1、武漢輕工大學武漢輕工大學 畢畢 業業 設設 計（論計（論 文）文） 設計題目：設計題目：LED 與與 LD 發光特性與結構研究發光特性與結構研究 姓姓 名名 張衛張衛 學學 號號 101204122101204122 院（系）院（系） 電氣與電子工程學院電氣與電子工程學院 專專 業業 電子信息科學與技術電子信息科學與技術 指導教師指導教師 李鳴李鳴 20142014 年年 6 6 月月 7 7 日日 目錄 摘要.I Abstract.II 第 1 章 緒論.1 1.1 LED 及 LD 技術發展的由來.1 1.2 LED 及 LD 技術發展歷程.1 1.3 LED 發展的必要意義.2 1.4

2、本文工作及章節安排.4 第 2 章 LED 與 LD 理論基礎.5 2.1 復合方式 .5 2.2 LED 和 LD 的理論知識.6 2.2.1 LED 與 LD 基本結構.6 2.2.2 LED 和 LD 的發光原理.6 2.2.3 LED 和 LD 的結構圖片.7 2.3 LED 的相關特性.8 2.4 LD 的相關特性.11 2.4.1 同質結、異質結半導體激光器結構 .11 2.4.2 激光半導體主要參數.13 2.5 各種類型的激光器.14 2.6 LED 與 LD 的區別.15 第 3 章 實驗條件下 LED 和 LD 的相關特性.16 3.1 LED 和 LD 的 P-I 特性與

3、發光效率.16 3.2 LED 和 LD 的光譜特性.17 3.3 LED 和 LD 的調制特性.18 3.4 小結.19 第 4 章 新型大功率 LED 照明燈散熱技術.20 4.1 目前 LED 燈存在的問題.20 4.2 設計產品的樣式以及優點.20 4.3 設計產品的優化原理以及分析.23 4.4 小結.25 致謝.26 參考文獻.27 摘要摘要 本論文首先講述了二極管發展的由來，介紹了二極管產業的現狀和發展趨勢以 及應用情況，并學習二極管的基本結構，進而了解其發光特性和各種特性參數，并 對一些特性做了分析，在第四章，我們主要是對目前LED燈存在的問題作出改進， 設計一種新的樣式，使得

4、LED燈的發展前景更加廣闊。 關鍵詞：關鍵詞：發光二極管；激光二極管；相關特性 Abstract First tells the story of the origin of the diode development ,this paper introduces the diode industry present situation and development trend and application situation, and study the basic stucture of diode, and then understand its luminescence prope

5、rties and various characteristic parameters, and has made the analysis of some feature, in the fourth chapter, we mainly make improvement on current problems of LED lights, to design a new style, making LED lights have more broad prospects for development. Key words:Light emitting diode;Laser diode;

6、Relevant features 第第 1 章章 緒論緒論 1.1 LED 及及 LD 技術發技術發展的由來展的由來 早在 1947 年的美國貝爾實驗室就發現了當時只是稱為半導體點接觸式的晶體管， 也是從這時開始了人類的硅文明時代，嚴格地講，術語 LED(light emitting diode 簡 稱為 LED)應該僅用于發射可見光的二極管；發射近紅外輻射的二極管叫紅外發光二 極管；發射峰值波長在可見光短波限附近，由部分紫外輻射的二極管稱為紫外發光 二極管；我們今天論文中是把這三種半導體二極管統稱為發光二極管。 1.2 LED 及及 LD 技術發展歷程技術發展歷程 LED 的發展歷程：50

7、 年前人們就已經了解到半導體材料可產生光線的基本知識， 但是直到 1962 年，通用電氣公司的尼克何倫亞克才開發出第一種可以實際應用的 可見光發光二極管。最初 LED 只是 用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的 LED 在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用，產生了很好的經濟效益和社 會效益。當時在美國本來是采用長壽命、低光效的 140 w 白熾燈作為光源，它產生 2000 lm 的白光。經紅色濾光片后，光損失只剩下 200 lm 的紅光。而在新設計的燈 中，Lumileds 公司采用了 18 個紅色 LED 光源，包括電路損失在內，共耗電 14 w， 即可產生同樣的光效。此外，汽車信號

8、燈也是 LED 光源應用的重要領域。可以說 LED 的開發是繼白熱燈照明發展歷史 120 年以來的第二革命。 從 21 世紀到現在，通過在自然，人類和科學之間奇妙的相遇而開發的 LED， 將成為光世界的創新，是人類必不可少的綠色技術光革命。 激光二極管(laser diode 簡稱為 LD)，LD 的發展歷程可以分為三個階段：最初 的 LD 是 20 世紀 60 年代初期出現的同質結型激光器，它是在一種材料上制作的 P- N 結二極管，在正向大電流注入下，電子不斷地向 P 區注入，空穴不斷地向 N 區注 入。于是，在原來的 P-N 結耗盡區內實現了載流子分布的反轉，由于電子的遷移速 度比空穴的

9、遷移速度快，在有源區發生輻射、復合，發射出熒光，在一定的條件下 發生激光，這是一種只能以脈沖形式工作的 LD。LD 發展的第二階段是異質結構半 導體激光器，它是由兩種不同帶隙的半導體材料薄層，如 GaAs， GaAlAs 所組成， 最先出現的是單異質結構激光器(1969 年)。單異質結注入型激光器(SHLD)是利用 異質結提供的勢壘把注入電子限制在 GaAsP-N 結的 P 區之內，以此來降低閥值電流 密度，其數值比同質結激光器降低了一個數量級，但是單異質結激光器仍不能在室 溫下連續工作。隨著異質結激光器的研究發展，人們想到將超薄膜( 20nm)的半導 體層作為激光器的激活層，可以產生量子效應

10、，于是在 1978 年出現了世界上第一只 半導體量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了 LD 的各種性能。后來，又由于 MOCVD，MBE 生長技術的成熟，能生長出高質量超精細薄層材料，之后，便成功 地研制出了性能更加良好的量子阱激光器，量子阱半導體激光器與雙異質結( DH)激光器相比，它具有閾值電流低、輸出功率高，頻率響應好，光譜線窄和 溫度穩定性好和較高的電光轉換效率等許多優點。 從 20 世紀 70 年代末開始，LD 明顯向著兩個方向發展，一類是以傳遞信息為 目的的信息型激光器。另一類是以提高光功率為目的的功率型激光器。在泵浦固體 激光器等應用的推動下，高功率半導體激光器在 20 世紀

11、 90 年代取得了突破性進展 其標志是半導體激光器的輸出功率顯著增加，國外千瓦級的高功率半導體激光器已 經商品化，國內樣品器件輸出已達到 600W。如果從激光波段的被擴展的角度來看， 先是紅外半導體激光器，接著是 670nm 紅光半導體激光器大量進入應用，接著，波 長為 650nm，635nm 的問世，藍綠光、藍光半導體激光器也相繼研制成功。為適應 各種應用而發展起來的半導體激光器還有可調諧半導體激光器，另外，還有高功率 無鋁激光器(從半導體激光器中除去鋁，以獲得更高輸出功率，更長壽命和更低造價 的管子)、中紅外半導體激光器和量子級聯激光器等等。其中，可調諧半導體激光器 是通過外加的電場、磁場

12、、溫度、壓力等改變激光的波長，可以很方便地對輸出光 束進行調制。 20 世紀 90 年代出現并特別值得一提的是面發射激光器(SEL)，早在 1977 年， 人們就提出了所謂的面發射激光器，并于 1979 年做出了第一個器件，1987 年做出 了用光泵浦的 780nm 的面發射激光器。1998 年 GaInAIP/GaA 面發射激光器在室溫 下達到亞毫安的網電流，8mW 的輸出功率和 11%的轉換效率。前面談到的 LD，從 腔體結構上來說，不論是 F-P(法布里一泊羅)腔或是 DBR(分布布拉格反射式)腔， 激光輸出都是在水平方向，統稱為水平腔結構。它們都是沿著襯底片的平行方向出 光的。而面發射

13、激光器卻是在芯片上下表面鍍上反射膜構成了垂直方向的 F-P 腔， 光輸出沿著垂直于襯底片的方向發出，垂直腔面發射半導體激光器(VCSEIS)是一種 新型的量子阱激光器，它的激射闊值電流低，輸出光的方向性好，藕合效率高，能 得到相當強的光功率輸出，垂直腔面發射激光器已實現了工作溫度最高達 71 。 20 世紀 90 年代末，面發射激光器和垂直腔面發射激光器得到了迅速的發展，且已 考慮了在超并行光電子學中的多種應用。980nm，850nm 和 780nm 的器件在光學系 統中已經實用化。目前，垂直腔面發射激光器已用于千兆位以太網的高速網絡。為 了滿足 21 世紀信息傳輸寬帶化、信息處理高速化、信息

14、存儲大容量以及軍用裝備小 型、高精度化等需要，半導體激光器的發展趨勢主要在高速寬帶 LD、大功率 LD， 短波長 LD，量子點激光器、中紅外 LD 等方面。目前，在這些方面取得了一系列重 大的成果1 。 1.3 LED 發展的必要意義發展的必要意義 在我國目前最常見的路燈照明光源為高壓放電(HID)型式，如高壓鈉燈、金鹵 燈以及低壓鈉燈和高壓汞燈等。 其缺點是： 1. 傳統路燈的光源中含有重金屬物質，污染環境，而且光源為球形發光，光發散不 易控，光線易溢出指定照射區域，所以形成光污染； 2. 傳統路燈光源的能耗是 LED 的 5-10 倍，在我們國家照明用電約占總電量的 12%。如果按保守估計

15、，2010 年我國總發電量將達到 30000 億度，照明用電約 3600 億度，其中將近 70%的用于道路照明。如能節約一半的道路照明用電將近 1300 億度，相當于三峽電站的年發電量的 1.5 倍； 3. 在顯色性方面：傳統路燈較差，顯色指數只能達到 20-40 左右； 4. 在均勻度方面：傳統路燈均勻度低，垂直照度雖可達道路照明標準，但邊緣照 度遠遠低于垂直照度，均勻度差，不能達到道路照明標準； 5. 傳統路燈只能達到“亮”的層次，談不上照明“質”的層次。傳統路燈光的方向 不可控，在路面形成圓形光斑，產生局部陰影，照明效果不佳，對行人和車輛駕 駛人員在視覺方面造成影響，容易產生交通事故。

16、隨著高亮度白光發光二極管(LED)的技術不斷進步，大功率的 LED 照明技術日 趨成熟，目前已經商業化的大功率白光 LED 光源，每燈可達到 80 到 120 lm 的光度 輸出，效率大約在 80 lm/W，在以后估計可以到達每燈管 200 lm，發光效率則可望 達到 160 lm/W。另外 LED 光源具有器件性能穩定、高效、節能、長壽命、顯色指 數較好等優點。此外，在節能環保的巨大壓力下，國外政府采取相關政策鼓勵和推 廣 LED 照明產品應用。2005 年 12 月日本出臺改善與提高能源使用的促進稅法，明 確規定企業或機構使用 LED 照明取代白熾燈照明，可獲得投資額 130%超額折舊，

17、或者是投資額 7%的稅率減免；歐盟 2006 年 7 月開始實施 RoHs 法案，限制含汞的 熒光燈管的使用；美國加州立法者提議到 2012 年實行白熾燈禁止令；2007 年 2 月 澳大利亞政府宣布將逐步淘汰白熾燈；我國臺灣 2012 年限制白熾燈的使用；國家發 改委、財政部、科技部等部門正在努力推動 LED 產品取代傳統的白熾燈和高壓鈉燈 等傳統光源，并確立了到 2015 年實現節能 260 億元人民幣的目標。在技術和政策的 推動了 LED 路燈成為替代傳統路燈的首選。下面我們就 LED 路燈與傳統路燈(高壓 鈉燈)對比在主要性能方面的優點有： 1. 環保：LED 是全固體發光體，可以承受

18、高強度機械沖擊和震動，不易破碎，廢 棄物便于回收。而且 LED 光源本身不含汞、鉛等有害物質，無紅外和紫外污染， 不會在生產和使用中產生對外界的污染。使用太陽能電池供電，會更有利于環保； 2. 節能：發光效率高，燈具反射損失低，節省能源 70%；在同樣亮度下耗電量僅為 普通白熾燈的 1/10； 3. 壽命長，維護成本低 ：LED 理論壽命超過 10 萬小時，LED 路燈的實際使用壽 命在 5 萬小時以上，是高壓鈉燈 15 倍以上的壽命，維護費用低； 4. 顯色性佳：LED 路燈的色溫可以在 4000-7000K 之間靈活選擇，顯色指數最可達 80 以上，發光顏色更接近于自然光，路面看起來更明亮

19、，感覺更舒適，駕駛人員 也感覺更安全； 5. 光效利用率高：LED 光源利用率高，約為 90%，LED 發光角度同燈具的發光角 度可保持一致，LED 路燈的光可以直接照射到指定區域，光源利用率高； 6. 啟動時間短：LED 路燈將不存在啟動延時問題，可隨時接通，隨時工作，能夠非 常方便地實現智能化節能控制； 7. 供電系統：LED 路燈用專用驅動模塊，不需要大型的變壓器，整個驅動器能實現 恒流驅動，保證了電壓變化時 LED 路燈亮度不變。另外，驅動器有許多保護功能， 在異常情況下，保障整個電網的可靠性； 同時，作為低壓燈具，安全性好也是 LED 的突出優點。基于 LED 在節能、減 排、環保等

20、方面的獨特優勢，半導體照明被譽為人類照明的第三次革命，其應用領 域也正在被快速拓展。至于在 LED 路燈方面，據業界統計，全球整體路燈市場規模 目前約 1.6 億盞，其中，我國占 1700 萬盞，預估 08 年全球 LED 路燈照明市場規模 約 91 萬盞，其中，我國占有超過 50%的路燈裝置需求，另從產值的角度來看，今年 全球 LED 路燈總產值約 10 億美元，中國是目前全球城市化進程最快的國家之一， 可以預料在未來的數十年內，全國各地對于大功率、高亮度、節能的 LED 路燈產品 的市場需求是極其龐大的。 目前路燈應用市場已經啟動，隨著效率的進一步提高和技術的日趨完善，將有 很快的發展，市

21、場前景更為看好。面對難得的發展機遇和市場需要，LED 路燈雖然 還存在不足之處，如沒有統一的標準等問題，但是由于節能環保的特點 LED 路燈的 發展已經形成一種趨勢1。 從上面 LED 和 LD 的發展史中，我們可以看出 LED 燈比常規的照明燈有更多 的優點，所以早在 1956 年，我國提出“向科學進軍” ，根據國外發展電子器件的進 程，提出來中國也要研究半導體科學，把半導體技術列為國家四大緊急措施之一。 但是 LED 技術也有一些缺點，比如說它的散熱性較差，不適宜于長期使用，本文將 探究一下相關問題的解決辦法。 1.4 本文工作及章節安排本文工作及章節安排 因此，想要有效的發展 LED 及

22、 LD 技術，真正理解 LED 和 LD 的基本結構以及 發光原理和相關特性是有必要的。本文的目的就是在基本結構的基礎上，了解其發 光原理以及一些應用，讓我們以后可以更好的發展 LED 和 LD 技術。第一章緒論主 要介紹 LED 和 LD 的歷史發展背景以及課題的研究內容及目的；第二章則主要講述 了 LED 和 LD 的基本結構和發光原理以及一些相關特性；第三章則是對 LED 的相 關特性做的一些測試實驗；第四章是對目前 LED 燈存在的問題做的一個改進，使得 它的應用范圍更加廣泛，最后結論，對本文所做的工作進行總結歸納，并提出本文 有待解決的一些問題和進一步的研究方向。 第第 2 章章 L

23、ED 與與 LD 理論基礎理論基礎 LED 和 LD 都是在半導體的基礎上發展起來的，但是兩者的區別卻較大，以下 從 LED 和 LD 的基本理論知識來講述。 2.1 復合方式復合方式 復合方式指的是半導體材料中電子或載流子的狀態。 1.帶間復合 半導體材料中導帶底的電子同導帶頂的空穴復合，其能量大小為： （2- 1） 所以有： （2- 2） 式(2-1)和(2-2)中 和的單位分別為和。2 g E m eV 一般來說，載流子不完全位于導帶底最低處和導帶頂最高處，而是導帶底和 價帶頂附近的載流子都會參與這種帶間復合，因而這種帶間復合的發射光譜具有 一定的寬度。 2.淺雜志與帶間的復合 淺施主-

24、價帶，導帶-淺受主間的載流子復合產生的輻射光為邊緣發射，其光 子能量總比禁帶寬度小。 3.施主-受主復合 施主能級上的電子同受主能級上的空穴復合產生輻射復合，其光子能量小于 ，簡稱對復合。 g E 4.激子復合 在某些情況下，晶體中的電子和空穴可以穩定地結合在一起，形成一個中性 “準粒子” ，能在晶體中作為一個整體存在，這種“準粒子”就叫做激子。 5.深能級復合和等電子陷阱復合 以等電子雜質替代晶格基質原子，因其原子大小和電負性等性質與基質原子 不同，造成電子和空穴的束縛態，其作用好象陷阱，故通常稱之為等電子陷阱。 利用等電子陷阱復合，可以使間接帶隙材料的發光效率得到提高。等電子中心是 半導體

25、中的一種深能級雜質所產生的一種特殊的束縛狀態。 等電子雜質與所取代的基質原子具有相同價電子數目的一類雜質；一般不是 電活性的，在半導體中不應產生能級狀態。等電子雜質有時在禁帶中可產生出能 夠起陷阱作用的深能級，故又稱等電子中心為等電子陷阱。 g hc hvE 1.24 gg hc EE 6.自發輻射 處于激發態的原子中，電子在激發態能級上只能停留一段很短的時間，就自 發地躍遷到較低能級中去，同時輻射出一個光子，這種輻射叫做自發輻射。自發 輻射是不受外界輻射場影響的自發過程，各個原子在自發躍遷過程中是彼此無關 的，不同原子產生的自發輻射光在頻率、相位、偏振方向及傳播方向都有一定的 任意性。 7.

26、受激輻射 原來處在高能級的原子，還可以在其他光子的刺激或感應下，躍遷到低能級， 同時發射出一個同樣能量的光子。由于這一過程是在外來光子的刺激下產生的， 所以被稱為受激輻射3。 2.2 LED 和和 LD 的理論知識的理論知識 2.2.1 LED 與與 LD 基本結構基本結構 LED 主要由 P-N 結芯片、電極和光學系統組成。當在電極上加正向偏置電壓 之后，電子和空穴分別注入 P 區和 N 區。當處于不平衡狀態下的少數載流子與多數 載流子復合時，就會以輻射的形式將多余的能量轉化為光能。 LD 的物理結構是在發光二極管的結間安置一層具有光活性的半導體，其端面經 過拋光后具有部分反射功能，因而形成

27、一光諧振腔。在正向偏置的情況下，LED 結 發射出光來并與光諧振腔相互作用，從而進一步激勵從結上發射出單波長的光，這 種光的物理性質與材料有關。 圖 2-1 LED 的基本結構圖 圖 2-2 LD 的結構圖 2.2.2 LED 和和 LD 的發光原理的發光原理 發光二極管的發光原理：發光二極管的核心部分是由 P 型半導體和 N 型半導體 組成的晶片，在 P 型半導體和 N 型半導體之間有一個過渡層，稱為 P-N 結。在某些 半導體材料的 P-N 結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以 光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。P-N 結加反向電壓，少數載流子 難以注入，故不

28、發光。這種利用注入式電致發光原理制作的二極管叫發光二極管， 通稱 LED。當它處于正向工作狀態時（即兩端加上正向電壓） ，電流從 LED 陽極流 向陰極時，半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。 激光二極管的發光原理：半導體中的光發射通常起因于載流子的復合。當半導 體的 P-N 結加有正向電壓時，會削弱 P-N 結勢壘，迫使電子從 N 區經 P-N 結注入 P 區，空穴從 P 區經過 P-N 結注入 N 區，這些注入 P-N 結附近的非平衡電子和空穴將 會發生復合，從而發射出波長為 的光子，其公式如下： (2-3) 式中：h普朗克常數；c光速；半導體的禁帶寬度。 g

29、上述由于電子與空穴的自發復合而發光的現象稱為自發輻射。當自發輻射所產 生的光子通過半導體時，一旦經過已發射的電子-空穴對附近，就能激勵二者復合， 產生新光子，這種光子誘使已激發的載流子復合而發出新光子現象稱為受激輻射。 如果注入電流足夠大，則會形成和熱平衡狀態相反的載流子分布，即粒子數反轉。 當有源層內的載流子在大量反轉情況下，少量自發輻射產生的光子由于諧振腔兩端 面往復反射而產生感應輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說對某一頻率具有增益。 當增益大于吸收損耗時，就可從 P-N 結發出具有良好譜線的相干光-激光，這就是激 g hc E 光二極管的發光原理。 2.3 LED 的相關特性的相關特性 L

30、ED 是利用化合物材料制成 P-N 結的光電器件。它具備 P-N 結結型器件的電學 特性：I-V 特性、C-V 特性和光學特性：光譜響應特性、發光光強指向特性、時間特 性以及熱學特性。 2.3.1 LED 電學特性電學特性 1. I-V 特性：表征 LED 芯片 P-N 結制備性能主要參數。LED 的 I-V 特性具有非線 性和整流性質：單向導電性，即外加正偏壓表現低接觸電阻，反之為高接觸電 阻。 圖 2-3 LED 的 I-V 特性曲線 (1)正向死區：(圖 oa 或 oa段)a 點對于 V0 為開啟電壓 (2)正向工作區：電流 IF 與外加電壓呈指數關系 (3)反向死區：V0 時 P-N

31、結加反偏壓 V=-VR 時，反向漏電流 IR(V=-5V)時， GaP 為 0V，GaN 為 10A。 (4)反向擊穿區 V-VR，VR 稱為反向擊穿電壓；VR 電壓對應 IR 為反向漏電流。 當反向偏壓一直增加使 VTa 時，內部熱 量借助管座向外傳熱，散逸熱量(功率)，可表示為 (2-4) () ja 3. 響應時間 響應時間表征某一顯示器跟蹤外部信息變化的快慢。 (1)響應時間從使用角度來看，就是 LED 點亮與熄滅所延遲的時間， (2)響應時間主要取決于載流子壽命、器件的結電容及電路阻抗。 LED 的點亮時間-上升時間 tr 是指接通電源使發光亮度達到正常的 10%開始，一 直到發光亮

32、度達到正常值的 90%所經歷的時間。 LED 的熄滅時間-下降時間 tf 是指正常發光減弱至原來的 10%所經歷的時間。 不同材料制得的 LED 響應時間各不相同；如 GaAs、GaAsP、GaAlAs 其響 應時間10-9s，GaP 為 10-7s。因此它們可用在 10-100MHz 高頻系統。4 2.3.2 LED 光學特性光學特性 發光二極管有紅外(非可見)與可見光兩個系列，前者可用輻射度，后者可用光 度學來量度其光學特性。 1. 發光法向光強及其角分布 (1)發光強度(法向光強)是表征發光器件發光強弱的重要性能。LED 大量應用要 求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強指向

33、性：位于法向方向 光強最大，其與水平面交角為 90。當偏離正法向不同 角度，光強也隨之變化。 發光強度隨著不同封裝形狀而強度依賴角方向。 (2)發光強度的角分布是描述 LED 發光在空間各個方向上光強分布。它主要取決 于封裝的工藝(包括支架、模粒頭、環氧樹脂中添加散射劑與否)。 為獲得高指向性的角分布可以使 LED 管芯位置離模粒頭遠些，或者使用圓錐 狀(子彈頭)的模粒頭，以及封裝的環氧樹脂中勿加散射劑。 采取上述措施可使 LED 大大提高了指向性。 當前幾種常用封裝的散射角圓形 LED：5、10、30、45。 2. 發光峰值波長及其光譜分布 (1)LED 發光強度或光功率輸出隨著波長變化而不

34、同，繪成一條分布曲線-光譜 分布曲線。當此曲線確定之后，器件的有關主波長、純度等相關色度學參數亦隨 之而定。LED 的光譜分布與制備所用化合物半導體種類、性質及 P-N 結結構(外 延層厚度、摻雜雜質)等有關，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關。 (2)譜線寬度：在 LED 譜線的峰值兩側 處，存在兩個光強等于峰值(最大光 強度)一半的點，此兩點分別對應 P-，P+ 之間寬度叫譜線寬度，也稱半 功率寬度或半高寬度。半高寬度反映譜線寬窄，即 LED 單色性的參數，LED 半 寬小于 40nm。 (3)主波長：有的 LED 發光不單是單一色，即不僅有一個峰值波長；甚至有多個 峰值，并非單色光。為此描

35、述 LED 色度特性而引入主波長。主波長就是人眼所 能觀察到的，由 LED 發出主要單色光的波長。單色性越好，則 P 也就是主波長。 如 GaP 材料可發出多個峰值波長，而主波長只有一個，它會隨著 LED 長期工作， 結溫升高而主波長偏向長波。 3. 發光效率和視覺靈敏度 (1)LED 效率有內部效率(P-N 結附近由電能轉化成光能的效率)與外部效率(輻射 到外部的效率)。前者只是用來分析和評價芯片優劣的特性。LED 最重要的特性 是用輻射出光能量(發光量)與輸入電能之比，即發光效率。 (2)視覺靈敏度是使用照明與光度學中一些參量。人的視覺靈敏度在 =555nm 處 有一個最大值 680 lm

36、/w。若視覺靈敏度記為 K，則發光能量 P 與可見光通量 F 之間關系為 (2-5) d (2-6) Fd (3)發光效率-量子效率 是指發射的光子數與 P-N 結載流子數之間的比值，公 式為： (e/hcI) (2-7) d 若輸入能量為，則發光能量效率,若光子能量,則 WUI PP W hcev 。 P （4）流明效率：是指 LED 的光通量 F 與外加三極管耗電功率的比值， 它是評價具有外封裝 LED 特性，LED 的流明效率高指在同樣外加電 WK P 流下輻射可見光的能量較大，故也叫可見光發光效率5。 下列出幾種常見 LED 流明效率(可見光發光效率)： 表 2-1 常見 LED 流明

37、效率 由于 LED 材料折射率很高。當芯片發出光在晶體材料與空氣界面時(無環氧封裝)若 垂直入射，被空氣反射，反射出的占 32%，鑒于晶體本身對光有相當一部分的吸收， 于是大大降低了外部出光效率。 2.3.32.3.3 熱學特性熱學特性 LED 的光學參數與 P-N 結結溫有很大的關系。一般工作在小電流 IFIth時才發出激光。在 Ith以上，光功率 P 隨 I 線性增加。 閾值電流是評定半導體激光器性能的一個主要參數，我們可以采用兩段直線擬 合法對其進行測定。如圖 3-2 所示，將閾值前與后的兩段直線分別延長并相交，其 交點所對應的電流即為閾值電流 Ith。 發光效率是描述 LED 和 LD

38、 電光能量轉換的重要參數，發光效率可分為功率效 率和量子效率。功率效率定義為發光功率和輸入電功率之比，以 表示。量子效率 分為內量子效率和外量子效率。內量子效率定義為單位時間內輻射復合產生的光子 數與注入 P-N 結的電子-空穴對數之比。外量子效率定義為單位時間內輸出的光子數 與注入到 P-N 結的電子-空穴對數之比。 圖 3-1 LD 和 LED 的 P-I 特性曲線 (a) LD 的 P-I 特性曲線 (b) LED 的 特性曲線 圖 3-2 兩段直線擬合法測量 LD 閾值電流 3.2 LED 和和 LD 的光譜特性的光譜特性 LED 沒有光學諧振腔選擇波長，它的光譜是以自發輻射為主的光譜

39、，圖 3-3 為 LED 的典型光譜曲線。發光光譜曲線上發光強度最大處所對應的波長為發光峰值波 長 P，光譜曲線上兩個半光強點所對應的波長差 為 LED 譜線寬度(簡稱譜寬)， 其典型值在 30-40nm 之間。由圖 3-3 可以看到，當器件工作溫度升高時，光譜曲線 隨之向右移動，從 P的變化可以求出 LED 的波長溫度系數。 圖 3-3 LED 光譜特性曲線 激光二極管的發射光譜取決于激光器光腔的特定參數，大多數常規的增益或折 射率導引器件具有多個峰的光譜，如圖 3-4 所示。激光二極管的波長可以定義為它 的光譜的統計加權。在規定輸出光功率時，光譜內若干發射模式中最大強度的光譜 波長被定義為

40、峰值波長 P ，對諸如 DFB、DBR 型 LD 來說，它的 P相當明顯。一 個激光二極管能夠維持的光譜線數目取決于光腔的結構和工作電流。 圖 3-4 LD 光譜特性曲線 3.3 LED 和和 LD 的調制特性的調制特性 當在規定的直流正向工作電流下，對 LED 進行數字脈沖或模擬信號電流調制， 便可實現對輸出光功率的調制。LED 有兩種調制方式，分別是數字調制和模擬調制， 圖 3-5 示出這兩種調制方式。調制頻率或調制帶寬是光通信用 LED 的重要參數之一， 它關系到 LED 在光通信中的傳輸速度大小，LED 因受到有源區內少數載流子壽命 的限制，其調制的最高頻率通常只有幾十兆赫茲，從而限制

41、了 LED 在高比特速率系 統中的應用，但是，通過合理設計和優化的驅動電路，LED 也有可能用于高速光纖 通信系統。調制帶寬是衡量 LED 的調制能力，其定義是在保證調制度不變的情況下， 當 LED 輸出的交流光功率下降到某一低頻參考頻率值的一半時(-3dB)的頻率就是 LED 的調制帶寬。 圖 5：LED 調制特性 圖 3-5 LED 調制特性 圖(a) LED 的數字調制 圖(b) LED 的模擬調制 在 LD 的調制過程中存在以下兩種物理機制影響其調制特性： 1. 增益飽和效應。當注入電流增大，因而光子數 P 增大時，增益 G 出現飽和現象， 飽和的物理機制源于空間燒孔、譜燒孔、載流子加

42、熱和雙光子吸收等因素。譜燒 孔也稱帶內增益飽和。這些因素導致 P 增大時 G 的減小。 2. 線性調頻效應。當注入電流為時變電流對激光器進行調制時，載流子數、光增益 和有源區折射率均隨之而變，載流子數的變化導致模折射率五和傳播常數的變化， 因此產生了相位調制，它導致了與單縱模相關的光(頻)譜加寬，又稱線寬增強因 子。 3.4 小結小結 從 LED 和 LD 的相關特性圖可以看出來，LED 和 LD 在 P-I 曲線圖，光譜特性 以及調制特性方面，兩者的區別較大。 第第 4 章章 新型大功率新型大功率 LED 照明燈散熱技術照明燈散熱技術 4.1 目前目前 LED 燈存在的問題燈存在的問題 目前

43、，由于 LED 燈照明有節電、環保、長壽命等優點，而被公認為在以后的照 明技術中占據重要地位。但是，LED 有 70%之多的電能轉化為熱能，必須散熱。雖 然 LED 發光技術已有飛躍發展，有每瓦發光達 200 lm 的報道，但 LED 散熱卻是 LED 照明中非常頭痛的問題，成了 LED 照明燈普及發展道路上的攔路虎。 本文提出了一種 LED 路燈全新設計方案：散熱器由數量較多的太陽花式散熱片 拼組而成，每個散熱片上配裝一光模組燈芯，可現場便捷地拆裝維護，IP 級防 水密封在燈芯內完成，結構簡單可靠，便于實現模塊標準化；外殼不僅結構簡單、 外形美觀，而且還具有煙囪效果，進一步提高散熱效果，有效

44、解決了 LED 芯片的散 熱問題 4.2 設計產品的樣式以及優點設計產品的樣式以及優點 圖 4-1 傳統的路燈結構 圖 4-1 所示 LED 路燈是當前最典型、最普遍采用的結構：散熱片裸露，大張的 設有 LED 光源芯片的鋁基板，貼裝在散熱片基板上（下方） ，再加前透明護罩。 這種結構設計有如下問題： 1. 散熱主要是自然對流傳熱，空氣對流流經散熱肋片將熱量帶走，因而空氣對流 暢通非常重要，自然對流是自下往上而流動，散熱片應設計成讓空氣自下而上穿 過散熱肋片。但圖 4-1 所示當前 LED 路燈的散熱片，空氣對流不暢，對流冷空 氣不易均勻地流經整個散熱肋片，在散熱片的中心處，空氣溫度高，散熱效

45、果差 （表面對流傳熱系數低下） ，并且隨著散熱片外尺寸加大，其對流傳熱效果進一 步惡化。散熱片尺寸加大一倍，但其散熱效果并不增加一倍，也就是說：圖 4-1 所示結構的 LED 路燈，功率越大，其散熱片尺寸必須加倍地增大。 2. 散熱肋片之間的間距沒有優化。在自然對流散熱過程中，不是一味地增加散熱片 面積（加密散熱肋片間距） ，就能提高散熱量，當肋片加密到某一值（最佳值） 時，再增加，散熱量反而下降。 以上問題所致的結果：散熱效果低，LED 結溫高；散熱片的尺寸大（即路燈 尺寸大） ，重量沉（十多公斤） ，散熱成本高居不下。 圖 4-2 所示的全新架構的 LED 路燈由十個太陽花式散熱片拼組構成

46、，散熱器固 定在下殼上，每個太陽花式散熱片配有一個 LED 光模組，此稱為燈芯，通過一顆螺 栓固定在每個散熱片上。圖 4-3 是拆卸開的模型，外殼由上下殼構成，在前端由一 合頁連接，外殼內分隔有獨立的電源室，只需一螺絲刀就可便捷打開，順利地拆裝 燈芯（光模組）和電源。本文提出的 LED 路燈不僅外形美觀，結構也非常簡單。 圖 4-2 全新架構的 LED 路燈外觀圖 圖 4-4 表示出了該燈芯（光模組）的設計視圖。 圖 4-5 所示的太陽花式散熱片，它有如下優點： 1. 肋化效率高，有利于減少鋁材用量； 2. 空氣流通截面積大，有利于減小空氣流動阻力，有利于提高空氣流量，提高散熱 量； 3. 發

47、熱的芯片熱源離散熱肋片距離近，即散熱片內的導熱（熱傳輸）距離近，則散 熱片內導熱熱阻低，可以有效的降低 LED 燈片的溫度； 容易加工制造，采用鋁擠出成形，再裁切而成，這使得產品的加工成本低。因 而太陽花式散熱片為 LED 照明燈的最佳散熱結構。 圖 4-3 打開上殼的視圖 圖 4-4 燈芯設計視圖 圖 4-5 太陽花式散熱片 4.3 設計產品的優化原理以及分析設計產品的優化原理以及分析 散熱過程最終是熱量傳到空氣中，由空氣流動（對流）將熱量帶走，散熱片的輻 射傳熱所占的分量非常低，因而不于考慮。空氣流動帶走的熱量（即散熱量）Q： (4-1) 21P QCM TT Cp空氣的比熱，為定值。M空

48、氣流量。(T2-T1)散熱片出口處空氣溫度 T2 與 進口處空氣溫度 T1 的溫差，出口處空氣溫度 T2 最高不超過散熱片的壁面溫度 Tw，即(T2-T1)有最大可能的數值。 從式(4-1)可以分析得出，最有效提高散熱量的方向是提高空氣流量。 自然對流傳熱過程中，驅動空氣流動的動力是：空氣受熱溫度升高，比重下降而產 生的浮力 F： (4-2) ()dv(1 ) gg FVoaVodv g重力加速度。空氣密度。V散熱器的體積。0環境大氣溫度。a散熱 器內的空氣溫度。空氣流經散熱片，散熱片產生的阻力 F： (4-3) 2FSguds S空氣流經的表面積，即散熱片的散熱面積。流動阻力系數，與散熱片的

49、結構， 空氣流動形式密切相關。u空氣在散熱片內的流動速度，流速 u 越高空氣流量也就 越大。散熱片的散熱量 Q 還應滿足以下公式： (4-4) wa QSh TT ds h對流傳熱系數。(TwTa)散熱片壁面溫度 Tw與散熱片內的空氣溫度 Ta的差值， 散熱片的溫度 Tw受 LED 芯片結點溫度的限制。以上四個公式約束著自然對流散熱 過程，浮力 F 應等于流動阻力再加空氣動量增加（2） 。 從式(4-1)可以看出，流量 M 增加，有利于散熱量 Q 的提高，浮力 F 要求下降， 從式(4-2)可以分析得出，散熱片中的空氣溫度 Ta 可降低，又從式(4-3)可以看出：有 利散熱量 Q 的提高，這說

50、明降低流動阻力，從各方面來講，都對散熱量 Q 提高有利。 降低流動阻力系數 ，能有效降低流動阻力。當散熱片的肋片，上下豎立設置，空氣由下向上直接 穿過散熱片時，低溫空氣直接進入散熱肋片，由式(4-4)，有利于對流傳熱；空氣的 流動方向與浮力方向一致，阻力最小。因而散熱片應設計成上下貫通的結構，避免 空氣彎曲流動，渦流出現。依據式(4-3)，流動阻力與空氣在散熱片中的流速的平方 成正比，因而降低流速能有效降低流動阻力。增大空氣在散熱片中的流通面積，既 能不減小空氣流量 M，又能降低流速。太陽花式結構散熱片，如圖 4-5 所示，LED 芯片將集中在中心導熱柱截面上，不僅發熱源(LED 芯片)離散熱

51、肋片根距離近，則 導熱柱內導熱熱阻小，而且 LED 芯片集中，所占的截面積小，即空氣的有效流通面 積大，因而有利于流動阻力減小。 這說明：太陽花式結構的散熱片，是 LED 燈散熱的最佳結構。從制造方面講， 采用鋁擠出工藝，制造出太陽花鋁型材，再裁切就成了散熱片，可制造出各種外形 的散熱片，生產效率高，工序少，造價也就低。 由式(4-2)分析：如果散熱器的體積 V 一定，所占空間尺寸一定，散熱器中的空 氣溫度a提高，有利于提高浮力 F，但從式(4-4)得出，卻不利于散熱肋片與空氣的 對流傳熱（即散熱） 。從式(4-4)中分析，通過增加散熱肋片數量（即肋片密度） ，來 提高散熱面積 S，有利于提高

52、散熱量，但從式(4-3)分析，卻相應地提高了流動阻力 F。 以上分析說明：在自然對流傳熱中，通過增加散熱肋片密度(減小肋片之間的間 隙)來增加散熱面積，以達到提高散熱量的目的，但存在著相反、矛盾的因素，因而 散熱量提高有限，甚至有可能得到降低散熱量的相反結果。 可以得出結論：當散熱片所占空間尺寸一定時，存在一最大自然對流散熱量， 相對應就有著最佳肋片結構（肋片密度） ，最大散熱量與散熱片的流通截面積成正比。 本文作者經過大量的實驗證實了該結論，并總結有最佳肋片密度的計算經驗公式， 可以計算出優化的 LED 燈散熱片。在散熱片的上方設置對流罩，由式(4-1)可得，有 利散熱量提高。抽吸力與對流罩

53、內的體積 V 成正比，提高對流罩內的空氣溫度，有 助于提高抽吸力。進一步的分析還可得出：要有高的抽吸力，散熱片應盡可能設置 在對流罩最低端，散熱片要緊奏。 根據以上得出的結論，對流罩的抽吸力與對流罩內的體積 V 成正比，因而對于 某些情況下，比如由于裝飾需要，燈具的高度尺寸有限制，可以通過增加截面積尺 寸，達到同等的體積，同等的抽吸力。在產品設計時，可以充分利用燈具上的燈罩 作為對流罩，既有裝飾作用，又有強化提高散熱量的作用。 對于筒燈，自然地將燈筒設計成對流罩。比較先進的 LED 路燈，散熱片為 10 個等六邊形太陽花式散熱片，采用蜂窩型結構拼合成，設置有大尺寸的后殼，后殼 頂開有通氣孔，后

54、殼就構成了對流罩。對流罩豎立設置時，對流罩的抽吸作用最有 效，散熱片采用太陽花式，LED 芯只能朝上或朝下，對流罩采用透明材料制成，此 時對流罩就是燈罩，LED 芯朝上，對流罩內設置有反射鏡，從 LED 芯發出的朝上 的光線，經反射鏡反射成平射，如果反射鏡的反射角可調，就可調動光線的平射角。 4.4 小結小結 這一章，首先了解 LED 燈在實際應用中的缺點，然后深入探究，掌握其中影響 的關鍵因素，通過對 LED 燈燈芯的設計改造，讓它在散熱方面有了質的提升，使得 LED 的應用范圍更加廣闊。 致謝致謝 經過一個多月的時間，我搜集資料，查找相關內容，在此我要衷心地感謝我的 論文指導老師李鳴老師，從選題的確定、論文資料的收集、論文框架的確定、開 題報告準備及論文初稿與定稿中對字句的斟酌傾注的大量心血，他每隔一段時間就 會問我們論文的進展情況，然后給出自己的建議，在我對論文從一籌莫展的時候， 有了清楚明晰的思路，都是他指導我一步步走到現在。李鳴老師多次詢問研究進程， 并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥