LED与LD发光特性与结构研究

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1、武汉轻工大学毕 业 设 计（论 文）设计题目：LED与LD发光特性与构造研究姓 名 张卫 学 号 院（系） 电气与电子工程学院 专 业 电子信息科学与技术 指引教师 李鸣 6月7日目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 LED及LD技术发展的由来11.2 LED及LD技术发展历程11.3 LED发展的必要意义21.4 本文工作及章节安排4第2章LED与LD理论基本52.1复合方式 52.2 LED和LD的理论知识62.2.1 LED与LD基本构造62.2.2 LED和LD的发光原理62.2.3 LED和LD的构造图片72.3 LED的有关特性82.4 LD的有关特性112.4.1同

2、质结、异质结半导体激光器构造 112.4.2激光半导体重要参数132.5 多种类型的激光器142.6 LED与LD的区别15第3章 实验条件下LED和LD的有关特性163.1 LED和LD的P-I特性与发光效率163.2 LED和LD的光谱特性173.3 LED和LD的调制特性183.4小结19第4章 新型大功率LED照明灯散热技术204.1 目前LED灯存在的问题204.2设计产品的样式以及长处204.3 设计产品的优化原理以及分析234.4 小结25道谢26参照文献27摘要本论文一方面讲述了二极管发展的由来，简介了二极管产业的现状和发展趋势以及应用状况，并学习二极管的基本构造，进而理解其发

3、光特性和多种特性参数，并对某些特性做了分析，在第四章，我们重要是对目前LED灯存在的问题作出改善，设计一种新的样式，使得LED灯的发展前景更加广阔。核心词：发光二极管；激光二极管；有关特性AbstractFirst 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

4、 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 dev

5、elopment. Key words:Light emitting diode;Laser diode;Relevant features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(lightemittingdiode 简称为LED)应当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L

6、ED的发展历程：50年前人们就已经理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批示光源，后来多种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了较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140w白炽灯作为光源，它产生lm的白光。经红色滤光片后，光损失只剩余200lm的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，涉及电路损失在内，共耗电14w，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

7、开发是继白热灯照明发展历史1以来的第二革命。从21世纪到目前，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年代初期浮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，在本来的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

8、第二阶段是异质构造半导体激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs，GaAlAs所构成，最先浮现的是单异质构造激光器(1969年)。单异质结注入型激光器(SHLD)是运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，以此来减少阀值电流密度，其数值比同质结激光器减少了一种数量级，但是单异质结激光器仍不能在室温下持续工作。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年浮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的多种性能。后来，又由于MOCVD，MBE生长技术的成熟，能生长出

9、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长处。 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年代获得了突破性进展其标志是半导体激光器的输出功率明显增长，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

10、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。为适应多种应用而发展起来的半导体激光器尚有可调谐半导体激光器，此外，尚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、压力等变化激光的波长，可以很以便地对输出光束进行调制。 20世纪90年代浮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年做出了第一种器件，1987年做出

11、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，从腔体构造上来说，不管是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，统称为水平腔构造。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，能得到相称强的光功率输出，垂直腔面发射激光器已实现了工作温度

12、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世纪信息传播宽带化、信息解决高速化、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重要在高速宽带LD、大功率LD，短波长LD，量子点激光器、中红外LD等方面。目前，在这些方面获得了一系列重大的成果1 。1.3 LED发展的必要意义在国内目前最常用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

13、灯等。其缺陷是： 1. 老式路灯的光源中具有重金属物质，污染环境，并且光源为球形发光，光发散不易控，光线易溢出指定照射区域，因此形成光污染；2. 老式路灯光源的能耗是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，国内总发电量将达到30000亿度，照明用电约3600亿度，其中将近70%的用于道路照明。如能节省一半的道路照明用电将近1300亿度，相称于三峡电站的年发电量的1.5倍；3. 在显色性方面：老式路灯较差，显色指数只能达到20-40左右；4. 在均匀度方面：老式路灯均匀度低，垂直照度虽可达道路照明原则，但边沿照度远远低于垂直照度，均匀度差，不能达到道路照明原则；

14、5. 老式路灯只能达到“亮”的层次，谈不上照明“质”的层次。老式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导致影响，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，效率大概在80 lm/W，在后来估计可以达到每灯管200 lm，发光效率则可望达到160 lm/W。此外LED光源具有器件性能稳定、高效、节能、长寿命、显色指数较好等长处。此外，在节能环保的巨大压力下，国外政府采用有关政策鼓励和推广LED照明产品应

15、用。12月日本出台改善与提高能源使用的增进税法，明确规定公司或机构使用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7月开始实行RoHs法案，限制含汞的荧光灯管的使用；美国加州立法者建议到实行白炽灯严禁令；2月澳大利亚政府宣布将逐渐裁减白炽灯；国内台湾限制白炽灯的使用；国家发改委、财政部、科技部等部门正在努力推动LED产品取代老式的白炽灯和高压钠灯等老式光源，并确立了到实现节能260亿元人民币的目的。在技术和政策的推动了LED路灯成为替代老式路灯的首选。下面我们就LED路灯与老式路灯(高压钠灯)对比在重要性能方面的长处有：1. 环保：LED是全固体发光

16、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。并且LED光源自身不含汞、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，会更有助于环保；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一般白炽灯的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，感觉更舒服，驾驶人员也感觉更安全；5

17、. 光效运用率高：LED光源运用率高，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，光源运用率高；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，可以非常以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。此外，驱动器有许多保护功能，在异常状况下，保障整个电网的可靠性；同步，作为低压灯具，安全性好也是LED的突出长处。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迅速拓展。

18、至于在LED路灯方面，据业界记录，全球整体路灯市场规模目前约1.6亿盏，其中，国内占1700万盏，预估全球LED路灯照明市场规模约91万盏，其中，国内占有超过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，中国是目前全球都市化进程最快的国家之一，可以预料在将来的数十年内，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，将有不久的发展，市场前景更为看好。面对难得的发展机遇和市场需要，LED路灯虽然还存在局限性之处，如没有统一的原则等问题，但是由于节能环保的特点LED路灯的发展已

19、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长处，因此早在1956年，国内提出“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技术也有某些缺陷，例如说它的散热性较差，不合适于长期使用，本文将探究一下有关问题的解决措施。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的基本构造以及发光原理和有关特性是有必要的。本文的目的就是在基本构造的基本上，理解其发光原理以及某些应用，让我们后来可以更好的发展LED和LD技术。第一章绪论重要简介LED和LD

20、的历史发展背景以及课题的研究内容及目的；第二章则重要讲述了LED和LD的基本构造和发光原理以及某些有关特性；第三章则是对LED的有关特性做的某些测试实验；第四章是对目前LED灯存在的问题做的一种改善，使得它的应用范畴更加广泛，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某些问题和进一步的研究方向。第2章LED与LD理论基本LED和LD都是在半导体的基本上发展起来的，但是两者的区别却较大，如下从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： （2-1） 因此有：

21、 （2-2）式(2-1)和(2-2)中 和的单位分别为和。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沿发射，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，其光子能量不不小于，简称对复合。4.激子复合在某些状况下，晶体中的电子和空穴可以稳定地结合在一起，形成一种中性“准粒子”，能在晶体中作为一种整体存在，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

22、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，导致电子和空穴的束缚态，其作用好象陷阱，故一般称之为等电子陷阱。运用等电子陷阱复合，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似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可以起陷阱作用的深能级，故又称等电子中心为等电子陷阱。6.自发辐射处在激发态的原子中，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，同步辐射出一种光子，这种辐射叫做自发辐射。自发辐射是不

23、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均有一定的任意性。7.受激辐射本来处在高能级的原子，还可以在其她光子的刺激或感应下，跃迁到低能级，同步发射出一种同样能量的光子。由于这一过程是在外来光子的刺激下产生的，因此被称为受激辐射3。2.2 LED和LD的理论知识2.2.1 LED与LD基本构造LED重要由P-N结芯片、电极和光学系统构成。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。当处在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的物理构造是在发光二极管的

24、结间安顿一层具有光活性的半导体，其端面通过抛光后具有部分反射功能，因而形成一光谐振腔。在正向偏置的状况下，LED结发射出光来并与光谐振腔互相作用，从而进一步鼓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的基本构造图图2-2 LD的构造图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型半导体构成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一种过渡层，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

25、发光。这种运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。当它处在正向工作状态时（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：半导体中的光发射一般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区通过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，从而发射出波长为的光子，其公式如下： (2-3) 式中：h普朗克常数；c光速；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

26、射所产生的光子通过半导体时，一旦通过已发射的电子-空穴对附近，就能鼓励两者复合，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状况下，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，导致选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益不小于吸取损耗时，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的有关特性LED是运用化合物材料制成P-N结的光电器件。它具有P-N结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特

27、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结制备性能重要参数。LED的I-V特性具有非线性和整流性质：单向导电性，即外加正偏压体现低接触电阻，反之为高接触电阻。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为启动电压(2)正向工作区：电流IF与外加电压呈指数关系(3)反向死区：V0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10A。(4)反向击穿区V-VR，VR称为反向击穿电压；VR电压相应IR为反向漏电流。当反向偏压始终增长使VTa时，内部

28、热量借助管座向外传热，散逸热量(功率)，可表达为 (2-4)3. 响应时间 响应时间表征某一显示屏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)响应时间重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，始终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是指正常发光削弱至本来的10%所经历的时间。 不同材料制得的LED响应时间各不相似；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

29、系统。42.3.2 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大量应用规定是圆柱、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。它重要取决于封装的工艺(涉及支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否)。 为获得高指向性的角分布可以使LED管芯位置离模粒头

30、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。 采用上述措施可使LED大大提高了指向性。 目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。当此曲线拟定之后，器件的有关主波长、纯度等有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结构造(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，此两点分别相应P-，P+之间

31、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半宽不不小于40nm。 (3)主波长：有的LED发光不单是单一色，即不仅有一种峰值波长；甚至有多种峰值，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测到的，由LED发出重要单色光的波长。单色性越好，则P也就是主波长。如GaP材料可发出多种峰值波长，而主波长只有一种，它会随着LED长期工作，结温升高而主波长偏向长波。3. 发光效率和视觉敏捷度 (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

32、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)视觉敏捷度是使用照明与光度学中某些参量。人的视觉敏捷度在=555nm处有一种最大值680 lm/w。若视觉敏捷度记为K，则发光能量P与可见光通量F之间关系为 (2-5) (2-6)(3)发光效率-量子效率是指发射的光子数与P-N结载流子数之间的比值，公式为：(e/hcI) (2-7)若输入能量为，则发光能量效率,若光子能量,则。（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，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。下列出几种常用LED流

33、明效率(可见光发光效率)：表2-1 常用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%，鉴于晶体自身对光有相称一部分的吸取，于是大大减少了外部出光效率。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IFIth时才发出激光。在Ith以上，光功率P随I线性增长。阈值电流是评估半导体激光器性能的一种重要参数，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，其交点所相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，

34、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，以表达。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相应的波长为发光峰值波长P，光谱曲

35、线上两个半光强点所相应的波长差为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P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种峰的光谱，如图3-4所示。激光二极管的波长可以定义为它的光谱的记录加权。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P ，对诸如DFB、DBR型LD来说，它的P相称明显。一种激光二极管可以维持的光谱线数目取决于光腔的构造和工作电流。图3-4 LD光谱特性曲线3

36、.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在光通信中的传播速度大小，LED因受到有源区内少数载流子寿命的限制，其调制的最高频率一般只有几十兆赫兹，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也有也许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状况下，当LED输出的交流光功率下降到某一低频参照频率值的

37、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的调制过程中存在如下两种物理机制影响其调制特性：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浮现饱和现象，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取等因素。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，它导致了与单纵模有关的光(频)谱加宽

38、，又称线宽增强因子。3.4小结从LED和LD的有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。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、长寿命等长处，而被公觉得在后来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发光技术已有奔腾发展，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

39、组灯芯，可现场便捷地拆装维护，IP级防水密封在灯芯内完毕，构造简朴可靠，便于实现模块原则化；外壳不仅构造简朴、外形美观，并且还具有烟囱效果，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长处图4-1 老式的路灯构造图4-1所示LED路灯是目前最典型、最普遍采用的构造：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。这种构造设计有如下问题： 1. 散热重要是自然对流传热，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所示目前LED路灯的散

40、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长一倍，也就是说：图4-1所示构造的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，不是一味地增长散热片面积（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，再增长，散热量反而下降。 以上问题所致的成果：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-

41、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种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，构造也非常简朴。图4-2 全新架构的LED路灯外观图图4-4表达出了该灯芯（光模组）的设计视图。图4-5所示的太阳花式散热片，它有如下长处：1. 肋化效率高，有助于减少铝材用量；2. 空气流通截面积大，有助于减小空气流动阻力，有助于提高空气流量，提高散热量；

42、3. 发热的芯片热源离散热肋片距离近，即散热片内的导热（热传播）距离近，则散热片内导热热阻低，可以有效的减少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照明灯的最佳散热构造。图4-3打开上壳的视图图4-4 灯芯设计视图图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后是热量传到空气中，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： (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

43、口处空气温度T2最高不超过散热片的壁面温度Tw，即(T2-T1)有最大也许的数值。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： (4-2)g重力加速度。空气密度。V散热器的体积。0环境大气温度。a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： (4-3)S空气流经的表面积，即散热片的散热面积。流动阻力系数，与散热片的构造，空气流动形式密切有关。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还应满足如下公式： (4-4)h对流传热系数。(TwTa)散热片壁

44、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长（2）。从式(4-1)可以看出，流量M增长，有助于散热量Q的提高，浮力F规定下降，从式(4-2)可以分析得出，散热片中的空气温度Ta可减少，又从式(4-3)可以看出：有利散热量Q的提高，这阐明减少流动阻力，从各方面来讲，都对散热量Q提高有利。减少流动阻力系数，能有效减少流动阻力。当散热片的肋片，上下竖立设立，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)，有助于对流传热；空气的流动方向与浮力方向一致，阻力最小。因而

45、散热片应设计成上下贯穿的构造，避免空气弯曲流动，涡流浮现。根据式(4-3)，流动阻力与空气在散热片中的流速的平方成正比，因而减少流速能有效减少流动阻力。增大空气在散热片中的流通面积，既能不减小空气流量M，又能减少流速。太阳花式构造散热片，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，并且LED芯片集中，所占的截面积小，即空气的有效流通面积大，因而有助于流动阻力减小。这阐明：太阳花式构造的散热片，是LED灯散热的最佳构造。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，可制造出多种外形的散热片，生产效率

46、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a提高，有助于提高浮力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，通过增长散热肋片数量（即肋片密度），来提高散热面积S，有助于提高散热量，但从式(4-3)分析，却相应地提高了流动阻力F。以上分析阐明：在自然对流传热中，通过增长散热肋片密度(减小肋片之间的间隙)来增长散热面积，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，甚至有也许得到减少散热量的相反成果。可以得出结论：当散热片所占空间尺寸一定期，存在一最大自然对流散热量

47、，相相应就有着最佳肋片构造（肋片密度），最大散热量与散热片的流通截面积成正比。本文作者通过大量的实验证明了该结论，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。在散热片的上方设立对流罩，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，散热片应尽量设立在对流罩最低端，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，因而对于某些状况下，例如由于装饰需要，灯具的高度尺寸有限制，可以通过增长截面积尺寸，达到同等的体积，同等的抽吸力。在产品设计时，可以充足运

48、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，采用蜂窝型构造拼合成，设立有大尺寸的后壳，后壳顶开有通气孔，后壳就构成了对流罩。对流罩竖立设立时，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，此时对流罩就是灯罩，LED芯朝上，对流罩内设立有反射镜，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，一方面理解LED灯在实际应用中的缺陷，然后进一步探究，掌握其中影响的核心因素，

49、通过对LED灯灯芯的设计改造，让它在散热方面有了质的提高，使得LED的应用范畴更加广阔。道谢通过一种多月的时间，我收集资料，查找有关内容，在此我要衷心地感谢我的论文指引教师李鸣教师，从选题的拟定、论文资料的收集、论文框架的拟定、开题报告准备及论文草稿与定稿中对字句的斟酌倾注的大量心血，她每隔一段时间就会问我们论文的进展状况，然后给出自己的建议，在我对论文从一筹莫展的时候，有了清晰明晰的思路，都是她指引我一步步走到目前。李鸣教师多次询问研究进程，并为我指点迷津，协助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。每次交上去的开题报告或是论文草稿，教师都要亲自修改诸多遍，然后一一给出修改意见，供我进一步地修改论文。我不仅感谢教师认真地指引我完毕毕业论文，并且还要感谢教师平时在学习和生活上对我的谆谆教导，她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，她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。同步教师