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发光原理介绍

2013-05-25 08:55
林契于宸
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  OFweek半导体照明网讯为了更好的了解照明行业把握市场动态,现介绍几种发光原理知识:

  1、白炽灯

  太阳发光是因为表面温度接近6000K,所有固体、液体及气体如达到足够高的温度,都会产生可见光。白炽灯中的固体钨在大约3000K时的炽热就是我们常见的光源。白炽体的重要特性:辐射的色表随着辐射体的温度的升高从暗红、经过桔黄、发白,最后到炽蓝。色温也随着辐射体的温度升高而提高。

  白炽灯之所以使用钨做灯丝材料是因为钨在高温下的低蒸气速率以及可以被抽成细丝等其他性质。电流在金属导线中流过时会有一定的消耗,当输入功率与辐射功率及其他功率损失的总和精确平衡时,就达到了一个稳定态。影响一些光源寿命的因素,主要原因是由于钨灯丝的蒸发损失,主要是热点和填充气体。

  2、卤钨灯

  维恩位移定律表明:温度越高光效越高。如钨丝表面在3200K时的光效(每一瓦电力所发出的光量,其数值越高表示光源的效率愈高)为36lm.W-1,而在2800K时为22lm.W-1。如果在高压下使用一种低热导气体,如氪,使蒸发受到抑制,就可以使用较高的灯丝温度。要安全承受这种高压,就需要一种小而结实的灯泡。非常小量的卤素,如各种形式的碘、溴,可以用来与到达灯泡壳壁的钨起反应,确保泡壳的干净。通过这种手段制造出灯丝温度达到3450K的灯泡,同时也改进了光效。如果没有充入卤素,这种灯泡会在几小时内变黑。

  改善钨丝灯的方法是只允许可见辐射出射。如果红外辐射被反射回来并被灯丝吸收,则维护灯丝温度的功率就可以减小。商业化实现方法:发明制造低费用、低损耗、高质量的红外反射膜,我们也可称之为红外反射滤光器。

  3、气体放电

  放电通常比白炽灯更有效,这是由于其辐射来自高于固体灯丝能达到的温度区域。放电是比钨更有选择的发射体(可移向可见区或紫外区而远离红外辐射区),因此在红外辐射区有更少的能量浪费。

  放电形成等离子体,它是离子、电子形成的混合体,平均呈电中性。一般必须有与等离子体的电子连接,通常是电极,但无电极连接也是可能的。

  ⑴带电极的气体放电

  当一个足够大的电场加在气体上,气体被击穿而导电。最熟悉的例子是闪电。产生击穿是由于自然界中总有数量很小的、由宇宙射线或者自然放射所产生的以电子-离子对形式存在的电离。外加的电场使电子加速(离子相对是静止的),一部分可能获得足够能量从而电离气体原子。

  当施加足够大的电场时,电离的速率可能超过离子与电子复合的损失速率;那么放电电流就会迅速增长。电荷携带者的产生率比电流增长得更迅速。结果是放电电压将随着电流的上升而下降。电流限制通过镇流器来实现,以阻止电流上涨到使保险丝熔断或者一些别的破坏性结果的产生。

  为了维持放电电流,在阳极返回外部电路的电子必须被从阴极发射的电子代替。阴极是典型的钨丝结构(卷状或者穗状)。来自放电过程的离子轰击阴极使之加热。电子能够逃离阴极的可能几率指数地依赖于它的温度以及表面的障碍因素。放电通常工作在交流电网频率条件下。高频电子镇流器能提供一些好处,对于荧光灯来说,在20KHZ或者更高频处的工作实质上减少了电极损失,并且消除了某些用户需要的光输出调制。

  ⑵在更高频率下,制造完全省却电极的无极灯是可能的。现在有三种电感耦合放电。通常由几兆赫驱动的一个线圈构成变压器的初级,次级由环状的等离子体形成,因此脱离了荧光灯的长而细的几何形状,允许与熟悉的灯泡相似的高效灯的产生。没有了电极,理论上放电中就没有什么寿命限制,导致灯出现问题的原因可能是镇流器中电子元器件损坏或者荧光粉因为时间长而失效,所以其经济寿命可能短于真实寿命。

  4、低压放电

  用在照明中的低压放电中的金属主要是汞和钠;氖放电用于指示灯和警告灯。低压放电的大部分长度被一个很均匀的称为正柱区的等离子体占有。在荧光灯和低压钠灯中,这是产生高效辐射的区域。在荧光灯中包含的汞蒸气气压约为6*10-3Torr(0.8Pa),稀有气体如氩的典型气压为2Torr(266Pa)。

  荧光灯(低压钠灯)工作需要一个最佳汞气压(钠气压),而且荧光灯要细且长。为了使荧光灯工作稳定,灯的电压必须是100V,长度必须约为1M。在紧凑型灯中使用的窄管具有更高的电场,放电长度更短,管子必须折叠起来以获得必要的灯长度。在无极灯中,加在灯电压上的约束不再适用。这就是为什么无极灯可以制成类似于白炽灯的形状的原因。惰性气体(氖、氩、氪或是它们的混合气体)在放电过程中起着非常重要的作用。

  5、高压放电

  低气压放电中的气压升高,气体被加热,最后处在一个大气压范围内,气体温度仅比电子温度(主要在4000K~6000K的范围)低几K,要维持如此高的气体温度,则必然存在温度梯度,中心区域变热。沿着温度梯度方向流向管壁的热能损失限制此种电弧的辐射效率约为60%。

  蒸气的参数由于选择性辐射可以调整使辐射主要发生在可见光区域。高的气体温度有助于激发和电离,由于大部分的电流通过中心区域,电弧中心区域非常热,绝大多数的光在中心产生,这就是为什么高气压放电电弧绳化的原因。中心热区域的气体密度低于外部冷区域。如果该放电沿水平方向,则热的中心区域就会朝上弯曲,这就是为什么把此种放电称为电弧的原因。这也解释了为什么高气压放电并非全体都是高热的,弯曲引起的微小变化也能引起光色的显著变化,在极端的情况下,它可能引起管壁过热而损坏。

  4、化学种类及金属卤化物电弧

  能在高气压电弧的器壁温度下(如1000K)维持足够高的蒸气压,并且能产生明显的可见光辐射的元素的种类非常少,实际上用于照明光源的填充元素通常只有氙、钠和汞,但绝大多数金属元素产生的金属卤化物比它们自身还要活泼得多。许多元素,尤其是元素周期表中那些过渡金属和稀土金属元素,具有非常多的能级数目,并且能辐射出数千条光谱线。其中的一些元素如钪、镝等,在可见光区域能产生非常丰富的辐射。其他的一些元素,如铟、铊和钠,可以产生非常强的线光谱(分别对应蓝色、绿色和黄色)。

  以上这些事实构成了金属卤化物灯的理论基础。

  假如我们将几毫克的金属卤化物碘化铊(TlI)与汞和稀有气体一起放入放电管中,在放电被触发的过程中,汞迅速被蒸发,管壁变得足够热使部分碘化铊被蒸发出来。这些碘化铊通过扩散进入最高温度约为6000K的汞电弧,在高温下,碘化铊分解为原子:TlI=Tl+I。铊原子能辐射出很强的535nm的绿色光谱线。与铊相比碘的激发能要大得多,因此几乎没有碘的辐射。

  对于相当简单的仅充有铊、钠、汞和碘元素的金属卤化物灯,假定灯内已达到局部热平衡的工作状态,为简化分析,我们忽略了Hg、HgI、HgI2、I、I2和Na2等化学种类。在非常低的温度下,仅有少量的Na2I2的二聚物,随着温度上升,TlI和NaI的分子就会分解成原子,并可能产生辐射。进一步升高温度,这类原子还会被电离。由于NaI比TlI更易电离,所以在这类金属卤化物灯内,在电弧温度最高处的大多数电子来自钠原子,因此光谱由钠决定。

  钠比汞要容易电离。由于电子可以通过钠的电离得到补充,这意味着碘化钠蒸发时,电弧温度将下降,电弧温度的下降导致汞的线光谱发射的减少,因此其光谱将内钠和铊所决定。这也就是为什么在充有100Torr钠和1000Torr汞的高压钠放电中几乎没有汞原子辐射的原因。在稳定状态下,汞原子所起的作用主要是减少热传导损失,从而提高辐射效率。虽然金属卤化物电弧常被描述成带有附加万分的汞电弧,但这是完全错误的,因为那些金属卤化物完全控制了电弧的行为。

  以上的这些观点适用于任何一种金属卤化物放电形式。为了得到一个高效的显色指数优良的白色光源,金属卤化物灯的设计者们可以有许多方法,包括所添加的金属卤化物的种类和数目等等。这些设计上的自由也伴随着一些麻烦:比如金属卤化物会与灯电极及管壁发生缓慢的反应。这样,灯的寿命、光色的稳定性、光色的可变性、电弧中光色的分层、灯的维护、启动以及闪烁等等都将受到这些化学反应的影响。这也是为什么自从金属卤化物灯在1959年问世35年后,仍然没有完全取代其他高强度气体放电光源的原因。尽管这样,适当地应用金属卤化物灯还是带来了很多好处。今天,金属卤化物灯能够获得销售成功是30年来长足进步的结果。

  5、发光和荧光粉

  荧光粉用于将紫外辐射转化为可见辐射。在荧光灯中,为了产生光的需要,荧光粉也被用来增加红色辐射以求改善高压汞灯与金属卤化物灯的颜色。

  “发光”一词被用于描述能量被物质吸收,并以光子的形式被重新发射出来的一般过程。其中的一种形式称作“荧光”。入射的光子被吸收,然后以一个较长的波长再发射,这是在灯中普遍使用的一个过程。在吸收与发射期间有一个延迟,可能在10-9S和几分之一秒之间。伴有长时间延迟的过程通常是指磷光。

  “斯托克斯(Stocks)位移”指的是波长增长而能量损失,这是荧光灯工作的一个固有部分。波长的变换是通过将入射光子的一部分能量转化为晶格振动而完成的。

  在由放电产生的紫外波长处,荧光粉必须有很强的吸收带,它也必须在可见光谱范围内有一个发射带。高效要求在可见光区吸收率低,一般说来,QE在高温时下降,因此为特定灯选用的荧光粉,必须在管壁温度下能够有效地工作。

  固体荧光粉可以是离子的、半导体的、或者是有机的。只有第一种具有灯工作需要的特性。离子荧光粉包含坚固的晶格结构,在其中,催化剂原子被引入,但其浓度为1%。催化剂形成一个在确定的晶格座上的离子,并受到电力—晶场—它相对于自由离子改变它的能级。离子与晶格振动耦合,这是由于当周围晶格振动时,晶场波动,使催化剂承受不同的力,因此催化剂离子的能级取决于周围晶格中的离子的相对位置。

  荧光灯中的荧光粉暴露于离子与光子有害混合物的轰击下,使光输出在寿命期间退化。这就导致紫外与可见光的吸收,从而降低荧光粉的转换效率。退化的主要原因是:

  ⑴形成光或紫外吸收色心的紫外轰击,这是由晶格缺陷中的电子陷井而引起的;

  ⑵激发和电离的汞到达荧光粉表面,引起在暴露于放电的荧光粉表面吸收汞原子的光注入;

  ⑶在荧光粉与玻璃的交界处形成钠(来自玻璃)与汞的吸收混合物。用于紧凑型荧光灯中的稀土激活荧光粉具有特别抗伤害的晶格以及出色的维持率,正是这些荧光粉的发明使紧凑型荧光灯的设想变为商业现实。

  三基色荧光粉:红(610nm)粉、绿(545nm)粉、蓝(6450nm)粉。稀土金属材料荧光粉三种基色为红、绿、蓝。即稀土金属在紫外线照射呈三种基本色,再按比例混成各种顔色的可见光。

  6、场致发光

  这是将电直接转化为光的过程。

  最近几年,发光二极管(LEDs)忆作为公共场所的指示灯,而且具有不同的显示。它们正变得更有效、更亮;已经制造出效率大于20%的红色发光二极管,具有现实效率的蓝色与绿色的二极管也刚出现。人们正计划把它们应用于需要大量光和高亮度的地方,例如汽车刹车明明以及交通信号。在这些场合它们超过传统灯的主要优点是寿命长。

  高纯度的半导体材料具有非常高的电阻率。微量的故意添加物—施主物质或者受施物质—提供了能够携带电子的额外电子或空穴(由于电子的离开而形成的正电实体)。这样能级就形成能带。当一个能(导带)中的一个电子与另一个能带(价带)中的空穴复合时,具有由能带隙给定能量的光发射可以发生。因此,一个发光二极管是一个将电子与空穴注入半导体的器件。另外,也存在引起损失的过程,效率可能是低的,但是随着研究和发展,它正在改善之中。

  红色发光二极管是基于象磷砷化镓这样的半导体,它在可见光区发射相对窄的谱线,其波长由带隙决定。在红色与绿色之间不同的波长可以通过改变磷与砷的比例获得。蓝色发射需要象碳化硅这样的材料。

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