第三章 發(fā)光類型

1、陰極射線發(fā)光熒光燈即低壓汞燈，它是利用低氣壓的汞蒸氣在放電過程中輻射紫外線，從而使熒光粉發(fā)出可見光的原理發(fā)光，因此它屬于低氣壓弧光放電光源。熒光燈內(nèi)裝有兩個(gè)燈絲。燈絲上涂有電子發(fā)射材料三元碳酸鹽（碳酸鋇、碳酸鍶和碳酸鈣），俗稱電子粉。在交流電壓作用下，燈絲交替地作為陰極和陽極。燈管內(nèi)壁涂有熒光粉。管內(nèi)充有400Pa500Pa壓力的氬氣和少量的汞。通電后，液態(tài)汞蒸發(fā)成壓力為0.8Pa的汞蒸氣。在電場(chǎng)作用下，汞原子不斷從原始狀態(tài)被激發(fā)成激發(fā)

2、態(tài)，繼而自發(fā)躍遷到基態(tài)，并輻射出波長(zhǎng)253.7nm和185nm的紫外線(主峰值波長(zhǎng)是253.7nm，約占全部輻射能的7080％；次峰值波長(zhǎng)是185nm，約占全部輻射能的10％)，以釋放多余的能量。熒光粉吸收紫外線的輻射能后發(fā)出可見光。熒光粉不同，發(fā)出的光線也不同，這就是熒光燈可做成白色和各種彩色的緣由。由于熒光燈所消耗的電能大部分用于產(chǎn)生紫外線，因此，熒光燈的發(fā)光效率遠(yuǎn)比白熾燈和鹵鎢燈高，是目前最節(jié)能的電光源。從熒光燈的發(fā)光機(jī)制可見，熒

3、光粉對(duì)熒光燈的質(zhì)量起關(guān)鍵作用。20世紀(jì)50年代以后的熒光燈大都采用鹵磷酸鈣，俗稱鹵粉。鹵粉價(jià)格便宜，但發(fā)光效率不夠高，熱穩(wěn)定性差，光衰較大，光通維持率低，因此，它不適用于細(xì)管徑緊湊型熒光燈中。1974年，荷蘭飛利蒲首先研制成功了將能夠發(fā)出人眼敏感的紅、綠、藍(lán)三色光的熒光粉氧化釔（發(fā)紅光，峰值波長(zhǎng)為611nm）、多鋁酸鎂（發(fā)綠光，峰值波長(zhǎng)為541nm）和多鋁酸鎂鋇（發(fā)藍(lán)光，峰值波長(zhǎng)為450nm）按一定比例混合成三基色熒光粉（完整名稱是稀土

4、元素三基色熒光粉），它的發(fā)光效率高（平均光效在80lmW以上，約為白熾燈的5倍），色溫為2500K6500K，顯色指數(shù)在85左右，用它作熒光燈的原料可大大節(jié)省能源，這就是高效節(jié)能熒光燈的來由。可以說，稀土元素三基色熒光粉的開發(fā)與應(yīng)用是熒光燈發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。沒有三基色熒光粉，就不可能有新一代細(xì)管徑緊湊型高效節(jié)能熒光燈的今天。但稀土元素三基色熒光粉也有其缺點(diǎn)，其最大缺點(diǎn)就是價(jià)格昂貴電子束激發(fā)的發(fā)光。最常見的陰極射線發(fā)光是電視、雷達(dá)

5、、示波器、計(jì)算機(jī)的熒光屏的發(fā)光。這是目前最重要的顯示手段這種發(fā)光的激發(fā)過程是:能量大約在幾千電子伏以上的高速電子打到熒光粉表面時(shí)，大部分都可進(jìn)入材料內(nèi)部。產(chǎn)生速度越來越低的“次級(jí)”電子，直到發(fā)光體中出現(xiàn)大量的能量在幾電子伏到十幾電子伏的低速電子。主要是這些低能量的電子激發(fā)發(fā)光材料。入射電子的能量一般大于幾千電子伏，因此一個(gè)入射電子在一微米左右的距離內(nèi)可能產(chǎn)生上千個(gè)有激發(fā)能力的次級(jí)電子，激發(fā)密度很高。另一方面，由于次級(jí)電子的能量分布在幾電

6、子伏到十幾電子伏的很寬范圍內(nèi)，因而能將發(fā)光體激發(fā)到多種激發(fā)態(tài)。所以，許多物質(zhì)在陰極射線激發(fā)下容易發(fā)光。射入熒光屏的電子如不及時(shí)傳導(dǎo)出去而積累起來，熒光屏就會(huì)帶負(fù)電，并使后來到達(dá)的電子受到排斥作用，因而使發(fā)光減弱下來。熒光粉多數(shù)是絕緣體，又涂在玻璃上，因此在制作陰極射線管時(shí)必須考慮如何導(dǎo)出入射的電子，以保持屏的電勢(shì)不變。通常的辦法是在粉屏上薄薄地蓋一層鋁，將鋁層接正極。也可以選擇適當(dāng)?shù)碾妷?，使逸出的次?jí)電子數(shù)目和進(jìn)入屏內(nèi)的電子數(shù)目相等，避

7、免電荷積累。為了得到較高的亮度，加速電子的電壓通常在幾千伏以上彩色電視甚至高達(dá)二、三萬伏。這樣發(fā)光屏的亮度就可亮到白天也可以看電視。投影電視是將熒光屏上的影像投射到約1平方米的大屏幕上這就要求原來的熒光屏有更高的亮度。軍用飛機(jī)座艙里所用陰極射線管顯示，亮度也要求很高。投影電視和座艙顯示的熒光屏亮度一般為日光燈表面亮度的幾倍，甚至10倍以上。但并不是所有的陰極射線發(fā)光都使用高電壓。所謂熒光數(shù)碼管(也叫真空熒光管)就是只用20～30伏電壓的

8、陰極射線發(fā)光顯示。這里用的發(fā)光材料是非本征躍遷是指電子從導(dǎo)帶躍遷到雜質(zhì)能級(jí)，或者從雜質(zhì)能級(jí)躍遷到價(jià)帶，或者在雜質(zhì)能級(jí)之間的躍遷，并發(fā)射出光子的現(xiàn)象。在間接帶隙半導(dǎo)體中，非本征躍遷起主要作用。其中，施主與受主之間的躍遷效率較高，是多數(shù)發(fā)光二極管的主要躍遷方式。當(dāng)半導(dǎo)體材料中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)時(shí)，兩者之間的庫侖引力作用使激發(fā)態(tài)能量增大，其增量齟與施主和受主雜質(zhì)之間的距離成反比。1923年蘇聯(lián)O.羅雪夫曾觀察到作為檢波器用的SiC晶體通電

9、時(shí)，從電極與晶體接觸處發(fā)出光來。這一現(xiàn)象的研究停滯不前，到60年代才在固體理論和半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)PN結(jié)發(fā)光。其基本結(jié)構(gòu)跟半導(dǎo)體二極管相似，都是用半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)（見半導(dǎo)體物理學(xué)）。當(dāng)PN結(jié)正向偏置時(shí)，電子（空穴）注入到P(N)型材料區(qū)這樣注入的少數(shù)載流子通過直接或間接的途徑與多數(shù)載流子復(fù)合。這種載流子注入引起的復(fù)合發(fā)光稱為注入式EL(或簡(jiǎn)稱注入發(fā)光)，而不發(fā)光的復(fù)合稱為無輻射復(fù)合或無輻射躍遷。復(fù)合發(fā)光與無輻射復(fù)合是互相競(jìng)

10、爭(zhēng)的，要提高發(fā)光效率就要設(shè)法減少無輻射復(fù)合。晶體中原有的或制管工藝過程中引進(jìn)的缺陷是無輻射復(fù)合的主要來源。因此只有在晶體生長(zhǎng)技術(shù)和制管工藝比較成熟的70年代才制成實(shí)用的發(fā)光二極管(簡(jiǎn)稱LED)。由于存在自補(bǔ)償效應(yīng)，用一般方法不能獲得雙極性材料(除CdTe外，ZnTe只能制成P型的，其余的ZnS、ZnO、ZnSe、CdO等則只能制成N型的）；因此除非采用下文提到的特殊方法或特殊結(jié)構(gòu)，用V族材料制造LED是不現(xiàn)實(shí)的。V族化合物則除了GaN外

11、均可獲得雙極性材料其帶隙又大多足夠?qū)挘侵圃鞆慕t外到可見光LED的實(shí)用材料，其中以GaP和GaAsP等最為典型。GaP材料的帶隙在300K時(shí)達(dá)2.26eV然而它是間接帶隙材料根據(jù)固體理論，這種材料要有聲子的參與才能發(fā)生帶間躍遷固此躍遷幾率較小直接用它制造LED發(fā)光效率也就較低.目前采用兩種辦法解決這個(gè)缺點(diǎn)。一是在GaP晶體中引進(jìn)所謂的等電子雜質(zhì)（如GaP中引進(jìn)N發(fā)綠光）形成等電子陷阱另一是把間接帶隙材料(GaP)與直接帶隙材料(GaA

12、s)按一定組分關(guān)系形成混晶，表之為GaAsP，就可改變LED發(fā)光的顏色。市場(chǎng)上出售的發(fā)紅光的GaP:ZnO發(fā)光二極管以及發(fā)紅光的GaAlAs發(fā)光二極管（GaAs與AlAs的混晶）也是基于上述原理而提高發(fā)光效率的。1936年法國科學(xué)家G.德斯特里奧發(fā)現(xiàn)另一種被稱為本征型EL現(xiàn)象，又稱為德斯特里奧效應(yīng)。所用的發(fā)光材料（例如ZnS粉末）其電阻率很高（類似本征半導(dǎo)體材料），把它懸置于樹脂等絕緣材料中并夾于兩塊平板電極間（其中一塊常為透明電極例如

13、鍍SnO的玻璃）這樣的系統(tǒng)稱為EL板或EL盒，見圖。把EL盒與交流電源連接就可觀察到光從透明電極一側(cè)透射出來。這個(gè)現(xiàn)象的典型解釋為：從施主或陷阱中通過電場(chǎng)或熱激發(fā)到達(dá)導(dǎo)帶的電子或從電極通過隧道效應(yīng)進(jìn)入材料中的電子受到電場(chǎng)加速獲得足夠高的能量，碰撞電離或激發(fā)發(fā)光中心，最后導(dǎo)致復(fù)合發(fā)光。根據(jù)理論估計(jì)，要發(fā)生碰撞電離，場(chǎng)強(qiáng)約需10伏厘米以上但一般EL盒發(fā)光層厚度約0.1毫米，施加的電壓約100伏左右，因此平均場(chǎng)強(qiáng)僅10伏／厘米；然而由于存在晶