【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 熒光燈結構 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，其結構如圖 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)生了能量轉移，獲得能量的鈉原子和汞原子在恢復到穩(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]。 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 6 圖 低壓鈉燈結構 圖 高壓鈉燈結構 傳統(tǒng)光源的應用與發(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用 傳統(tǒng)光源在照明領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，傳湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 7 統(tǒng)光源任然占有一席之地。傳統(tǒng)光源的 應用十分廣泛，主要應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螅猛靖鼜V 。一般來說其優(yōu)點主要有 ： 1. 效率高： LED 是固體半導體發(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 [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。 平衡狀態(tài) 下 的 PN 結存在一定的勢壘 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 雜質能帶，因而減少了有效帶隙的寬度，電子易于湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 8 跌落到價帶與空穴復合并發(fā)光 。 圖 LED 發(fā)光原理圖 LED 的應用及其發(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，并先后 制定了 新型光源照明計劃，想要在這一 熱門 領域取得世界領先的水平 。 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 全球將迎來以LED 為 主導 的嶄新的照明 革命 。 LED 產(chǎn)品在各行各業(yè)都有一定的應用，大致可以分為以下三類： 圖 LED 在照明領域的應用 1．照明應用： LED 光源在家用照明、汽車照明、路燈照明、應急照明等領域都有湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 9 廣泛的應用，其中電子設備的背光源是其應用最大的領域。圖 為照明領域的具體應用。 2．顯示應用： LED 光源亮度較高，可以應用于商場宣傳、教育教學以及各種服務行業(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 的顯示應用 3．信號指示燈應用：如交通指示燈、汽車轉向燈，在物理教學中，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 關注 。 LED 在早期的應用局限于 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)湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（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 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 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（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