本科毕业论文--led光源在物理实验中的应用研究(编辑修改稿)

本科毕业论文--led光源在物理实验中的应用研究(编辑修改稿)内容摘要：

水银蒸气与惰性气体 [5]。 在通电时，阴极发热产生并释放出自由电子，电子打在灯管内自由移动的汞原子上，能量发生了转移，汞原子 吸收电子的能量后，释放出紫外线并被 荧光粉充分 吸收 即可产生肉眼能够看见的 光。 图 荧光灯结构 4. 钠灯 钠灯是利用 固 体 钠在高温下形成蒸气并 产生放电，从而 形成 肉眼 可见 的 光的电光源。 钠灯按其种类可分为低压钠灯和高压钠灯，其结构如图 和图 所示。 低压钠灯是利用钠 在低压环境下放电 形成 可见光的电光源，其 正常 工作 时，灯内 气压最多只有几个帕。 在 玻壳内充满了氩氖惰性 气体。 刚开始通电后，灯管呈现出 Ne 的特征红光，随着灯内温度逐渐升高，钠开始蒸发并辐射出可见光。 低压钠灯的 发光光谱大部分 集中在可见光光谱范围内，故其发光效率很高。 高压钠灯大都由多晶氧化铝管，铁丝框架，电极 与 玻壳等 部分 组成， 灯管内充 满了钠，汞蒸气和 稀有 气体。 放电时，灯 管内部气压大于 兆帕。 在恒定电压条件下，电路中一般需要串联一个稳 压器以保证灯泡 正常工作所需 的额定 电压。 加电压后，电极之间形成电弧，使得管内温度迅速升高，电子从阴极逸出并向阳极运动，在此过程中不断撞击管内自由移动的钠原子和汞原子，并产生了能量转移，获得能量的钠原子和汞原子在恢复到稳定状态的过程中，会将一部分能量以可见光的形式释放 [6]。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 6 图 低压钠灯结构 图 高压钠灯结构 传统光源的应用与发展 人类社会自发现火并利用火 照明以来，走过了制造和使用油灯、煤气灯和蜡烛 的漫长 岁月 ，自 1879 年美国科学家 爱迪生发明第一盏电灯以来，人类在照明之路上一直不断前进。 照明光源是一种文化，是一段悠久的历史，它蕴含着人类文明不断前进的动力，凝聚着人类美好的理想和无穷的智慧。 图 传统光源在各种场所的应用 传统光源在照明领域一直有着举足轻重的地位，随着科技日新月异的发展，传统光源逐渐朝着节能、高效、环保的方向不断发展，即使在 LED 光源不断普及的今天，传湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 7 统光源任然占有一席之地。 传统光源的 应用十分广泛，主要应用于各种不同场所的照明，如图 所示。 LED 光源 LED 作为 绿色 节能的新时期照明光源，有着许多传统光源 未曾有过的 优点及用途。 本节主要 对 LED 光源的特性和工作原理 做了简要说明 ，并对其应用前景 进行了展望。 LED 的特性及其工作原理 LED 具 备 许多突出的 特点，和一般的 光源相比，它的发展潜力更大，用途更广。 一般来说其优点主要有 ： 1. 效率高： LED 是固体半导体发光器件 ， 依靠 电子获得能量跃迁发光， 其发光效率可 高达 97%，远高于传统光源。 ： LED 大都由一块被 密封 在 透明 树脂内部的微型晶片 构成 ， 尺寸 较小，使用方便。 容易开发成为各种精致的点、线、面型应用产品。 3. 能耗低： LED 的工作电压一般为 ，工作电流一般为 ，故其功率较小，能耗较低。 4. 寿命长： LED 使用 透明 树脂封装， 能 承受 较大的压强和冲击 ，不易破碎 ， 也 不存在灯丝 容 易 熔 断 等 缺陷 ，其平均寿命可达一般光源的十倍以上。 ：既有白光 LED，也有红、 蓝 、黄等多种色光的 LED，并且其光谱 大都较窄，单色性 相对较 好。 ： LED 的零件都是由无毒材料制成，不像汞灯等其他传统光源含有重金属，对环境影响几乎为零；同时 LED 能够 循环 再利用，处理的 花费 较低。 ： LED 光源为冷光源，其工作时辐射少，热量低，对人眼危害较小，可以安全触摸，并且其发光光型和角度都易于准确控制，光色比较柔和，不含危害健康的物质 [7]。 LED 的优点如此之多，因而研究 LED 的发光原理也是不可或缺的。 LED 是一种注入型电致发光器件，是由Ⅲ－Ⅳ族化合物在 Si 型衬底的外延生长而形成 ，其主要部分是 PN 结。 平衡状态 下 的 PN 结存在一定的势垒 区域 ， 形成图 所示的注入发光能带。 将正向电压加在 PN 结区后，势垒降低，大量的非平衡载流子（电子）从扩散区注入，这些电子将从高能级 EC跌落到低能级 EV，并 和 价带中的多数载流子（空穴）复合， 在这一 过程中，电子 从 高能级 跌落至 低能级要释放一部分能量，释放的方式为发辐射或发光，显然发光 集中 在 了 P 区。 如图 所示， LED 在正向电压的作用下，电子和空穴做相对运动，即电子沿导带从 N 区向 P 区运动，而空穴则沿价带向 N区移动。 由于 电子的迁移率 比空穴高近 20 倍左右 ， 电子 便 很快从 N 区 移动 到 P 区 [8]；而 P 区因受主能级很深，并且形成了 杂质能带，因而减少了有效带隙的宽度，电子易于湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 8 跌落到价带与空穴复合并发光。 图 LED 发光原理图 LED 的应用及其发展前景 自上个世纪 90年代以来， LED产业在全世界范围内飞速建立并持续发展。 除中国外，美国、 日本、韩国等国家 及 地区，都相继把 发光二极管 照明 列为 重点发展的高新技术，并先后 制定了 新型光源照明计划，想要在这一 热门 领域取得世界领先的水平。 在 LED 出现的初期 ，由于 其 光效不高且价格比较昂贵， LED 的普及一直受到 很大制约。 近几年随着 LED 生产技术的不断 革新 ， LED 的价格也有所 下跌 ，目前 LED 在国内许多地区已经投入使用， 因为 LED 光效较高 ，政府也一直提倡用 LED 路灯替代传统路灯， 民众 逐渐意识到 LED 光 源的优点。 根据 官方推测 ， 到 本 世纪 中叶 全球将迎来以LED 为 主导 的崭新的照明 革命。 LED 产品在各行各业都有一定的应用，大致可以分为以下三类： 图 LED 在照明领域的应用 1．照明应用： LED 光源在家用照明、汽车照明、路灯照明、应急照明等领域都有湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 9 广泛的应用，其中电子设备的背光源是其应用最大的领域。 图 为照明领域的具体应用。 2．显示应用： LED 光源亮度较高，可以应用于商场宣传、教育教学以及各种服务行业，如大屏幕显示、指示牌、广告牌等。 图 为 LED 用于显示的具体例子。 图 LED 的显示应用 3．信号指示灯应用：如交通指示灯、汽车转向灯，在物理教学中，各种实验仪器的报警灯也大多是由 LED 制成。 图 、 是 LED 在信号指示灯中的应用。 图 LED 交通信号灯 图 实验仪器信号灯 发光二极管 成为 目前 最 具 潜力的新型光源， 正 日益引起人们 的 广泛 关注。 LED 在早期的应用局限于 一般 的仪器 显示 灯 和 各种家 用 电 器 的电源 显示 灯，现在已经被 普遍 用于家 用 照明、汽车尾灯、交通信号和景观 装饰 等， 以及现在 不断 普及的 道路 照明和 LED背光光源等， 在 二三十年的时间 里 ，其快速的发展是 众所周知 的。 在资源面临枯竭，环境问题亟待解决的今天， LED凭 着 其亮度高、寿命长、环保 节能等显著优势，在各种照明光源中崭露头角。 用 LED取代传统光源已经指日可待， LED照明必 然 开启人类照明 领域一扇新的大门。 LED 光源与传统光源的比较 与 LED 相比， 传统 光源 的确 存在或多或少的缺点， LED 光源的 某些 特点是 一般 光源 不能取代 的。 首先将人类 社会 最 早用到 的电光源 —— 白炽灯与 LED光源做一下对比。 白炽灯自发湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 10 明以来，尽管经过了多次的改进，但其光效仍然不高，其次是其玻壳易碎，难以长期保存。 因为白炽灯是依靠热辐射发出可见光，所以散热问题一直是白炽灯待解决的一大难题，白炽灯的寿命在照明光源中并不算长，所以今后被其他更节能的光源取代也已成定局。 在节能环保的大潮中，越来越多的国家和地区已经开始禁止白炽灯的生产与使用 ，白炽灯逐渐从照明市场被淘汰。 其次是现在最常用的荧光灯， 从 二十 世纪 三十 年代通用电气公司对荧光 灯改进以来，荧光灯的发光效率、使用寿命等 多 项 性能 都有了较大 提升。 因为 荧光灯是发光效率较高的线状光源， 操作 控制比较简便， 光色 较白炽灯更加 柔和 ，单个荧光灯的光通量可以达到几千流明，因为其亮度非常高，所以目前的室内照明大多使用的是荧光灯，加之其价格 便宜 ，因此在目前的使用量不会减少，难以被 LED大规模 取代。 但荧光灯的汞污染问题一直受到 民众 很大关注，假如这一问题能够得到 妥善处理 ，荧光灯在未来的照明市场仍能占有一席之地。 最后是卤钨灯，近 几年 许多国家和地区 先后 制定了 禁止 白炽灯生产和使用的 法案 ，但卤钨灯却未进入限制的范畴。 从 实质 上 来说 ，卤钨灯也是白炽灯的一种，受灯丝 高温的 影响 ，它的辐射 绝大多数位于 近红外 波段 ，光效不可能 达到 很高， 灯 丝在高温下的蒸发，也限制了它的 使用 寿命， 当 前卤钨灯的光效和 使用 寿命仅略高于白炽灯 [9]。 卤钨灯安装 使用 简单 ， 制作工艺 也较为成熟，并且价格 便宜 ，加之 客户 的 需求 习惯，卤钨灯在当今还有一定的生存空间。 但从长远来看，为了适应节能环保型社会的需求，卤钨灯在未来还是有可能被 LED取代。 图 LED 与传统光源的发光效率对比 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 11 综上所述，可知 LED光源在众多光源中确实有着其突出的特点，如发光效率高，寿命长，节能环保等。 图 LED与几。