一 引言
自1879 年爱迪生发明白炽灯，照明发展到今共经历了三次革命，被称为“第四代光源”的LED，是21世纪发展最快的高科技产品之一，LED因其体积小、安全可靠、耗电量低、使用寿命长、环保，与当代的节能环保相响应，得到了政府的大力支持，随着我国绿色照明工程的组织实施，促进了LED照明技术的创新和发展，使得LED在照明领域得以广泛应用，未来的照明将会以LED为主流。
LED作为一种半导体固体发光器件，较之其他发光器具有更长的工作寿命，通常可达到十万小时。如用LED替代传统的汽车用灯，那么它的寿命将远大于汽车本体的寿命，具有终身不用修理与更换的特点；LED是一种低压工作器件，因此在同等亮度下，耗电最小，可大量降低能耗。随着今后工艺和材料的发展，将具有更高的发光效率。体积小，重量轻、耐抗击：这是半导体固体器件的固有特点，所以LED可制作各类清晰精致的显示器件；用LED制作的光源不存在诸如水银、铅等环境污染物，不会污染环境。因此人们将LED光源称为“绿色”光源。由于LED在其工作过程中只有15%~25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED温度升高。在大功率LED应用中，散热技术是关键技术，它不仅影响LED的发光亮度，而且也直接影响LED构成系统的可靠性和寿命。
本文通过对LED结构、发光原理及特性、LED封装、热设计的基础理论、散热方式等一系列的方面进行分析，对LED的设计进行一系列的优化，使LED在生产以及应用中能够更实用。
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LED发展史及其发展前景
1.1.1 LED发展史
自1879 年爱迪生发明白炽灯，照明发展到今共经历了三次革命，被称为“第四代光源”的LED，是21世纪发展最快的高科技产品之一，LED因其体积小、安全可靠、耗电量低、使用寿命长、环保，与当代的节能环保相响应，得到了政府的大力支持，随着我国绿色照明工程的组织实施，促进了LED照明技术的创新和发展，使得LED在照明领域得以广泛应用，未来的照明将会以LED为主流。
LED作为一种半导体固体发光器件，较之其他发光器具有更长的工作寿命，通常可达到十万小时。如用LED替代传统的汽车用灯，那么它的寿命将远大于汽车本体的寿命，具有终身不用修理与更换的特点；LED是一种低压工作器件，因此在同等亮度下，耗电最小，可大量降低能耗。随着今后工艺和材料的发展，将具有更高的发光效率。体积小，重量轻、耐抗击：这是半导体固体器件的固有特点，所以LED可制作各类清晰精致的显示器件；用LED制作的光源不存在诸如水银、铅等环境污染物，不会污染环境。因此人们将LED光源称为“绿色”光源。由于LED在其工作过程中只有15%~25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED温度升高。在大功率LED应用中，散热技术是关键技术，它不仅影响LED的发光亮度，而且也直接影响LED构成系统的可靠性和寿命。
本文通过对LED结构、发光原理及特性、LED封装、热设计的基础理论、散热方式等一系列的方面进行分析，对LED的设计进行一系列的优化，使LED在生产以及应用中能够更实用。
1.1.2 LED发展前景
同一光效情况下，白炽灯可见光效率仅为10%-20%，，由于LED的光谱全部集中于可见光频率，所以效率可以达到50%以上，而成本也下降了90%，这些优势使LED市场得到蓬勃发展。目前LED已广泛应用在大面积图文全彩显示、状态指示、标志照明、信号显示、液晶显示器的背光、汽车组合尾灯及车内照明等方面。LED被誉为21世纪新光源，有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。LED应用领域也逐渐壮大：
1、LED显示屏的应用市场。我国LED显示屏市场起步较早，出现了一批具
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有很强实力的LED显示屏生产厂商。凭借着独特优势，LED全彩显示屏广泛应用在银行、证券交易所、医院、体育场馆、市政广场、车站、机场等场所。在LED需求量上，LED显示屏仅次于LED指示灯名列第二。
2、背光源市场。LED早已应用在以手机为主的小尺寸液晶面板背光源中，手机产量的持续增长带动了背光源市场的快速发展，特别是彩屏手机的出现更是推动了白光LED市场的快速发展。
3、车灯市场。汽车应用市场还处于未发展阶段，市场规模也在不断扩大。LED作为车灯主要得益于低功耗、长寿命和响应速度快的特点。凭借着汽车产业的巨大产能，LED车灯市场有着巨大的发展潜力。
4、室内装饰灯市场。室内装饰灯市场是LED的另一新兴市场。
5、景观照明市场。目前LED已越来越多的应用到景观照明市场中，北京、上海等地已建成一批LED景观照明工程，这些工程在装饰街道的同时还将起到示范作用，将会使LED景观照明从一级城市快速向二级、三级城市扩展。
6、通用照明市场。对于LED进入通用照明市场，功率型的白光LED除面临着发展效益低、散热不好、成本过高等问题外，还面临光学、结构与电控等技术的整合以及LED照明产品通用标准的制定问题，解决这些问题还需要一定的时间。
1.2 LED工作原理及其特性
1.2.1 LED工作原理
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。
PN结根据其端电压构成一定的势垒，当正向偏置时势垒下降，，P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入，这些电子与价带上上的空气复合，复合时得到
的能量以光能的形式释放。这就是PN结发光的原理。如图1-1所示。
图1-1 LED发光原理
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假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数微米以内产生。
理论和实践证明，发光的波长或频率取决于选用半导体材料的能量Ｅg，其大小用下式计算，单位为电子伏（eV）。
λ≈1240/Eg（mm）
式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。
1.2.2 LED的特性
具有很多特征：电学特征、光学特征和热学特征等特征。
电学特征中的I-V特征是表征LED芯片PN结性能的主要参数，LED的I-V特征具有非线性、单向导电性，即加正偏压表现为低电阻，反之为高电阻，如图1-2所示。
图1-2 I-V特征曲线
第一章小结：LED的基本知识是我们入门LED必备知识，它是我们深入研究LED的基础。上文只分析了LED电学特性中的I-V特征，LED还有众多的特性，如光学特性：光强分布、发光峰值波长及光谱分布、光通量、发光亮度等，在此就不一一分析研究了。要研究LED的封装和散热问题，就必须要了解LED的众多
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