武汉轻工大学
毕 业 设 计（论 文）
设计题目：LED与LD发光特性与结构研究
姓 名 张卫 学 号 101204122 院（系） 电气与电子工程学院 专 业 电子信息科学与技术 指导教师 李鸣
2014年6月7日
目录
摘要 ........................................................................................................................................ I Abstract .................................................................................................................................. II 第1章 绪论 ......................................................................................................................... 1
1.1 LED及LD技术发展的由来 .................................................................................. 1 1.2 LED及LD技术发展历程 ...................................................................................... 1 1.3 LED发展的必要意义 ............................................................................................. 2 1.4 本文工作及章节安排 ............................................................................................. 4 第2章LED与LD理论基础 .............................................................................................. 5
2.1复合方式 ............................................................................................................... 5 2.2 LED和LD的理论知识 .......................................................................................... 6
2.2.1 LED与LD基本结构 .................................................................................... 6 2.2.2 LED和LD的发光原理 ................................................................................ 7 2.2.3 LED和LD的结构图片 .............................................. 错误！未定义书签。 2.3 LED的相关特性 ..................................................................................................... 7 2.4 LD的相关特性 .......................................................................................................11
2.4.1同质结、异质结半导体激光器结构 .........................................................11 2.4.2激光半导体主要参数 .................................................................................. 12 2.5 各种类型的激光器 ............................................................................................... 13 2.6 LED与LD的区别 ................................................................................................ 14 第3章 实验条件下LED和LD的相关特性 .................................................................. 15
3.1 LED和LD的P-I特性与发光效率 ..................................................................... 15 3.2 LED和LD的光谱特性 ........................................................................................ 16 3.3 LED和LD的调制特性 ........................................................................................ 17 3.4小结 ........................................................................................................................ 18 第4章 新型大功率LED照明灯散热技术 ..................................................................... 19
4.1 目前LED灯存在的问题 ..................................................................................... 19 4.2设计产品的样式以及优点 .................................................................................... 19 4.3 设计产品的优化原理以及分析 ........................................................................... 22 4.4 小结 ....................................................................................................................... 24 致谢 ..................................................................................................................................... 25 参考文献 ............................................................................................................................. 26
摘要
本论文首先讲述了二极管发展的由来，介绍了二极管产业的现状和发展趋势以及
应用情况，并学习二极管的基本结构，进而了解其发光特性和各种特性参数，并对一些特性做了分析，在第四章，我们主要是对目前LED灯存在的问题作出改进，设计一种新的样式，使得LED灯的发展前景更加广阔。
关键词：发光二极管；激光二极管；相关特性
I
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 properties 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;Relevant features
II
第1章 绪论
1.1 LED及LD技术发展的由来
早在1947年的美国贝尔实验室就发现了当时只是称为半导体点接触式的晶体管，也是从这时开始了人类的硅文明时代，严格地讲，术语LED(light emitting diode 简称为LED)应该仅用于发射可见光的二极管；发射近红外辐射的二极管叫红外发光二极管；发射峰值波长在可见光短波限附近，由部分紫外辐射的二极管称为紫外发光二极管；我们今天论文中是把这三种半导体二极管统称为发光二极管。
1.2 LED及LD技术发展历程
LED的发展历程：50 年前人们就已经了解到半导体材料可产生光线的基本知识，但是直到1962 年，通用电气公司的尼克•何伦亚克才开发出第一种可以实际应用的可见光发光二极管。最初LED只是 用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED 在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。当时在美国本来是采用长寿命、低光效的140 w白炽灯作为光源，它产生2000 lm的白光。经红色滤光片后，光损失只剩下200 lm的红光。而在新设计的灯中，Lumileds 公司采用了18 个红色LED 光源，包括电路损失在内，共耗电14 w，即可产生同样的光效。此外，汽车信号灯也是 LED 光源应用的重要领域。可以说LED的开发是继白热灯照明发展历史120年以来的第二革命。
从21世纪到现在，通过在自然，人类和科学之间奇妙的相遇而开发的LED，将成为光世界的创新，是人类必不可少的绿色技术光革命。
激光二极管(laser diode 简称为LD)，LD的发展历程可以分为三个阶段：最初的LD是20世纪60年代初期出现的同质结型激光器，它是在一种材料上制作的P-N结二极管，在正向大电流注入下，电子不断地向P区注入，空穴不断地向N区注入。于是，在原来的P-N结耗尽区内实现了载流子分布的反转，由于电子的迁移速度比空穴的迁移速度快，在有源区发生辐射、复合，发射出荧光，在一定的条件下发生激光，这是一种只能以脉冲形式工作的LD。LD发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs， GaAlAs所组成，最先出现的是单异质结构激光器(1969年)。单异质结注入型激光器(SHLD)是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP-N结的P区之内，以此来降低阀值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个数量级，但是单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。随着异质结激光器的研究发展，人们想到将超薄膜(< 20nm)的半导体层作为激光器的激活层，可以产生量子效应，于是在1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了LD的各种性能。后来，又由于MOCVD，MBE生长技术的成熟，能生长出高质量超精细薄层材料，之后，便成功地研制出了性能更加良好
1
的量子阱激光器，量子阱半导体激光器与双异质结(DH)激光器相比，它具有阈值电流低、输出功率高，频率响应好，光谱线窄和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。
从20世纪70年代末开始，LD明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器。另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。在泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器在20世纪90年代取得了突破性进展其标志是半导体激光器的输出功率显著增加，国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化，国内样品器件输出已达到600W。如果从激光波段的被扩展的角度来看，先是红外半导体激光器，接着是670nm红光半导体激光器大量进入应用，接着，波长为650nm，635nm的问世，蓝绿光、蓝光半导体激光器也相继研制成功。为适应各种应用而发展起来的半导体激光器还有可调谐半导体激光器，另外，还有高功率无铝激光器(从半导体激光器中除去铝，以获得更高输出功率，更长寿命和更低造价的管子)、中红外半导体激光器和量子级联激光器等等。其中，可调谐半导体激光器是通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，可以很方便地对输出光束进行调制。
20世纪90年代出现并特别值得一提的是面发射激光器(SEL)，早在1977年，人们就提出了所谓的面发射激光器，并于1979年做出了第一个器件，1987年做出了用光泵浦的780nm的面发射激光器。1998年GaInAIP/GaA面发射激光器在室温下达到亚毫安的网电流，8mW的输出功率和11%的转换效率。前面谈到的LD，从腔体结构上来说，不论是F-P(法布里一泊罗)腔或是DBR(分布布拉格反射式)腔，激光输出都是在水平方向，统称为水平腔结构。它们都是沿着衬底片的平行方向出光的。而面发射激光器却是在芯片上下表面镀上反射膜构成了垂直方向的F-P腔，光输出沿着垂直于衬底片的方向发出，垂直腔面发射半导体激光器(VCSEIS)是一种新型的量子阱激光器，它的激射阔值电流低，输出光的方向性好，藕合效率高，能得到相当强的光功率输出，垂直腔面发射激光器已实现了工作温度最高达71 ℃。20世纪90年代末，面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展，且已考虑了在超并行光电子学中的多种应用。980nm，850nm和780nm的器件在光学系统中已经实用化。目前，垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络。为了满足21世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要，半导体激光器的发展趋势主要在高速宽带LD、大功率LD，短波长LD，量子点激光器、中红外LD等方面。目前，在这些方面取得了一系列重大的成果[1] 。
1.3 LED发展的必要意义
在我国目前最常见的路灯照明光源为高压放电(HID)型式，如高压钠灯、金卤灯以及低压钠灯和高压汞灯等。 其缺点是：
1. 传统路灯的光源中含有重金属物质，污染环境，而且光源为球形发光，光发散不
2
易控，光线易溢出指定照射区域，所以形成光污染；
2. 传统路灯光源的能耗是LED的5-10倍，在我们国家照明用电约占总电量的12%。如果按保守估计，2010年我国总发电量将达到30000亿度，照明用电约3600亿度，其中将近70%的用于道路照明。如能节约一半的道路照明用电将近1300亿度，相当于三峡电站的年发电量的1.5倍；
3. 在显色性方面：传统路灯较差，显色指数只能达到20-40左右；
4. 在均匀度方面：传统路灯均匀度低，垂直照度虽可达道路照明标准，但边缘照度远远低于垂直照度，均匀度差，不能达到道路照明标准；
5. 传统路灯只能达到“亮”的层次，谈不上照明“质”的层次。传统路灯光的方向不可控，在路面形成圆形光斑，产生局部阴影，照明效果不佳，对行人和车辆驾驶人员在视觉方面造成影响，容易产生交通事故。
随着高亮度白光发光二极管(LED)的技术不断进步，大功率的LED照明技术日趋成熟，目前已经商业化的大功率白光LED光源，每灯可达到80到120 lm的光度输出，效率大约在80 lm/W，在以后估计可以到达每灯管200 lm，发光效率则可望达到160 lm/W。另外LED光源具有器件性能稳定、高效、节能、长寿命、显色指数较好等优点。此外，在节能环保的巨大压力下，国外政府采取相关政策鼓励和推广LED照明产品应用。2005年12月日本出台改善与提高能源使用的促进税法，明确规定企业或机构使用LED照明取代白炽灯照明，可获得投资额130%超额折旧，或者是投资额7%的税率减免；欧盟2006年7月开始实施RoHs法案，限制含汞的荧光灯管的使用；美国加州立法者提议到2012年实行白炽灯禁止令；2007年2月澳大利亚政府宣布将逐步淘汰白炽灯；我国台湾2012年限制白炽灯的使用；国家发改委、财政部、科技部等部门正在努力推动LED产品取代传统的白炽灯和高压钠灯等传统光源，并确立了到2015年实现节能260亿元人民币的目标。在技术和政策的推动了LED路灯成为替代传统路灯的首选。下面我们就LED路灯与传统路灯(高压钠灯)对比在主要性能方面的优点有：
1. 环保：LED是全固体发光体，可以承受高强度机械冲击和震动，不易破碎，废弃物便于回收。而且LED光源本身不含汞、铅等有害物质，无红外和紫外污染，不会在生产和使用中产生对外界的污染。使用太阳能电池供电，会更有利于环保； 2. 节能：发光效率高，灯具反射损失低，节省能源70%；在同样亮度下耗电量仅为普通白炽灯的1/10；
3. 寿命长，维护成本低 ：LED理论寿命超过10万小时，LED路灯的实际使用寿命在5万小时以上，是高压钠灯15倍以上的寿命，维护费用低；
4. 显色性佳：LED路灯的色温可以在4000-7000K之间灵活选择，显色指数最可达80以上，发光颜色更接近于自然光，路面看起来更明亮，感觉更舒适，驾驶人员也感觉更安全；
3
5. 光效利用率高：LED光源利用率高，约为90%，LED发光角度同灯具的发光角度可保持一致，LED路灯的光可以直接照射到指定区域，光源利用率高； 6. 启动时间短：LED路灯将不存在启动延时问题，可随时接通，随时工作，能够非常方便地实现智能化节能控制；
7. 供电系统：LED路灯用专用驱动模块，不需要大型的变压器，整个驱动器能实现恒流驱动，保证了电压变化时LED路灯亮度不变。另外，驱动器有许多保护功能，在异常情况下，保障整个电网的可靠性；
同时，作为低压灯具，安全性好也是LED的突出优点。基于LED在节能、减排、环保等方面的独特优势，半导体照明被誉为人类照明的第三次革命，其应用领域也正在被快速拓展。至于在LED路灯方面，据业界统计，全球整体路灯市场规模目前约1.6亿盏，其中，我国占1700万盏，预估08年全球LED路灯照明市场规模约91万盏，其中，我国占有超过50%的路灯装置需求，另从产值的角度来看，今年全球LED路灯总产值约10亿美元，中国是目前全球城市化进程最快的国家之一，可以预料在未来的数十年内，全国各地对于大功率、高亮度、节能的LED路灯产品的市场需求是极其庞大的。
目前路灯应用市场已经启动，随着效率的进一步提高和技术的日趋完善，将有很快的发展，市场前景更为看好。面对难得的发展机遇和市场需要，LED路灯虽然还存在不足之处，如没有统一的标准等问题，但是由于节能环保的特点LED路灯的发展已经形成一种趋势[1]。
从上面LED和LD的发展史中，我们可以看出LED灯比常规的照明灯有更多的优点，所以早在1956年，我国提出“向科学进军”，根据国外发展电子器件的进程，提出来中国也要研究半导体科学，把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。但是LED技术也有一些缺点，比如说它的散热性较差，不适宜于长期使用，本文将探究一下相关问题的解决办法。
1.4 本文工作及章节安排
因此，想要有效的发展LED及LD技术，真正理解LED和LD的基本结构以及发光原理和相关特性是有必要的。本文的目的就是在基本结构的基础上，了解其发光原理以及一些应用，让我们以后可以更好的发展LED和LD技术。第一章绪论主要介绍LED和LD的历史发展背景以及课题的研究内容及目的；第二章则主要讲述了LED和LD的基本结构和发光原理以及一些相关特性；第三章则是对LED的相关特性做的一些测试实验；第四章是对目前LED灯存在的问题做的一个改进，使得它的应用范围更加广泛，最后结论，对本文所做的工作进行总结归纳，并提出本文有待解决的一些问题和进一步的研究方向。
4
第2章LED与LD理论基础
LED和LD都是在半导体的基础上发展起来的，但是两者的区别却较大，以下从LED和LD的基本理论知识来讲述。
2.1复合方式
复合方式指的是半导体材料中电子或载流子的状态。 1.带间复合
半导体材料中导带底的电子同导带顶的空穴复合，其能量大小为：
hc （2-1） hvEg所以有：
hc1.24EgEg （2-2）
式(2-1)和(2-2)中 和
Eg的单位分别为m和eV。[2]
一般来说，载流子不完全位于导带底最低处和导带顶最高处，而是导带底和价带顶附近的载流子都会参与这种带间复合，因而这种带间复合的发射光谱具有一定的宽度。
2.浅杂志与带间的复合
浅施主-价带，导带-浅受主间的载流子复合产生的辐射光为边缘发射，其光子能量总比禁带宽度小。 3.施主-受主复合
施主能级上的电子同受主能级上的空穴复合产生辐射复合，其光子能量小于，简称对复合。
在某些情况下，晶体中的电子和空穴可以稳定地结合在一起，形成一个中性“准粒子”，能在晶体中作为一个整体存在，这种“准粒子”就叫做激子。 5.深能级复合和等电子陷阱复合 以等电子杂质替代晶格基质原子，因其原子大小和电负性等性质与基质原子不同，造成电子和空穴的束缚态，其作用好象陷阱，故通常称之为等电子陷阱。利用等电子陷阱复合，可以使间接带隙材料的发光效率得到提高。等电子中心是半导体中的一种深能级杂质所产生的一种特殊的束缚状态。
等电子杂质与所取代的基质原子具有相同价电子数目的一类杂质；一般不是电活性的，在半导体中不应产生能级状态。等电子杂质有时在禁带中可产生出能够起陷阱作用的深能级，故又称等电子中心为等电子陷阱。 6.自发辐射
处于激发态的原子中，电子在激发态能级上只能停留一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出一个光子，这种辐射叫做自发辐射。自发辐射
Eg4.激子复合
5
是不受外界辐射场影响的自发过程，各个原子在自发跃迁过程中是彼此无关的，不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性。 7.受激辐射
原来处在高能级的原子，还可以在其他光子的刺激或感应下，跃迁到低能级，同时发射出一个同样能量的光子。由于这一过程是在外来光子的刺激下产生的，所以被称为受激辐射[3]。
2.2 LED和LD的理论知识
2.2.1 LED与LD基本结构
LED主要由P-N结芯片、电极和光学系统组成。当在电极上加正向偏置电压之后，电子和空穴分别注入P区和N区。当处于不平衡状态下的少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射的形式将多余的能量转化为光能。
LD的物理结构是在发光二极管的结间安置一层具有光活性的半导体，其端面经过抛光后具有部分反射功能，因而形成一光谐振腔。在正向偏置的情况下，LED结发射出光来并与光谐振腔相互作用，从而进一步激励从结上发射出单波长的光，这种光的物理性质与材料有关。
图2-1 LED的基本结构图
图2-2 LD的结构图
6
2.2.2 LED和LD的发光原理 发光二极管的发光原理：发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为P-N结。在某些半导体材料的P-N结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。P-N结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。 激光二极管的发光原理：半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的P-N结加有正向电压时，会削弱P-N结势垒，迫使电子从N区经P-N结注入P区，空穴从P区经过P-N结注入N区，这些注入P-N结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式如下： hcEg式中：h—普朗克常数；c—光速；g (2-3) —半导体的禁带宽度。 上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子-空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从P-N结发出具有良好谱线的相干光-激光，这就是激光二极管的发光原理。
2.3 LED的相关特性
LED是利用化合物材料制成P-N结的光电器件。它具备P-N结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。
2.3.1 LED电学特性
1. I-V特性：表征LED芯片P-N结制备性能主要参数。LED的I-V特性具有非线性
和整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。
7
图2-3 LED的I-V特性曲线
(1)正向死区：(图oa或oa′段)a点对于V0为开启电压 (2)正向工作区：电流IF与外加电压呈指数关系
(3)反向死区：V<0时P-N结加反偏压V=-VR时，反向漏电流IR(V=-5V)时，GaP为0V，GaN为10μA。
(4)反向击穿区V<-VR，VR称为反向击穿电压；VR电压对应IR为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V<-VR时，则出现IR突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。 2. LED功率消耗
当流过LED的电流为IF、管压降为UF时，则功率消耗为P=UF×IF
LED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。若结温为Tj，外部环境温度为Ta，则当Tj>Ta时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量(功率)，可表示为
3. 响应时间
响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。
(1)响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间， (2)响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。
LED的点亮时间-上升时间tr是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。
LED的熄灭时间-下降时间tf是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。 不同材料制得的LED响应时间各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs其响应时间<10-9s，GaP为10-7s。因此它们可用在10-100MHz高频系统。[4]
8
(ja) (2-4)
2.3.2 LED光学特性
发光二极管有红外(非可见)与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光
度学来量度其光学特性。 1. 发光法向光强及其角分布
(1)发光强度(法向光强)是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。
(2)发光强度的角分布是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺(包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否)。
①为获得高指向性的角分布可以使LED管芯位置离模粒头远些，或者使用圆锥状(子弹头)的模粒头，以及封装的环氧树脂中勿加散射剂。 采取上述措施可使LED大大提高了指向性。
②当前几种常用封装的散射角圆形LED：5°、10°、30°、45°。 2. 发光峰值波长及其光谱分布
(1)LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线--光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及P-N结结构(外延层厚度、掺杂杂质)等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。
(2)谱线宽度：在LED谱线的峰值两侧±Δλ处，存在两个光强等于峰值(最大光强度)一半的点，此两点分别对应λP-Δλ，λP+Δλ之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。半高宽度反映谱线宽窄，即LED单色性的参数，LED半宽小于40nm。
(3)主波长：有的LED发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长；甚至有多个峰值，并非单色光。为此描述LED色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的，由LED发出主要单色光的波长。单色性越好，则λP也就是主波长。 如GaP材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，它会随着LED长期工作，结温升高而主波长偏向长波。 3. 发光效率和视觉灵敏度
(1)LED效率有内部效率(P-N结附近由电能转化成光能的效率)与外部效率(辐射到外部的效率)。前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。LED最重要的特性是用辐射出光能量(发光量)与输入电能之比，即发光效率。
(2)视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量。人的视觉灵敏度在λ=555nm处有一个最大值680 lm/w。若视觉灵敏度记为Kλ，则发光能量P与可见光通量F之间关系为
9
d (2-5)
Fd式为：
(2-6)
(3)发光效率-量子效率η是指发射的光子数与P-N结载流子数之间的比值，公
(e/hcI)∫dλ (2-7)
若输入能量为WUI，则发光能量效率PPW,若光子能量hcev,则
P。
（4）流明效率：是指LED的光通量F与外加三极管耗电功率的比值，WKP它是评价具有外封装LED特性，LED的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率[5]。
下列出几种常见LED流明效率(可见光发光效率)：
表2-1 常见LED流明效率
由于LED材料折射率很高。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时(无环氧封装)若垂直入射，被空气反射，反射出的占32%，鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。
2.3.3热学特性
LED的光学参数与P-N结结温有很大的关系。一般工作在小电流IF<10mA，或
者10-20mA长时间连续点亮LED升温不明显。若环境温度较高，LED的主波长或λP就会向长波长漂移，bo也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。
LED的主波长随温度关系可表示为
10
(2-8)
由式2-7可知，每当结温升高10℃，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED长期工作。
2.4 LD的相关特性
2.4.1同质结、异质结半导体激光器结构
1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 (1)伏安特性
GaAs激光器的伏安特性与二极管相同，也具有单向导电性。激光器系正向使用，其电阻主要取决于晶体体电阻和接触电阻，其阻值虽然不大，但因工作电流密度大，不能忽略它的影响。 (2)阈值电流密度
影响阈值电流密度的因素有：①晶体的掺杂浓度越大，阈值越小；②谐振腔的损耗越小，阈值越小；③在一定范围内，腔长越长，阈值越低；④温度对阈值电流的影响很大,半导体激光器宜在低温或室温下工作。同质结半导体激光器的阈值电流密度很高，达30000-50000A/cm²。这样高的电流密度，将使器件发热。因此，在室温下，同质结半导体激光器只能以低重复率(几千赫兹至几十千赫兹)脉冲工作。 (3)方向性
由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，特别是在结的垂直平面内，发散角很大，可达20º-30º。在结的水平面内，发散角约为几度。 (4)光谱特性
半导体激光的谱宽尽管比荧光窄得多，但比气体和固体激光器要宽得多。随着新器件的出现，谱宽已有所改善，如分布反馈式激光器的线宽，只有0.1nm左右。
2. 异质结半导体激光器
由不同材料的P型半导体和N型半导体构成的P-N结叫做异质结。为了克服同质结半导体激光器的缺点，提高功率和效率，降低阈值电流，研制出了异质结半导体激光器。
(1)单异质结半导体激光器
单异质结是由P-GaAs与P-GaAlAs形成的。电子由N区注入P-GaAs，由于异质结高势垒的限制，激活区厚度d≈2μm；同时，因P-GaAlAs折射率小，“光波导效应”显著，将光波传输限制在激活区内。这两个因素使得单异质结激光器的
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阈值电流密度降低了1-2个数量级，约8000A/cm²。 （2）双异质结半导体激光器
双异质结半导体激光器指的是在激活区两侧，有两个异质结，双异质结激光器激活区内注入的电子和空穴，由于两侧高势垒的限制，深度剧增，激活区厚度变窄，d≈0.5μm，同时，由于激活区两侧折射率差都很大，“光波导效率”非常显著，使光波传输损耗大大减小，所以双异质结激光器的阈值电流密度更低，可降到100-1000A/cm²。室温下可获得几毫瓦至几十毫瓦的连续功率输出。
图2-4 GaAs激光器基本结构
2.4.2 LD的主要参数
波长nm：激光器工作波长，例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。
阈值电流Ith：LD开始产生激光振荡的电流，对小功率激光器而言其值约在数十毫安。
工作电流Iop：LD达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。
垂直发散角θ⊥：LD的发光带在与P-N结垂直方向张开的角度，一般在15°-40°左右。
水平发散角θ∥：LD的发光带在与P-N结平行方向张开的角度，一般在6°-10°左右。
监控电流Im ：LD在额定输出功率时在PIN管上流过的电流。
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2.5 各种类型的半导体激光器
1. 条形激光器：其命名方式是从它们谐振腔的形状来命名的。通常有两种方式形成条形，一种是通过将电极作为条形栅极，使得进入的电流基本就为条形的栅极区域。对于这种本身波导层为平板型而有电流范围控制谐振腔形状的激光器，由于半导体的特殊的载流子控制折射率的性质，通常会出现对激光器不利得增益波导结构，其原因在于半导体中载流子浓度越高则折射率就越小，所以激光器通电以后在条形栅极的下方有电注入的多余载流子，使得其浓度高于两侧的，因而中间有电流流过的地方折射率高于两侧，对光在该两侧没有限制作用反而会使光子发生外泄，对增益放大不利，因此对这种条形激光器进行了改进，即出现了第二种条形激光器，折射率波导的条形激光器，该结构是将原来的平板型波导的未限制的两侧改为另一种折射率更低的宽禁带材料，使得光子被限制在条形之内，这要就改进了前面提到的不足之处。这种结构当然在设计时，需要一些特殊的衬底结构才能形成折射率波导。
2. 半导体量子阱激光：提到量子阱激光器，不得不先谈到在出现它之前一个重要的半导体激光器结构—分离限制双异质结激光器，其在双异质结激光器的基础上改进了有源区的结构，在内层的窄禁带材料中又加入的一层禁带宽度更小的半导体材料，这样载流子将在这层禁带宽度最小的材料中发生辐射复合以及受激发射实现光放大，而通过两层窄禁带材料折射率的变化，将光基本完全限制在两层窄禁带中，并实现有源层和导波层的分离。量子阱激光器则是在此基础上将有源层的厚度做小，小到电子的德布罗伊波长的量级，产生量子限制限制效应，窄禁带材料的导带和价带沿生长方向能级发生分立，最总形成导带电子最低能级与重空穴带分立的空穴最低能级之间的辐射复合，经研究表明，这种结构中由于能级分立和二维激子的存在，不单降低了俄歇复合，提高了内量子效率，而且使得辐射光谱变得更加窄，更是大大降低了阈值电流。
3. DFB和DBR激光器：电子空穴分别从P区和N区注入中间为掺杂的GaAs中发生辐射复合，产生光子。由于异质结的折射率差ΔN能够提供波导结构，对于光波在高折射率的摘禁带材料中传播具有光限制作用，防止了光波外泄，在自发辐射条件下其为异质结LED的基本工作原理，对于半导体激光器，还需要在结区的端面出光的方向上形成谐振腔，使得光在腔中来回振荡进行纵模选择并实现受激发射光放大。一般的半导体谐振腔结构为F-P谐振腔，后来又发展了DFB和DBR的谐振腔。F-P谐振腔是半导体材料的两个解理面构成，DFB和DBR激光器是通过光栅结构实现选模，其不同之处在于DFB为分布反馈式，光栅为内光栅，在有源层内的波导层上，DBR为分布布拉格发射式激光器，光栅在有源层两端外的波导层上形成。
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4. 面发射激光器：随着激光器功率的不断提高，激光器内部发热量的不断增加，要求我们提高散热效率、降低单位面积发热功率，在这种情况下就发明了面发射激光器。其主要的改进在于出光端面，上面提到的所有激光器基本都是做成的条形结构或平板结构，并采用沿平行波导或者说是异质结界面的端面出光，这要使得内部发热功率很高，在大功率工作条件下很容易烧毁，而改用面发射之后，出光面改为为异质结的生长方向出光，大大增加了出光面积，而是发热功率以及散热性都得到大幅改善。其在出光方向上的谐振实现光放大类似DBR激光器的结构，采用布拉格光栅实现纵模振荡和光放大[6]。
2.6 LED与LD的区别
根据上面的讲述，我们可以知道二者在原理、架构、效能上的差别。 1. 工作原理上：LED是自发辐射复合发光，而LD是受激辐射复合发光。 2. 架构上：LD有光学谐振腔，使产生的光子在腔内振荡放大，LED没有谐振腔。 3. 效能上 ：LED没有临界值，光谱密度比LD高，LED发出光功率小，发散角大。 综上所述，相比对LD而言，LED具有其自身特点：不存在临界值特征 、不存在型态配置杂讯 、工作稳定且无需温控 、工作寿命长 、成品率高，价格便宜。
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第3章 实验条件下LED和LD的相关特性
光纤通信中的有源光电子器件主要是关于光的发送和接收，发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)是最重要的光发送器件。
3.1 LED和LD的P-I特性与发光效率
图3-1是LED和LD的P-I特性曲线。LED是自发辐射光，所以P-I曲线的线性范围较大。LD有一阈值电流Ith，当I>Ith时才发出激光。在Ith以上，光功率P随I线性增加。
阈值电流是评定半导体激光器性能的一个主要参数，我们可以采用两段直线拟合法对其进行测定。如图3-2所示，将阈值前与后的两段直线分别延长并相交，其交点所对应的电流即为阈值电流Ith。
发光效率是描述LED和LD电光能量转换的重要参数，发光效率可分为功率效率和量子效率。功率效率定义为发光功率和输入电功率之比，以ηω表示。量子效率分为内量子效率和外量子效率。内量子效率定义为单位时间内辐射复合产生的光子数与注入P-N结的电子-空穴对数之比。外量子效率定义为单位时间内输出的光子数与注入到P-N结的电子-空穴对数之比。
图3-1 LD和LED的P-I特性曲线
(a) LD的P-I特性曲线 (b) LED的 特性曲线
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图3-2 两段直线拟合法测量LD阈值电流
3.2 LED和LD的光谱特性
LED没有光学谐振腔选择波长，它的光谱是以自发辐射为主的光谱，图3-3为LED的典型光谱曲线。发光光谱曲线上发光强度最大处所对应的波长为发光峰值波长λP，光谱曲线上两个半光强点所对应的波长差Δλ为LED谱线宽度(简称谱宽)，其典型值在30-40nm之间。由图3-3可以看到，当器件工作温度升高时，光谱曲线随之向右移动，从λP的变化可以求出LED的波长温度系数。
图3-3 LED光谱特性曲线
激光二极管的发射光谱取决于激光器光腔的特定参数，大多数常规的增益或折射率导引器件具有多个峰的光谱，如图3-4所示。激光二极管的波长可以定义为它的光谱的统计加权。在规定输出光功率时，光谱内若干发射模式中最大强度的光谱波长被定义为峰值波长λP ，对诸如DFB、DBR型LD来说，它的λP相当明显。一个激光二极管能够维持的光谱线数目取决于光腔的结构和工作电流。
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图3-4 LD光谱特性曲线
3.3 LED和LD的调制特性
当在规定的直流正向工作电流下，对LED进行数字脉冲或模拟信号电流调制，便可实现对输出光功率的调制。LED有两种调制方式，分别是数字调制和模拟调制，图3-5示出这两种调制方式。调制频率或调制带宽是光通信用LED的重要参数之一，它关系到LED在光通信中的传输速度大小，LED因受到有源区内少数载流子寿命的限制，其调制的最高频率通常只有几十兆赫兹，从而限制了LED在高比特速率系统中的应用，但是，通过合理设计和优化的驱动电路，LED也有可能用于高速光纤通信系统。调制带宽是衡量LED的调制能力，其定义是在保证调制度不变的情况下，当LED输出的交流光功率下降到某一低频参考频率值的一半时(-3dB)的频率就是LED的调制带宽。
图5：LED调制特性
图3-5 LED调制特性
图(a) LED的数字调制 图(b) LED的模拟调制
在LD的调制过程中存在以下两种物理机制影响其调制特性：
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1. 增益饱和效应。当注入电流增大，因而光子数P增大时，增益G出现饱和现象，饱和的物理机制源于空间烧孔、谱烧孔、载流子加热和双光子吸收等因素。谱烧孔也称带内增益饱和。这些因素导致P增大时G的减小。
2. 线性调频效应。当注入电流为时变电流对激光器进行调制时，载流子数、光增益和有源区折射率均随之而变，载流子数的变化导致模折射率五和传播常数的变化，因此产生了相位调制，它导致了与单纵模相关的光(频)谱加宽，又称线宽增强因子。
3.4小结
从LED和LD的相关特性图可以看出来，LED和LD在P-I曲线图，光谱特性以及调制特性方面，两者的区别较大。
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第4章 新型大功率LED照明灯散热技术
4.1 目前LED灯存在的问题
目前，由于LED灯照明有节电、环保、长寿命等优点，而被公认为在以后的照明技术中占据重要地位。但是，LED有70%之多的电能转化为热能，必须散热。虽然LED发光技术已有飞跃发展，有每瓦发光达200 lm的报道，但LED散热却是LED照明中非常头痛的问题，成了LED照明灯普及发展道路上的拦路虎。
本文提出了一种LED路灯全新设计方案：散热器由数量较多的太阳花式散热片拼组而成，每个散热片上配装一光模组——灯芯，可现场便捷地拆装维护，IP级防水密封在灯芯内完成，结构简单可靠，便于实现模块标准化；外壳不仅结构简单、外形美观，而且还具有烟囱效果，进一步提高散热效果，有效解决了LED芯片的散热问题
4.2设计产品的样式以及优点
图4-1 传统的路灯结构
图4-1所示LED路灯是当前最典型、最普遍采用的结构：散热片裸露，大张的设有LED光源芯片的铝基板，贴装在散热片基板上（下方），再加前透明护罩。 这种结构设计有如下问题：
1. 散热主要是自然对流传热，空气对流流经散热肋片将热量带走，因而空气对流畅通非常重要，自然对流是自下往上而流动，散热片应设计成让空气自下而上穿过散热肋片。但图4-1所示当前LED路灯的散热片，空气对流不畅，对流冷空气不易均匀地流经整个散热肋片，在散热片的中心处，空气温度高，散热效果差（表面对流传热系数低下），并且随着散热片外尺寸加大，其对流传热效果进一步恶化。散热片尺寸加大一倍，但其散热效果并不增加一倍，也就是说：图4-1所示结构的LED路灯，功率越大，其散热片尺寸必须加倍地增大。
2. 散热肋片之间的间距没有优化。在自然对流散热过程中，不是一味地增加散热片面积（加密散热肋片间距），就能提高散热量，当肋片加密到某一值（最佳值）时，再增加，散热量反而下降。
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以上问题所致的结果：散热效果低，LED结温高；散热片的尺寸大（即路灯尺寸大），重量沉（十多公斤），散热成本高居不下。
图4-2所示的全新架构的LED路灯由十个太阳花式散热片拼组构成，散热器固定在下壳上，每个太阳花式散热片配有一个LED光模组，此称为灯芯，通过一颗螺栓固定在每个散热片上。图4-3是拆卸开的模型，外壳由上下壳构成，在前端由一合页连接，外壳内分隔有独立的电源室，只需一螺丝刀就可便捷打开，顺利地拆装灯芯（光模组）和电源。本文提出的LED路灯不仅外形美观，结构也非常简单。
图4-2 全新架构的LED路灯外观图
图4-4表示出了该灯芯（光模组）的设计视图。 图4-5所示的太阳花式散热片，它有如下优点： 1. 肋化效率高，有利于减少铝材用量；
2. 空气流通截面积大，有利于减小空气流动阻力，有利于提高空气流量，提高散热量；
3. 发热的芯片热源离散热肋片距离近，即散热片内的导热（热传输）距离近，则散热片内导热热阻低，可以有效的降低LED灯片的温度；
容易加工制造，采用铝挤出成形，再裁切而成，这使得产品的加工成本低。因而太阳花式散热片为LED照明灯的最佳散热结构。
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图4-3打开上壳的视图
图4-4 灯芯设计视图
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图4-5 太阳花式散热片
4.3 设计产品的优化原理以及分析
散热过程最终是热量传到空气中，由空气流动（对流）将热量带走，散热片的辐射传热所占的分量非常低，因而不于考虑。空气流动带走的热量（即散热量）Q：
QCPMT2T1 (4-1)
Cp—空气的比热，为定值。M—空气流量。(T2-T1)—散热片出口处空气温度T2与进口处空气温度T1的温差，出口处空气温度T2最高不超过散热片的壁面温度Tw，即(T2-T1)有最大可能的数值。
从式(4-1)可以分析得出，最有效提高散热量的方向是提高空气流量。
自然对流传热过程中，驱动空气流动的动力是：空气受热温度升高，比重下降而产生的浮力F：
FVg(oa)dvVgo(1)dv (4-2)
g—重力加速度。ρ—空气密度。V—散热器的体积。Ｔ0—环境大气温度。Ｔa—散热器内的空气温度。空气流经散热片，散热片产生的阻力F：
FSgu2ds (4-3)
S—空气流经的表面积，即散热片的散热面积。α—流动阻力系数，与散热片的结构，空气流动形式密切相关。u—空气在散热片内的流动速度，流速u越高空气流量也就越大。散热片的散热量Q还应满足以下公式：
QShTwTads (4-4)
h—对流传热系数。(Tw—Ta)—散热片壁面温度Tw与散热片内的空气温度Ta的差值，散热片的温度Tw受LED芯片结点温度的限制。以上四个公式约束着自然对流散热过程，浮力F应等于流动阻力再加空气动量增加（ρ2）。
从式(4-1)可以看出，流量M增加，有利于散热量Q的提高，浮力F要求下降，从式(4-2)可以分析得出，散热片中的空气温度Ta可降低，又从式(4-3)可以看出：有
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利散热量Q的提高，这说明降低流动阻力，从各方面来讲，都对散热量Q提高有利。降低流动阻力系数α，能有效降低流动阻力。当散热片的肋片，上下竖立设置，空气由下向上直接穿过散热片时，低温空气直接进入散热肋片，由式(4-4)，有利于对流传热；空气的流动方向与浮力方向一致，阻力最小。因而散热片应设计成上下贯通的结构，避免空气弯曲流动，涡流出现。依据式(4-3)，流动阻力与空气在散热片中的流速的平方成正比，因而降低流速能有效降低流动阻力。增大空气在散热片中的流通面积，既能不减小空气流量M，又能降低流速。太阳花式结构散热片，如图4-5所示，LED芯片将集中在中心导热柱截面上，不仅发热源(LED芯片)离散热肋片根距离近，则导热柱内导热热阻小，而且LED芯片集中，所占的截面积小，即空气的有效流通面积大，因而有利于流动阻力减小。
这说明：太阳花式结构的散热片，是LED灯散热的最佳结构。从制造方面讲，采用铝挤出工艺，制造出太阳花铝型材，再裁切就成了散热片，可制造出各种外形的散热片，生产效率高，工序少，造价也就低。
由式(4-2)分析：如果散热器的体积V一定，所占空间尺寸一定，散热器中的空气温度Ｔa提高，有利于提高浮力F，但从式(4-4)得出，却不利于散热肋片与空气的对流传热（即散热）。从式(4-4)中分析，通过增加散热肋片数量（即肋片密度），来提高散热面积S，有利于提高散热量，但从式(4-3)分析，却相应地提高了流动阻力F。
以上分析说明：在自然对流传热中，通过增加散热肋片密度(减小肋片之间的间隙)来增加散热面积，以达到提高散热量的目的，但存在着相反、矛盾的因素，因而散热量提高有限，甚至有可能得到降低散热量的相反结果。
可以得出结论：当散热片所占空间尺寸一定时，存在一最大自然对流散热量，相对应就有着最佳肋片结构（肋片密度），最大散热量与散热片的流通截面积成正比。本文作者经过大量的实验证实了该结论，并总结有最佳肋片密度的计算经验公式，可以计算出优化的LED灯散热片。在散热片的上方设置对流罩，由式(4-1)可得，有利散热量提高。抽吸力与对流罩内的体积V成正比，提高对流罩内的空气温度，有助于提高抽吸力。进一步的分析还可得出：要有高的抽吸力，散热片应尽可能设置在对流罩最低端，散热片要紧奏。
根据以上得出的结论，对流罩的抽吸力与对流罩内的体积V成正比，因而对于某些情况下，比如由于装饰需要，灯具的高度尺寸有限制，可以通过增加截面积尺寸，达到同等的体积，同等的抽吸力。在产品设计时，可以充分利用灯具上的灯罩作为对流罩，既有装饰作用，又有强化提高散热量的作用。
对于筒灯，自然地将灯筒设计成对流罩。比较先进的LED路灯，散热片为10个等六边形太阳花式散热片，采用蜂窝型结构拼合成，设置有大尺寸的后壳，后壳顶开有通气孔，后壳就构成了对流罩。对流罩竖立设置时，对流罩的抽吸作用最有效，散热片采用太阳花式，LED芯只能朝上或朝下，对流罩采用透明材料制成，此时对流
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罩就是灯罩，LED芯朝上，对流罩内设置有反射镜，从LED芯发出的朝上的光线，经反射镜反射成平射，如果反射镜的反射角可调，就可调动光线的平射角。
4.4 小结
这一章，首先了解LED灯在实际应用中的缺点，然后深入探究，掌握其中影响的关键因素，通过对LED灯灯芯的设计改造，让它在散热方面有了质的提升，使得LED的应用范围更加广阔。
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致谢
经过一个多月的时间，我搜集资料，查找相关内容，在此我要衷心地感谢我的论文指导老师—李鸣老师，从选题的确定、论文资料的收集、论文框架的确定、开题报告准备及论文初稿与定稿中对字句的斟酌倾注的大量心血，他每隔一段时间就会问我们论文的进展情况，然后给出自己的建议，在我对论文从一筹莫展的时候，有了清楚明晰的思路，都是他指导我一步步走到现在。李鸣老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。每次交上去的开题报告或是论文初稿，老师都要亲自修改很多遍，然后一一给出修改意见，供我进一步地修改论文。
我不仅感激老师认真地指导我完成毕业论文，而且还要感激老师平时在学习和生活上对我的谆谆教诲，他一丝不苟的教学作风和平易近人的性格给我留下了深刻的映像，他教会我学习是件很苦的差事，但只要肯努力，肯钻研，就能一步一步地掌握知识，甚至驾驭知识，进而从学习中得到乐趣。同时老师还教会我做人处事的道理，生活中我们会遇到很多难以解决的事，也会和你身边的人发生或多或少的冲突，这时候我们应该多站在别人的角度去想问题，多体谅别人，找到自己的不足，李鸣老师让我看到了什么是“平易近人”。
在这里，还要特别感谢大学四年学习期间给我诸多教诲和帮助的各位老师，你们给予我的指导和教诲我将永远记在心里！
转眼间大学四年已经悄然而逝，回首大学四年的生活，除了要感谢我的老师们外，还离不开同学的帮助和支持，课下我们一起生活和学习，在一起谈天说地，发表每个人对人生、对理想、对未来的种种见解，在这里我们意气风发，我们展望未来，为自己未来的蓝图添砖加瓦，在这里我们的思想擦出璀璨的火花。我们从高中生的稚嫩成长为现在这样一个有见地、有思想的当代大学生，我们要感谢四年的大学生活，四年过去了，我们都长大了。那么我还要感谢我的同学，是你他们陪我走完了这四个难忘的春夏秋冬。
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