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正文內(nèi)容

本科畢業(yè)論文--led光源在物理實驗中的應(yīng)用研究(編輯修改稿)

2024-10-07 20:48 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 水銀蒸氣與惰性氣體 [5]。在通電時,陰極發(fā)熱產(chǎn)生并釋放出自由電子,電子打在燈管內(nèi)自由移動的汞原子上,能量發(fā)生了轉(zhuǎn)移,汞原子 吸收電子的能量后,釋放出紫外線并被 熒光粉充分 吸收 即可產(chǎn)生肉眼能夠看見的 光 。 圖 熒光燈結(jié)構(gòu) 4. 鈉燈 鈉燈是利用 固 體 鈉在高溫下形成蒸氣并 產(chǎn)生放電,從而 形成 肉眼 可見 的 光的電光源。 鈉燈按其種類可分為低壓鈉燈和高壓鈉燈,其結(jié)構(gòu)如圖 和圖 所示 。 低壓鈉燈是利用鈉 在低壓環(huán)境下放電 形成 可見光的電光源,其 正常 工作 時,燈內(nèi) 氣壓最多只有幾個帕。 在 玻殼內(nèi)充滿了氬氖惰性 氣體。剛開始通電后,燈管呈現(xiàn)出 Ne 的特征紅光,隨著燈內(nèi)溫度逐漸升高,鈉開始蒸發(fā)并輻射出可見光。低壓鈉燈的 發(fā)光光譜大部分 集中在可見光光譜范圍內(nèi),故其發(fā)光效率很高 。 高壓鈉燈大都由多晶氧化鋁管,鐵絲框架,電極 與 玻殼等 部分 組成, 燈管內(nèi)充 滿了鈉,汞蒸氣和 稀有 氣體。放電時,燈 管內(nèi)部氣壓大于 兆帕。在恒定電壓條件下,電路中一般需要串聯(lián)一個穩(wěn) 壓器以保證燈泡 正常工作所需 的額定 電壓 。加電壓后,電極之間形成電弧,使得管內(nèi)溫度迅速升高,電子從陰極逸出并向陽極運動,在此過程中不斷撞擊管內(nèi)自由移動的鈉原子和汞原子,并產(chǎn)生了能量轉(zhuǎn)移,獲得能量的鈉原子和汞原子在恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的過程中,會將一部分能量以可見光的形式釋放 [6]。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 6 圖 低壓鈉燈結(jié)構(gòu) 圖 高壓鈉燈結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)光源的應(yīng)用與發(fā)展 人類社會自發(fā)現(xiàn)火并利用火 照明以來,走過了制造和使用油燈、煤氣燈和蠟燭 的漫長 歲月 ,自 1879 年美國科學(xué)家 愛迪生發(fā)明第一盞電燈以來,人類在照明之路上一直不斷前進。照明光源是一種文化,是一段悠久的歷史,它蘊含著人類文明不斷前進的動力,凝聚著人類美好的理想和無窮的智慧 。 圖 傳統(tǒng)光源在各種場所的應(yīng)用 傳統(tǒng)光源在照明領(lǐng)域一直有著舉足輕重的地位,隨著科技日新月異的發(fā)展,傳統(tǒng)光源逐漸朝著節(jié)能、高效、環(huán)保的方向不斷發(fā)展,即使在 LED 光源不斷普及的今天,傳湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 7 統(tǒng)光源任然占有一席之地。傳統(tǒng)光源的 應(yīng)用十分廣泛,主要應(yīng)用于各種不同場所的照明,如圖 所示。 LED 光源 LED 作為 綠色 節(jié)能的新時期照明光源,有著許多傳統(tǒng)光源 未曾有過的 優(yōu)點及用途。本節(jié)主要 對 LED 光源的特性和工作原理 做了簡要說明 ,并對其應(yīng)用前景 進行了展望 。 LED 的特性及其工作原理 LED 具 備 許多突出的 特點,和一般的 光源相比,它的發(fā)展?jié)摿Ω?,用途更廣 。一般來說其優(yōu)點主要有 : 1. 效率高: LED 是固體半導(dǎo)體發(fā)光器件 , 依靠 電子獲得能量躍遷發(fā)光, 其發(fā)光效率可 高達 97%,遠高于傳統(tǒng)光源。 : LED 大都由一塊被 密封 在 透明 樹脂內(nèi)部的微型晶片 構(gòu)成 , 尺寸 較小,使用方便。 容易開發(fā)成為各種精致的點、線、面型應(yīng)用產(chǎn)品 。 3. 能耗低: LED 的工作電壓一般為 ,工作電流一般為 ,故其功率較小,能耗較低。 4. 壽命長: LED 使用 透明 樹脂封裝, 能 承受 較大的壓強和沖擊 ,不易破碎 , 也 不存在燈絲 容 易 熔 斷 等 缺陷 ,其平均壽命可達一般光源的十倍以上。 :既有白光 LED,也有紅、 藍 、黃等多種色光的 LED,并且其光譜 大都較窄,單色性 相對較 好。 : LED 的零件都是由無毒材料制成,不像汞燈等其他傳統(tǒng)光源含有重金屬,對環(huán)境影響幾乎為零;同時 LED 能夠 循環(huán) 再利用,處理的 花費 較低 。 : LED 光源為冷光源,其工作時輻射少,熱量低,對人眼危害較小,可以安全觸摸,并且其發(fā)光光型和角度都易于準確控制,光色比較柔和,不含危害健康的物質(zhì) [7]。 LED 的優(yōu)點如此之多,因而研究 LED 的發(fā)光原理也是不可或缺的。 LED 是一種注入型電致發(fā)光器件,是由Ⅲ-Ⅳ族化合物在 Si 型襯底的外延生長而形成 ,其主要部分是 PN 結(jié)。 平衡狀態(tài) 下 的 PN 結(jié)存在一定的勢壘 區(qū)域 , 形成圖 所示的注入發(fā)光能帶。將正向電壓加在 PN 結(jié)區(qū)后,勢壘降低,大量的非平衡載流子(電子)從擴散區(qū)注入,這些電子將從高能級 EC跌落到低能級 EV,并 和 價帶中的多數(shù)載流子(空穴)復(fù)合, 在這一 過程中,電子 從 高能級 跌落至 低能級要釋放一部分能量,釋放的方式為發(fā)輻射或發(fā)光,顯然發(fā)光 集中 在 了 P 區(qū)。 如圖 所示, LED 在正向電壓的作用下,電子和空穴做相對運動,即電子沿導(dǎo)帶從 N 區(qū)向 P 區(qū)運動,而空穴則沿價帶向 N區(qū)移動。 由于 電子的遷移率 比空穴高近 20 倍左右 , 電子 便 很快從 N 區(qū) 移動 到 P 區(qū) [8];而 P 區(qū)因受主能級很深,并且形成了 雜質(zhì)能帶,因而減少了有效帶隙的寬度,電子易于湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 8 跌落到價帶與空穴復(fù)合并發(fā)光 。 圖 LED 發(fā)光原理圖 LED 的應(yīng)用及其發(fā)展前景 自上個世紀 90年代以來, LED產(chǎn)業(yè)在全世界范圍內(nèi)飛速建立并持續(xù)發(fā)展。 除中國外,美國、 日本、韓國等國家 及 地區(qū),都相繼把 發(fā)光二極管 照明 列為 重點發(fā)展的高新技術(shù),并先后 制定了 新型光源照明計劃,想要在這一 熱門 領(lǐng)域取得世界領(lǐng)先的水平 。 在 LED 出現(xiàn)的初期 ,由于 其 光效不高且價格比較昂貴, LED 的普及一直受到 很大制約。近幾年隨著 LED 生產(chǎn)技術(shù)的不斷 革新 , LED 的價格也有所 下跌 ,目前 LED 在國內(nèi)許多地區(qū)已經(jīng)投入使用, 因為 LED 光效較高 ,政府也一直提倡用 LED 路燈替代傳統(tǒng)路燈, 民眾 逐漸意識到 LED 光 源的優(yōu)點。根據(jù) 官方推測 , 到 本 世紀 中葉 全球?qū)⒂瓉硪訪ED 為 主導(dǎo) 的嶄新的照明 革命 。 LED 產(chǎn)品在各行各業(yè)都有一定的應(yīng)用,大致可以分為以下三類: 圖 LED 在照明領(lǐng)域的應(yīng)用 1.照明應(yīng)用: LED 光源在家用照明、汽車照明、路燈照明、應(yīng)急照明等領(lǐng)域都有湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 9 廣泛的應(yīng)用,其中電子設(shè)備的背光源是其應(yīng)用最大的領(lǐng)域。圖 為照明領(lǐng)域的具體應(yīng)用。 2.顯示應(yīng)用: LED 光源亮度較高,可以應(yīng)用于商場宣傳、教育教學(xué)以及各種服務(wù)行業(yè),如大屏幕顯示、指示牌、廣告牌等。圖 為 LED 用于顯示的具體例子。 圖 LED 的顯示應(yīng)用 3.信號指示燈應(yīng)用:如交通指示燈、汽車轉(zhuǎn)向燈,在物理教學(xué)中,各種實驗儀器的報警燈也大多是由 LED 制成。圖 、 是 LED 在信號指示燈中的應(yīng)用。 圖 LED 交通信號燈 圖 實驗儀器信號燈 發(fā)光二極管 成為 目前 最 具 潛力的新型光源, 正 日益引起人們 的 廣泛 關(guān)注 。 LED 在早期的應(yīng)用局限于 一般 的儀器 顯示 燈 和 各種家 用 電 器 的電源 顯示 燈,現(xiàn)在已經(jīng)被 普遍 用于家 用 照明、汽車尾燈、交通信號和景觀 裝飾 等, 以及現(xiàn)在 不斷 普及的 道路 照明和 LED背光光源等, 在 二三十年的時間 里 ,其快速的發(fā)展是 眾所周知 的 。 在資源面臨枯竭,環(huán)境問題亟待解決的今天, LED憑 著 其亮度高、壽命長、環(huán)保 節(jié)能等顯著優(yōu)勢,在各種照明光源中嶄露頭角。用 LED取代傳統(tǒng)光源已經(jīng)指日可待, LED照明必 然 開啟人類照明 領(lǐng)域一扇新的大門 。 LED 光源與傳統(tǒng)光源的比較 與 LED 相比, 傳統(tǒng) 光源 的確 存在或多或少的缺點, LED 光源的 某些 特點是 一般 光源 不能取代 的。 首先將人類 社會 最 早用到 的電光源 —— 白熾燈與 LED光源做一下對比。白熾燈自發(fā)湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 10 明以來,盡管經(jīng)過了多次的改進,但其光效仍然不高,其次是其玻殼易碎,難以長期保存。因為白熾燈是依靠熱輻射發(fā)出可見光,所以散熱問題一直是白熾燈待解決的一大難題,白熾燈的壽命在照明光源中并不算長,所以今后被其他更節(jié)能的光源取代也已成定局。在節(jié)能環(huán)保的大潮中,越來越多的國家和地區(qū)已經(jīng)開始禁止白熾燈的生產(chǎn)與使用 ,白熾燈逐漸從照明市場被淘汰。 其次是現(xiàn)在最常用的熒光燈, 從 二十 世紀 三十 年代通用電氣公司對熒光 燈改進以來,熒光燈的發(fā)光效率、使用壽命等 多 項 性能 都有了較大 提升 。 因為 熒光燈是發(fā)光效率較高的線狀光源, 操作 控制比較簡便, 光色 較白熾燈更加 柔和 ,單個熒光燈的光通量可以達到幾千流明,因為其亮度非常高,所以目前的室內(nèi)照明大多使用的是熒光燈,加之其價格 便宜 ,因此在目前的使用量不會減少,難以被 LED大規(guī)模 取代 。但熒光燈的汞污染問題一直受到 民眾 很大關(guān)注,假如這一問題能夠得到 妥善處理 ,熒光燈在未來的照明市場仍能占有一席之地 。 最后是鹵鎢燈,近 幾年 許多國家和地區(qū) 先后 制定了 禁止 白熾燈生產(chǎn)和使用的 法案 ,但鹵鎢燈卻未進入限制的范疇 。從 實質(zhì) 上 來說 ,鹵鎢燈也是白熾燈的一種,受燈絲 高溫的 影響 ,它的輻射 絕大多數(shù)位于 近紅外 波段 ,光效不可能 達到 很高, 燈 絲在高溫下的蒸發(fā),也限制了它的 使用 壽命, 當 前鹵鎢燈的光效和 使用 壽命僅略高于白熾燈 [9]。鹵鎢燈安裝 使用 簡單 , 制作工藝 也較為成熟,并且價格 便宜 ,加之 客戶 的 需求 習(xí)慣,鹵鎢燈在當今還有一定的生存空間。但從長遠來看,為了適應(yīng)節(jié)能環(huán)保型社會的需求,鹵鎢燈在未來還是有可能被 LED取代 。 圖 LED 與傳統(tǒng)光源的發(fā)光效率對比 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 11 綜上所述,可知 LED光源在眾多光源中確實有著其突出的特點,如發(fā)光效率高,壽命長,節(jié)能環(huán)保等。圖 LED與幾
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