Nemkoherens fényforrások 1. Termikus és lumineszcens sugárzók

Nemkoherens fényforrások 1. Termikus és lumineszcens sugárzók

BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY

BEVEZETÉS Fényforrások a fotonikában: információ bevitelére, továbbítására és rögzítésére szolgáló fotonok létrehozása (emissziója), információ megjelenítése. Fényforrások az emberiség szolgálatában: világítás (a nappal világos időszak mesterséges meghosszabbítása). Fényforrások csoportosítása a fényemisszió fizikája alapján: nem-koherens források, koherens források. Témák: Fizikai alapok, fényforrások radiometriai és fotometriai jellemzése Termikus gerjesztésű fényforrások Gázkisüléses fényforrások Lumineszcens fényforrások Fotonikai eszközök - Nemkoherens fényforrások I.

2/48

BEVEZETÉS (FOLYTATÁS) Irodalom: Mojzes-Kökényessi: Fotonikai anyagok és eszközök Csuti –Schanda: Világítástechnika 95 (7-8) 221 (2002) Borsányi János: kvk.bmf.hu/konf2008/doc/eloadasok/03.ppt Lajtha-Szép: Fénytávközlő rendszerek és elemeik (5. Fénydetektorok fizikája és technológiája, valamint 6. Fényadók fizikája és technológiája fejezetek)

Fotonikai eszközök - Nemkoherens fényforrások I.

3/48

RADIOMETRIA ÉS FOTOMETRIA Radiometriai egységek: a sugárzás által vitt energiára vonatkoznak, ezek az SI mértékrendszer részei. Fotometriai egységek: Ezek az emberi szem által érzékelt spektrális tartományra és az ember “fényérzetére” vonatkoznak. CIE (Commission International d’Eclairage): Emberi szem standardizált érzékenységi görbéje szerint a relatív érzékenység maximuma λ = 0,550 µm-nél van, (sárgás-zöld), itt 1 watt sugárzási teljesítmény 680 lumennel egyenértékű (1 lm megfelel 1,47 mW-nak). A relatív érzékenység 0,380 µm-nél (ibolya) és 0,780 µm-nél (vörös) válik nullává.


4/48

AZ EMBERI SZEM ÉRZÉKENYSÉGI GÖRBÉJE ÉS A FÉLVEZETŐK


5/48

FÉNY ÉS FÉLVEZETŐ E = hν ν = hc/λ E [eV] = 1,24/λ [µm] = 1240/λ [nm] E → a kölcsönhatás karakterisztikus energiája, pl. tiltott sáv, szennyezési centrum ionizációs energiája, stb. Példa: látható zöld fény λ = 500 nm, E = 2,48 eV szilícium tiltott sáv E = 1,12 eV, fotoválasz küszöbhullámhossza λ = 1107 nm Fotonikai eszközök - Nemkoherens fényforrások I.

6/48

RADIOMETRIA ÉS FOTOMETRIA Mennyiség

Radiometria

Fotometria

Fényáram

W

lumen

Fényerősség

W/szteradián

kandela

Megvilágítás

W/m2

lux = lumen/m2

Fényerősség → egységnyi térszögbe kibocsátott fényáram Egy kandela erősségű fényforrás 4π lument bocsát ki. A kandela (cd) mai definíciója (1979): Annak a fényforrásnak az erőssége, mely adott irányba 540x1012 Hz frekvenciájú monokromatikus fényt bocsát ki és sugárerőssége 1/683 W/szteradián. Az adott frekvencia 556 nm hullámhossznak (zöld fény) felel meg. Az így definiált kandela az SI rendszerben alapegység. Fotonikai eszközök - Nemkoherens fényforrások I.

7/48

FÉNYFORRÁSOK CSOPORTOSÍTÁSA Fényforrások Hőmérsékleti sugárzók (izzólámpák) hagyományos halogén

1930-as évek

1880-as évek 1950-es évek

Kisüléses fényforrások

kisnyomású

fénycső

indukciós lámpa

Félvezető-alapú 1990-es fényforrások évek LED-ek nagynyomású kisnyomású nátriumlámpa

hagyományos

higanylámpa fémhalogén lámpa

kompakt nagynyomású nátriumlámpa

Színek a működési elv alapján Fotonikai eszközök - Nemkoherens fényforrások I.

xenon lámpa 8/48

FÉNYFORRÁSOK: TÖRTÉNELMI ÁTTEKINTÉS Ősidők óta használnak különböző fényforrásokat és világítótesteket, de csak a XX század elején jelentek meg az első tűrhető hatásfokú fényforrások. Jó fényhasznosítás, elfogadható élettartam: izzószálas fényforrások. Az izzólámpát 1879-ben találta fel Thomas A. Edison. Azt fejlesztették tovább a Tungsram mérnökei és kutatói, Hamala Sándor, Juszt Ferenc és Bródy Imre, akik a szénszálat volfrámszálra cserélték, az izzó buráját pedig kriptongázzal töltötték fel. Az új izzólámpával akkoriban kb. 75%-os árammegtakarítást értek el és az izzó fényereje is nagyságrendekkel nagyobb lett. Millner Tivadar nevéhez fűződik a magas hőmérsékleteken is megfelelő mechanikai tulajdonságokkal bíró, alaktartó volfrámszál technológiájának tudományos megalapozása és megvalósítása. Fotonikai eszközök - Nemkoherens fényforrások I.

9/48

FÉNYFORRÁSOK: TÖRTÉNELMI ÁTTEKINTÉS Az izzószálas megoldásnál is hatékonyabbak a kis- és nagynyomású gázkisülőlámpák: fém-halogén és nagynyomású nátrium-lámpák (100150 lm/W) . A fénycsövek számos területen a világítás fő eszközeivé váltak. Korszerű fénycső fényhasznosítása 90 lm/W. Izzólámpák új családja: halogén-izzólámpa (15-20 lm/W).


10/48

FÉNYFORRÁSOK: TÖRTÉNELMI ÁTTEKINTÉS

A fényforrások fényhasznosításának fejlődése. Fényforrás fényárama Elfogyasztott elektromos teljesítmény Fotonikai eszközök - Nemkoherens fényforrások I.

11/48

FÉNYFORRÁSOK: TÖRTÉNELMI ÁTTEKINTÉS Szilárdtest fényforrások: Komoly áttörést végül a viágítódiódák (LED) jelentették. 70-es évek közepe: 1 lm/W 80-as évek vége: 10 lm/W, ekkor vált versenyképessé a hagyományos fényforrásokkal. A LED-ek közel monokromatikus (kvázi-monokromatikus) sugárzást hoznak létre így pl. jelzőfényként sokkal jobban hasznosítják az elektromos energiát, mint a hagyományos fényforrások különböző fényszűrő optikákkal.


12/48

INFRAVÖRÖS LED-EK SPEKTRUMA

Surface emitting InP/InGaAsP LEDs produced by LPE. 9-diode LED set covering emission in 1.1 to 1.8 µm range. Fotonikai eszközök - Nemkoherens fényforrások I.

13/48

NAGYTELJESÍTMÉNYŰ LED (5 W)

Lumileds Lighting: Light from Silicon Valley


14/48

TERMIKUS GERJESZTÉSŰ FÉNYFORRÁSOK Az izzó testek kb. 550 oC felett világítanak. Jelenleg az emberiség túlnyomórészt termikus gerjesztésű fényforrásokat használ általános világításra. Pl. az EU-ban használt fényforrások 85 %-a a hagyományos izzólámpa (kb. 2007–évi adat). A világításra elhasznált villamosenergia a megtermelt villamosenergia számottevő része. ”Hagyományos” izzólámpák Halogén töltésű izzólámpák


15/48

HŐMÉRSÉKLETI SUGÁRZÁS Az anyagi testek hőmérsékletüktől függően elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. A kibocsátott EM (fény) energia a hőmérséklettel emelésével rohamosan (az abszolút hőmérséklet negyedik hatványával) nő. A sugárzás spektruma a teljes (0, ∝) tartományra kiterjed, és a spektrális maximum helye hullámhosszban az abszolút hőmérséklettel fordítva arányos. Alapvető fizikai törvények: Planck féle sugárzási törvény Wien féle eltolódási törvény Stefan-Boltzmann törvény (Rayleigh-Jeans törvény) Fotonikai eszközök - Nemkoherens fényforrások I.

16/48

TERMIKUS SUGÁRZÁS SPEKTRUMA

(Raleigh-Jeans)


17/48

TERMIKUS SUGÁRZÁS SPEKTRUMA


18/48

TERMIKUS SUGÁRZÁS SPEKTRUMA Mivel a hőmérséklet csökkentésével a kisugárzott energia rohamosan csökken, ezért pl. egy szobahőmérsékletű (300 K) 1 m2 felületű tárgy néhány ezer évente emittál egy látható tartománybeli fonont. A testek bizonyos T hőmérsékleten elkezdenek láthatóan „világítani” mint pl. egy kályha vagy kemence. Draper pont vagy hőmérséklet az, ahol a testek elkezdenek halvány vörösen világítani (kb. 798 K). 1000 K hőmérsékletű test vörösnek, 6000K-n pedig fehérnek látszik. Még magasabb hőmérsékleteken pedig kéknek.


19/48

PLANCK FÉLE SUGÁRZÁSI TÖRVÉNY

2hν3 1 I(ν,T)dν = ()  dν c2 exp(hν/kT)-1 I(ν,T)dν → egységnyi felületről időegység alatt egységnyi térszögbe a ν és a ν + dν frekvenciatartományban a T hőmérsékletű sugártó (pontosabban fekete test sugárzó) által kisugárzott energia


20/48

WIEN FÉLE ELTOLÓDÁSI TÖRVÉNY hc λm =  4,965kT

A hőmérséklet növekedésével a maximumhoz tartozó hullámhossz csökken.


21/48

WIEN FÉLE ELTOLÓDÁSI TÖRVÉNY


22/48

STEFAN-BOLTZMANN TÖRVÉNY A termikus sugárzó által kisugárzott energia (egységnyi felületről, egységnyi idő alatt) arányos az abszolút hőmérséklet negyedik hatványával) I = σ T4 Itt σ a Stefan-Boltzmann állandó.


23/48

SZÍNHŐMÉRSÉKLET Hőmérséklet (K)

Fényforrás

1700

Gyufaláng

1850

Gyertyaláng

2700-3000

Izzólámpa

3350

Stúdió ”CP” fény

3400

Sudiólámpák

4100

Holdfény, xenon lámpa

5000

Horizont nappali fényben

5500-6000

Nappali fény, elektronikus villanó

6500

Nappali fény, borús

9300

Katódsugaras monitor

A színhőmérséklet az emberi színérzéken alapul. Fotonikai eszközök - Nemkoherens fényforrások I.

24/48

IZZÓLÁMPA FELÉPÍTÉSE Az izzólámpák leggyakrabban egy körtealakú és egy menetes fejből állnak. A burában középen egy spiralizált volfrám szál van vékony volfrám vagy molibdén tartókra felfüggesztve. 1 – üvegbúra 2 – vákuum vagy iners gáz (Ar, N2) 3 – volfrámszál 4 – árambevezető 5 – árambevezető 6 – állvámy 7 – üveg állvány 8 – elektromos kontaktus 9 – menetes fej 10 – szigetelés 11 – elektromos kontaktus Fotonikai eszközök - Nemkoherens fényforrások I.

25/48

IZZÓLÁMPA MŰKÖDÉSE Az izzószál magas hőmérséklete (2500-3100 °C) következtében elektromágneses energiát sugároz, főként infravörös és kisebb részben látható fény tartományban. A volfrám jól közelíti az ideális feketetest tulajdonságait, ezért sugárzása nagyon közel esik a Plancktörvényből számolhatóval. Ebből adódóan a szál hőmérséklete egyértelműen megadja mind a kapott fény spektrumát, mind az elérhető maximális fényhasznosítást. A magas hőmérséklet egyúttal alacsony élettartamot is jelent, a megnövekedett párolgás miatt. Az elpárolgott volfrám a búrafalon lecsapódik, és rontja annak fényáteresztő képességét. A búra anyagát tekintve leggyakrabban lágyüveg, halogénizzók esetén keményüveg vagy kvarc. A búrát leszivattyúzzák, miáltal a szál és búra között javul a hőszigetelés.


26/48

KRIPTON LÁMPA Gáztöltésű lámpa: a gázatmoszféra alapvető célja, hogy meggátolja a W transzportját (volfrám párolgás), illetve az elpárolgott volfrámot visszajuttassa a szál testébe. Kriptonlámpa: Bródy Imre Hatásfoka jobb mint az argon-nitrogén töltésű lámpáé és hosszabb az élettartama. Fizikai (gázkinetika) háttér: Ne-N2-Ar-Kr sorrendben nő a mólsúly, és ezzel csökken a hővezetési együttható. 90 % Kr + 10 % N2: fehérebb fény, jobb fényhasznosítás


27/48

HALOGÉNLÁMPA A lámpa burájába halogén elemet (jód vagy bróm) juttatnak, többnyire szerves formában, pl.: dibróm-metán formájában. A spirál apró vastagságegyenetlenségei helyenként magasabb ellenállást eredményeznek. Ezeken a helyeken a hőmérséklet magasabb, a volfrám jobban párolog tovább gyorsítva a szál elvékonyodását. A halogén izzólámpákban az elpárolgott volfrám és a gáztérben jelenlévő halogén reakcióba lép és volfrám-jodidot (pontosabban volfrámoxijodidot) alkot. A vegyület az izzószál környezetében elbomlik és a volfrám lerakódik a melegebb részeken. Ez a körfolyamat lehetővé teszi az izzószál hőmérsékletének emelését, ami kedvez a fényhasznosításnak, de növeli a kibocsátott UV sugárzást is. Ahhoz, hogy a halogén körfolyamata beinduljon, elengedhetetlen, hogy a bura elérjen egy bizonyos hőmérsékletet. Ezen a hőmérsékleten a lágyüvegek már képlékenyek, ezért a burát keményüvegből, vagy kvarcból készítik.


28/48

WOLFRÁM-HALOGÉN KÖRFOLYAMAT WI2

WI2

burafal hőmérséklete a WI2 kondenzációs hőmérséklete felett!

WI2

reakciózóna I2 W

párolgás ↑

I2

diffúzió

I2

W

W

↑

↑

T csökken

hidegebb zóna W + nX ↔ WXn melegebb zóna


29/48

HALOGÉNLÁMPÁK TULAJDONSÁGAI Fényhasznosítás valamivel jobb Élettartam szélesebb határok közé tervezhető Jó fényminőség Bizonyos határok között szabályozható Nincs búrafeketedés Magasabb falhőmérséklet Naphoz közelálló színvisszaadás Drágább, mint a hagyományos izzó Törpefeszültség alkalmazása esetén segédeszközre (transzformátorra) van szükség.


30/48

GÁZKISÜLÉSES FÉNYFORRÁSOK Fizikai alapok: gázon vagy gőzök áram folyik át sugárzási jelenségek lépnek fel. A sugárzás az ütközések következtében magasabb energiaállapotokba gerjesztett vagy esetleg ionizált atomokból ered. A gázkisülés spektruma sávos/vonalas szerkezetű. A gázkisülésre vonatkozó gyakorlati követelmények: önnfentartó jó a hatásfoka színvisszaadása meggfelelő jól technologizálható, gyártható megfelelő élettartam Kisnyomású fényforrások Nagynyomású fényforrások Fotonikai eszközök - Nemkoherens fényforrások I.

31/48

GÁZKISÜLÉSES FÉNYFORRÁSOK Működés alapja: ívkisülés, felhevített elektródból elektronok lépnek ki, ezek ütköznek a közeg atomjaival, és gerjesztik

sugárzás hν

ill. ionizálják őket.

A+

+

e-

Gerjesztett és ionizált anyag (plazma): Higanygőz

fénycső, higanylámpa

Nátriumgőz

nátriumlámpa

Egyéb fémek gőze fémhalogén lámpák Gáz

xenonlámpa


32/48

KISNYOMÁSÚ FÉNYFORRÁSOK Nyomás: néhány száz Pa, áram: néhány A. Az ionizáció elektronütközésekből ered.

Elektron-semleges atom ütközés: rugalmas ütközés, az atom gerjesztődik a kinetikus energia rovására, az atom ionizálódik, Az ionizációs valószínűség az elektronenergiától függ. Az atomok ionizációs energiái 10 – néhány 10 eV nagyságúak. Fotonikai eszközök - Nemkoherens fényforrások I.

33/48

FÉNYCSÖVEK A fénycsövek kisnyomású gázkisülési lámpák. A fémek (Hg) gőznyomása nagyságrendben 0,001 mbar, a Hg-é konkréten 0,005 mbar, a kisüléskor emittált UV sugárzást (Hg ún. rezonanciavonala 254 nm) fénypor alakítja át látható fénnyé. A fényporok a beeső nagyobb energiájú (rövidebb hullámhosszú) sugárzás hatására belső elektron energiaszintek közötti átmenetek révén látható tartománybeli fényt emittálnak (lumineszcencia). Ezek általában foszforvegyületek, vagy foszfort is tartalmazó keverékek. Fluoreszcencia: rövid lecsengésű folyamat Foszforeszcencia: hosszú lecsengésű folyamat Halofoszfát fénypor emissziós spektruma Fotonikai eszközök - Nemkoherens fényforrások I.

34/48

FÉNYPOROK Fényük spektrális eloszlása akkor jó, ha egy hullámhossz környékén maximális az intenzitás, több maximum nincs, vagy kicsik. Általában keverékel, leggyakrabban foszforvegyületek, vagy foszfort is tartalmazó keverékek. Színes „in-line” TV képcső: „háromsávos” fénypor, melyeknek keskeny piros, kék és zöld sávú maximumai vannak. Piros: ittrium-oxid + Eu3+ Kék: bárium-magnézium + aluminát + Eu2+ Zöld: cérium-aluminát + Tb3+


35/48

KOMPAKT FÉNYCSŐ Kisnyomású Hg-gőz Fénypor: ritka földfémekkel aktívált (jobb fényhasznosítás és színvisszaadás) Méretcsökkentés: több csődarab egymás mellett. Normállámpa foglalat!


36/48

NAGYNYOMÁSÚ KISÜLŐLÁMPÁK

Higanylámpa Nátriumlámpa Fémhalogén lámpa

higanylámpa

Fényhasznosítás (lm/W)

Élettartam (h)

30-50 90-150 100

16.000 28.500 10-20.000

fémhalogén lámpa

nátriumlámpa


37/48

SZILÁRDTEST FÉNYFORRÁSOK, LUMINESZCENCIA A fénykibocsájtás és a világítás a lumineszcencia jelenségén alapul. A félvezetőkben a hibahelyek (szennyezők, adalékok, rácshibák) energiaszintjei szintén részt vesznek az optikai átmenetekben. A hibahelyek által a tiltott sávban létrehozott energiaszintek az abszorpciós és emissziós folyamatokban egyaránt részt vehetnek.

Ha az elektron egy magasabb energiájú állapotba való gerjesztés után az alapállapotba visszakerülve a többletenergiáját sugárzás kibocsátásával veszti el, akkor a jelenséget lumineszcenciának nevezik. Fotonikai eszközök - Nemkoherens fényforrások I.

38/48

LUMINESZCENCIA A gerjesztés módjától függően beszélhetünk foto-, katodo- és elektrolumineszcenciáról, mikor is a gerjesztés elegendően rövid hullámhosszúságú fénnyel, nagyenergiájú elektronsugárzással, illetve elektromos térbeli ütközési ionizációval, vagy injektált töltéshordozókkal történik. A gyakorlat számára a legfontosabb a pn átmenetben végbemenő töltéshordozó-injekció által keltett elektrolumineszcencia, mely a fénykibocsátó diódák illetve a lézerek alapvető működési mechanizmusát jelenti.


39/48

INJEKCIÓS LUMINESZCECIA foton emisszió kiürülési tartomány vezetési sáv alja szabad elektron

p-tip Fermi nívó n-tip. Fermi nívó

szabad lyuk vegyérték kötési sáv teteje

az átmenetre helyezett feszültség Fotonikai eszközök - Nemkoherens fényforrások I.

40/48

ELEKTROLUMINESZCENS VILÁGÍTÁS Az injekciós lumineszcenciát először szilícium-karbidon (SiC) Losev figyelte meg 1923-ban (O. V. Losev, Telegrafija i telefonija bez uprodov, 18, p. 45, 1923). SiC kristályra tűkontaktust helyezett, azon egyenáramot átfolyatva tapasztalta azt, hogy a kontaktus alatt a kristáy világítani kezd. Az injekciós elektrolumineszcens világítás szabadalma: magyar elsőbbség (Tungsram Rt. Újpest)! SiC elektrolumineszcens fényforrás (a mai világítódiódák ”őse”): Szigeti György és Bay Zoltán US patent No. 2,254,952 (1942) Bay Zoltán: szobra van Újpesten Szigeti György: emléktábla és bronz mellkép Csillebércen Fotonikai eszközök - Nemkoherens fényforrások I.

41/48

ELEKTROLUMINESZCENS ANYAGOK, ZnS ZnS: széles tiltott sávja miatt inkább a dielektrikumokhoz sorolható. Leggyakoribb alkalmazási területe a lumineszcens elemek, képernyők gyártása. Finom porból vagy porlasztással készült rétegekbe vagy cinkfelesleget, vagy olyan aktivátorokat vezetnek be, amelyek biztosítják a megfelelő színű kisugárzást: 0,0001-3% Ag, Cu, Mn. Egy másik alkalmazási terület az infravörös tartományban áttetsző optikai elemek gyártása. Vegyület

Tiltott sáv eV

ZnS

Olvadási pont K 2103

CdS

2023

2,4

0,024

0,005

CdSe

1531

1,8

0,06

0,005

HgSe

1073

0,6

1,8

-

3,7

Elektron mozgékonyság m2/Vs 0,014

Lyuk mozgékonyság m2/Vs 0,0005


42/48

ZnS ELEKTROLUMINESZCENS SPEKTRUMA ZnS:Mn narancsszínű-sárga ZnS:Cu zöld

Elektromos térerő: 108 V/m azaz 1 µm vastag rétegen 100 V


43/48

ELEKTROLUMINESZCENS KRISTÁLY EGYSZERŰSÍTETT SÁVKÉPE fénypor

szigetelõ réteg

szigetelõ réteg


44/48

ELEKTROLUMINESZCENS CELLA

ZnS elektroluminescens cella (Destriaux cella) felépítése. A cellára váltóáramot kapcsolva lehet a világítást gerjeszteni.


45/48

ELEKTROLUMINESZCENS KÉPMEGJELENÍTŐ


46/48

KATÓDLUMINESZCENCIA Elektronsugaras gerjesztés, vákuum: TV képernyők és számitógép monitorok (DE: technológiai váltás!) Színes TV képcső (árnyékmaszk, három elektronsugár, három fényporréteg)) Kék

ZnS:Ag

Kék

ZnCdS:Cu,Al

Vörös Y2O3:Eu


47/48

Ellenőrző kérdések • Mi a radiometria és a fotometria? Rajzolja fel vázlatosan az emberi szem érzékenységi görbéjét! • Vázolja a Wien-féle eltolódási törvényt grafikonon! Mi a szöveges megfogalmazása a törvénynek? • Mutassa be az izzólámpa működését! Térjen ki a gáztöltés szerepére! • Vázlatosan ismertesse a kisnyomású gázkisülőlámpák működését! • Mi az injekciós lumineszcenca? Mutassa be a folyamatot sávszerkezet ábrán!


48/48

Nemkoherens fényforrások 1. Termikus és lumineszcens sugárzók

Recommend Documents