75 2 025 2 250 50 11.5 52 36 2 3 6.5 d LYQ12- 100 12 100 2 700 3 000 50 11.5 52 36 1.9 3.7 6.5 d LYQ24- 150 24 150 4 050 4 5000 50 12.5 54 37 2.3 3.5 6.5 d LYQ24- 250 24 250 6 750 7 500 50 14 57 38 2.5 5.5 6.5 d LYQ55- 500 55 500 13 500 15 000 50 15 57 45 5 8 6.5 b 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 EG1 0.7eV p- GaAs与禁带宽 EG1 0.7eV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 nII vv 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 1 n 2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 ： )/e x p ()/e x p ( 0vvvvv kTqUIkTqUIII nn (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 0.86 0.9m。 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 x 0.4，发光峰值波长为 0.65 0.66 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） i eo in n n 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。 nr r in /1/1 /1 （ 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 n r，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 in ex n n ex (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 名称 峰值 波长 ( m） 外部量子效率 % 可见光发 光 效率 (lm/W) 禁带宽度 Eg (eV) 数变值 平均值 GaAs0.6P0.4 红光 Ga0.65Al0.35As 红光 GaP:EnO 红光 GaP:N 绿光 GaP:NN 黄光 GaP 纯绿光 GaAs0.35P0.65:N 红 光 GaAs0.15P0.85:N 黄 光 GaAs 红外 In0.32Ga0.68PTe,Zn 0.65 0.66 0.79 0.568 0.59 0.555 0.638 0.589 0.9 0.5 0.5 12 0.7 0.1 0.66 0.5 0.2 0.2 0.2 0.2 12.3 0.05 0.15 _ 0.02 0.2 0.05 0.1 0.38 0.27 2.4 4.2 0.45 0.4 0.95 0.90 1.9 1.9 1.77 2.19 2.1 2.05 1.96 2.1 1.35 （ 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 d ddfffdf r PrrIUUrII 2 4)()( m a x2 m a x （ 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。