LED与LD发光特性与结构研究

武汉轻工大学武汉轻工大学 毕毕 业业 设设 计 论计 论 文 文 设计题目 设计题目 LED 与与 LD 发光特性与结构研究发光特性与结构研究 姓姓 名名 张卫张卫 学学 号号 101204122101204122 院 系 院 系 电气与电子工程学院电气与电子工程学院 专专 业业 电子信息科学与技术电子信息科学与技术 指导教师指导教师 李鸣李鸣 20142014 年年 6 6 月月 7 7 日日 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 6 2 2 3 LED 和 LD 的结构图片 7 2 3 LED 的相关特性 8 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 13 2 5 各种类型的激光器 14 2 6 LED 与 LD 的区别 15 第 3 章 实验条件下 LED 和 LD 的相关特性 16 3 1 LED 和 LD 的 P I 特性与发光效率 16 3 2 LED 和 LD 的光谱特性 17 3 3 LED 和 LD 的调制特性 18 3 4 小结 19 第 4 章 新型大功率 LED 照明灯散热技术 20 4 1 目前 LED 灯存在的问题 20 4 2 设计产品的样式以及优点 20 4 3 设计产品的优化原理以及分析 23 4 4 小结 25 致谢 26 参考文献 27 I 摘要摘要 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 关键词 发光二极管 激光二极管 相关特性 II 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 1 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 LED 及及 LD 技术发技术发展的由来展的由来 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 及及 LD 技术发展历程技术发展历程 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 2 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 3 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 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 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 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 5 有待解决的一些问题和进一步的研究方向 第第 2 章章 LED 与与 LD 理论基础理论基础 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 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 所以有 2 2 式 2 1 和 2 2 中 和的单位分别为和 2 g E m eV 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 g E 4 激子复合 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 g hc hvE 1 24 gg hc EE 6 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 和和 LD 的理论知识的理论知识 2 2 1 LED 与与 LD 基本结构基本结构 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 7 图 2 2 LD 的结构图 2 2 2 LED 和和 LD 的发光原理的发光原理 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 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 g 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 g hc E 8 光二极管的发光原理 2 3 LED 的相关特性的相关特性 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 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 10 A 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 VTa 时 内部热 量借助管座向外传热 散逸热量 功率 可表示为 9 2 4 ja 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 2 3 2 LED 光学特性光学特性 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 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 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 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 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 P P 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 10 能观察到的 由 LED 发出主要单色光的波长 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 555nm 处 有一个最大值 680 lm w 若视觉灵敏度记为 K 则发光能量 P 与可见光通量 F 之间关系为 2 5 d 2 6 Fd 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 d 若输入能量为 则发光能量效率 若光子能量 则 WUI PP W hcev 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 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 WK P 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 11 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 32 3 3 热学特性热学特性 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 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 17 图 3 2 两段直线拟合法测量 LD 阈值电流 3 2 LED 和和 LD 的光谱特性的光谱特性 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 P 光谱曲线上两个半光强点所对应的波长差 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 P 对诸如 DFB DBR 型 LD 来说 它的 P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 18 图 3 4 LD 光谱特性曲线 3 3 LED 和和 LD 的调制特性的调制特性 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 19 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 20 第第 4 章章 新型大功率新型大功率 LED 照明灯散热技术照明灯散热技术 4 1 目前目前 LED 灯存在的问题灯存在的问题 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 21 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 22 图 4 3 打开上壳的视图 图 4 4 灯芯设计视图 23 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 4 1 21P QCM TT 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 4 2 dv 1 gg FVoaVodv 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 2FSguds 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 4 4 wa QSh TT ds 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 2 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 24 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 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 a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 25 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 26 致谢致谢 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