LED与LD发光特性与结构研究要点

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 .................................................................................................................................. I I 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
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
第1章绪论
1.1LED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
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
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；
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。

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：
（2-1） 所以有： （2-2） 式(2-1)和(2-2)中λ 和g E 的单位分别为m μ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
g E ，简称对复合。

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。

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g hc hv E λ==1.24g g hc E E λ=
=
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
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。

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
()j a P =KT T -T (2-4)
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
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680lm/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
d λλP =P ⎰ (2-5) F d λλλ
=K P ⎰ (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
式为： (e/hcI)∫d λλP λ (2-7)
若输入能量为W UI =，则发光能量效率P P W η=,若光子能量hc ev =,则
P ηη≈。

（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，W K P
η=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。