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。熒光燈內裝有兩個燈絲。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。燈管內壁涂有熒光粉。管內充有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253.7nm和185nm的紫外線(主峰值波長是253.7nm，約占全部輻射能的7080％；次峰值波長是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)光機制可見，熒

3、光粉對熒光燈的質量起關鍵作用。20世紀50年代以后的熒光燈大都采用鹵磷酸鈣，俗稱鹵粉。鹵粉價格便宜，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、藍三色光的熒光粉氧化釔（發(fā)紅光，峰值波長為611nm）、多鋁酸鎂（發(fā)綠光，峰值波長為541nm）和多鋁酸鎂鋇（發(fā)藍光，峰值波長為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?？梢哉f，稀土元素三基色熒光粉的開發(fā)與應用是熒光燈發(fā)展史上的一個重要里程碑。沒有三基色熒光粉，就不可能有新一代細管徑緊湊型高效節(jié)能熒光燈的今天。但稀土元素三基色熒光粉也有其缺點，其最大缺點就是價格昂貴電子束激發(fā)的發(fā)光。最常見的陰極射線發(fā)光是電視、雷達

5、、示波器、計算機的熒光屏的發(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，大部分都可進入材料內部。產(chǎn)生速度越來越低的“次級”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，因此一個入射電子在一微米左右的距離內可能產(chǎn)生上千個有激發(fā)能力的次級電子，激發(fā)密度很高。另一方面，由于次級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，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傳導出去而積累起來，熒光屏就會帶負電，并使后來到達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必須考慮如何導出入射的電子，以保持屏的電勢不變。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?shù)碾妷?，使逸出的次級電子?shù)目和進入屏內的電子數(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帶躍遷到雜質能級，或者從雜質能級躍遷到價帶，或者在雜質能級之間的躍遷，并發(fā)射出光子的現(xiàn)象。在間接帶隙半導體中，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。當半導體材料中同時存在施主和受主雜質時，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，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體技術發(fā)展的基礎上發(fā)現(xiàn)PN結發(fā)光。其基本結構跟半導體二極管相似，都是用半導體材料制成的PN結（見半導體物理學）。當PN結正向偏置時，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)載流子復合。這種載流子注入引起的復合發(fā)光稱為注入式EL(或簡稱注入發(fā)光)，而不發(fā)光的復合稱為無輻射復合或無輻射躍遷。復合發(fā)光與無輻射復合是互相競

10、爭的，要提高發(fā)光效率就要設法減少無輻射復合。晶體中原有的或制管工藝過程中引進的缺陷是無輻射復合的主要來源。因此只有在晶體生長技術和制管工藝比較成熟的70年代才制成實用的發(fā)光二極管(簡稱LED)。由于存在自補償效應，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構，用V族材料制造LED是不現(xiàn)實的。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寬，是制造從近紅外到可見光LED的實用材料，其中以GaP和GaAsP等最為典型。GaP材料的帶隙在300K時達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缺點。一是在GaP晶體中引進所謂的等電子雜質（如GaP中引進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)按一定組分關系形成混晶，表之為GaAsP，就可改變LED發(fā)光的顏色。市場上出售的發(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。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透射出來。這個現(xiàn)象的典型解釋為：從施主或陷阱中通過電場或熱激發(fā)到達導帶的電子或從電極通過隧道效應進入材料中的電子受到電場加速獲得足夠高的能量，碰撞電離或激發(fā)發(fā)光中心，最后導致復合發(fā)光。根據(jù)理論估計，要發(fā)生碰撞電離，場強約需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，因此平均場強僅10伏／厘米；然而由于存在晶