Schemat przejść optycznych (przypomnienie!!!)

Transkrypt

1 ' Podstawowe pojęcia Klasyfikacja elementów i układów optoelektronicznych. Generacja światła w półprzewodnikach dr hab. inż. Ryszard Korbutowicz Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocławska Schemat przejść optycznych (przypomnienie!!!) E h h 1 3 h h ' 1 3 a) b) a) przestrzeń pędu, b) przestrzeń rzeczywista k h Ec E v 1 absorpcja, dyfuzja i relaksacja, 3 rekombinacja i emisja Cztery generacje źródeł światła dla techniki oświetleniowej. Podział ze względu na mechanizm powstawania światła widzialnego 3 1

2 4 Kalendarium około 3000 r. p.n.e lampa olejna około 000 r. p.n.e znano w Egipcie knot tkany lub pleciony 179 r. Murdoch wynalazł lampę gazową 1838 r. Jobard, włókno węglowe żarzące się w próżni 1843 r. Deleuil, lampa łukowa (udoskonalona przez Jabłoczkowa) 1853 r. Łukasiewicz lampa naftowa 1854 r. Göbel, żarówki z włóknem ze zwęglonego bambusa do reklamy 1879 r. Edison, żarówka w pełni użyteczna 1904 r. Fleming, lampa elektronowa dioda 1910 r. Claude, lampa neonowa 191 r. Hewitt, lampa rtęciowa 196 r. General Electric prezentuje DEL Zasada działania DEL Rekombinacja promienista!!! 6 Parametry diod DEL Ważne parametry diod elektroluminescencyjnych: * zewnętrzna sprawność kwantowa h zew, * sprawność energetyczna, * wydajność kwantowa wewnętrzna w, * długość fali emitowanego promieniowania (kolor), * moc optyczna (dla optymalnego zasilania), * zasilanie: maksymalne napięcie [V] i prąd nominalny [ma], * światłość (natężenie światła) [cd], * czas życia [k 10 5 h]. * strumień świetlny [lm], * wydajność świetlna (sprawność) [lm/w]...

3 7 zew Parametry diod DEL Do parametrów o szczególnym znaczeniu należy zewnętrzna sprawność kwantowa h zew definiowana jako: z e n h P I F z liczba fotonów wyemitowana przez DEL n liczba elektronów przepływających przez obszar, w którym zachodzi rekombinacja P optyczna moc wyjściowa diody, I prąd płynący przez diodę. 8 Sprawność energetyczna P P wyj wej P opt U I gdzie: U napięcie przyłożone do diody I prąd płynący przez złącze 9 Wydajność kwantowa zew i l wew gdzie: i współczynnik efektywności wstrzykiwania l efektywność generacji światła wew wydajność kwantowa wewnętrzna o współczynnik ekstrakcji (wyprowadzenie światła na zewnątrz) o 3

4 Współczynnik efektywności generacji światła h l 10 l gen gen prom prom + gen nprom Gdy rekombinacja niepromienista dąży do zera, to współczynnik efektywności l dąży do 1 11 Wydajność kwantowa wewnętrzna h w w i l Wydajność kwantowa wewnętrzna h w zależy od poziomu domieszkowania i warunków otrzymywania struktury diody 1 Geometria i kąt krytyczny no Qc arc sin n np. dla GaAs: n = 3,6 i Q c 16 4

5 13 Współczynnik transmisji T dla wiązki padającej prostopadle do powierzchni granicznej T = 1 R i n 1 R n 1 czyli n 1 T 1 n 1 4n ( n 1) jeżeli n, to T 14 Podstawowe pojęcia i jednostki 15 Temperatura barwowa podawana w Kelwinach. Jest to temperatura ciała doskonale czarnego, wysyłającego światło o danej barwie. Strumień świetlny jest mocą promieniowania świetlnego wysyłanego przez źródło światła, ocenianą według wrażenia wzrokowego. Jednostką strumienia jest lumen [lm]. Odpowiada on mocy równej w przybliżeniu 1/670 W dla światła o barwie zielonożółtej (555 nm). 5

6 16 Przykładowe typowe wartości strumienia świetlnego dla różnych źródeł światła: Źródło światła Żarówka do latarki 3,5 V/0, A Żarówka rowerowa 6 V/,7 W Żarówka samochodowa R 45/40 W Żarówka samochodowa H4 60/55 W Żarówka samochodowa H1 55 W Samochodowa lampa ksenonowa D1 LED 0,1 W (sygnalizacyjna) LED 1-3 W (dioda biała) LED 1-3 W (dioda czerwona i bursztynowa) F [lm] 5,6 700/ / Przykładowe wartości strumienia świetlnego dla listwy LEDIS 5XR z białymi diodami mocy XLamp XR-E: Listwa LED XR-E Kolor Temp. barwowa [K] Strumień świetlny [lm] dla I=350 ma Strumień świetlny [lm] dla I=700 ma Moc maks. [W] LEDIS 5XR-E CW chłodny biały LEDIS 5XR-E NW naturalny biały LEDIS 5XR-E WW ciepły biały Światłość I jest to gęstość przestrzenna promieniowania świetlnego w danym kierunku, czyli stosunek strumienia świetlnego wypromieniowanego w danym kierunku do kąta przestrzennego, wyrażonego w steradianach, obejmującego ten kierunek. Jednostką światłości jest kandela [cd], czyli świeca. Światłość jest wielkością wektorową. Parametr ten jest stosowany do podawania charakterystyk promieniowania źródeł światła (opraw oświetleniowych), gdyż to promieniowanie zwykle nie jest jednorodne w różnych kierunkach. 6

7 19 Luminancja L stosunek światłości źródła światła w kierunku patrzenia do powierzchni rzutu ciała świecącego na płaszczyznę prostopadła do tego kierunku. Jednostką luminancji jest cd/m czyli nit. Luminancja czyli jaskrawość charakteryzuje subiektywne odczuwanie wrażeń świetlnych przez oko ludzkie. Zbyt duża luminancja jest nieprzyjemna dla wzroku, powoduje oślepianie i dlatego zmniejsza się ją, np. stosując żarówki ze szkła mlecznego, co powoduje zwiększenie powierzchni świecącej. 0 Natężenie oświetlenia E jest stosunkiem strumienia świetlnego padającego prostopadle na oświetlaną powierzchnię, do pola tej powierzchni. Jednostką natężenie oświetlenia jest luks [lx], czyli lm/m. Wydajność świetlna czyli sprawność to stosunek strumienia świetlnego źródła światła sztucznego do mocy elektrycznej wyrażony w lm/w. 1 Zużycie lumenów wskaźnik wydajności światła lampy używanej w porównaniu z nową. Wyrażony w procentach początkowego strumienia Pomiar dokonany po 75% określonej trwałości lampy (T c ). Przykład: zużycie lumenów równe 60% oznacza, że używana lampa daje 40% mniej światła niż nowa lampa Trwałość czas życia, który upływa do momentu braku emisji światła z przyczyn innych niż uszkodzenia mechaniczne. 7

8 - Barwy proste - Rodzaje światła Światło spójne (koherentne) światło, którego fale mają taką samą długość (jest monochromatyczne) oraz stałą w czasie różnicę faz, dzięki czemu mogą ze sobą interferować. Najpowszechniej stosowanym źródłem światła spójnego jest laser. Barwa prosta powstaje z rozczepienia barwy białej. Jest to wrażenie wzrokowe wywołane falą elektromagnetyczną o konkretnej długości z przedziału fal widzialnych czyli od 380 do 760 nm. 3 - Barwy proste - Rodzaje światła Barwa biała najjaśniejsza z barw. Zrównoważona mieszanina barw prostych, która jest odbierana przez człowieka jako najjaśniejsza w otoczeniu odmiana szarości. W skład widma światła białego może wchodzić od trzech do nieskończoności barw prostych, czyli długości fali świetlnej. Istnieje ścisły związek między temperaturą ciała (ciało doskonale czarne) a emitowanymi przez to ciało falami elektromagnetycznymi. Odcienie bieli określa się za pomocą parametru o nazwie temperatura barwowa światła i wyraża go w Kelwinach. 4 Temperatura barwowa K światło świecy i lampy naftowej K zwykła żarówka wolframowa K oświetlenie halogenowe K barwa neutralnie biała K barwa lekko-chłodnobiała K światło typowo dzienne K niebo z białymi chmurami...i ciekawostka: im wyższa temperatura K zachmurzone niebo tym chłodniejsza biel K mgła K bezchmurne niebo zimą w południe K oświetlający latem w południe błękitny nieboskłon w krajach południowych 8

9 5 Diagram chromatyczności x = X/(X + Y + Z) y = Y/(X + Y + Z) z = Z/(X + Y + Z) Oczywiście, że gdy: x + y + z = 1 oraz x, y, z > 0 to wystarczą dwie współrzędne do określenia barwy Rzut na płaszczyznę x,y barwa 6 Model HSV (bardziej intuicyjny) H = Hue (barwa, odcień) S = Saturation (nasycenie) V = Value (jasność) Hue Saturation Value Hue 7 Podział ze względu na temperaturę barwową - ciepłe do K - neutralne K - chłodne K - dzienne K - dzienne chłodne od K Źródła naturalne i sztuczne Źródła gorące i zimne 9

10 8 Źródła gorące to światło żarowe, czyli światło powstające podczas emisji fal elektromagnetycznych (z zakresu fal widzialnych) z ciała rozgrzanego do białości. Należą tutaj: słońce, żarówka, lampa halogenowa, łuk elektryczny Źródła zimne to wszelkiego rodzaju lampy wyładowcze i indukcyjne. Typowym przykładem jest świetlówka, czyli lampa fluorescencyjna. 9 Klasyfikacja według parametrów emitowanej fali elektromagnetycznej * źródła światła białego (słońce, żarówka, LED) * źródła monochromatyczne (LED, żarówka z filtrem) * źródła światła spójnego (LD, lasery) 30 Podział wg zakresu spektralnego * promieniowanie ultrafioletowe UV-C nm UV-B nm UV-A nm * promieniowanie widzialne VIS nm * promieniowanie podczerwone NIR nm MIR 5 50 µm FIR µm 10

11 31 Podział wg. mechanizmu Podziały generacji źródeł światła * jądrowe (słońce) * żarowe (żarówka) * fluorescencyjne ( jarzeniówka ) * jarzeniowe (neony) * łukowe (Hg, Xe, Na) * laserowe Inne klasyfikacje według * polaryzacji * mocy * zastosowania * materiału 3 Rodzaj materiału: * źródła półprzewodnikowe, * źródła wykonane z innych materiałów. 33 Kolejne kryterium podziału: * * * * * 11