浅谈LED的热量产生原因

与传统光源一样,半导体发光二极体(LED)在工作期间也会产生热量,其多少取决于整体的发光效率。在外加电能量作用下,电子和空穴的辐射复合发生电致发光,在P-N结附近辐射出来的光还需经过芯片(chip)本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界(空气)。综合电流注入效率、辐射发光量子效率、芯片外部光取出效率等,最终大概只有30-40%的输入电能转化为光能,其餘60-70%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。 而芯片温度的升高,则会增强非辐射复合,进一步消弱发光效率。因为,人们主观上认为大功率 LED  没有热量,事实上确有。大量的热,以至于在使用过程中发生问题。加上很多初次使用大功率LED 的人,对热问题又不懂如何有效地解决,使得产品可靠性成为主要问题。那麼,LED 究竟有没有热量产生呢?能产生多少热量呢? LED 产生的热量究竟有多大?

LED 在正向电压下,电子从电源获得能量,在电场的驱动下,克服PN 结的电场,由N 区跃迁到P 区,这些电子与P 区的空穴发生复合。由于漂移到P 区的自由电子具有高于P 区价电子的能量,复合时电子回到低能量态,多餘的能量以光子的形式放出。发出光子的波长与能量差 Eg 相关。可见,发光区主要在PN 结附近,发光是由于电子与空穴复合释放能量的结果。一隻半导体二极体,电子在进入半导体区到离开半导体区的全部路程中,都会遇到电阻。简单地从原理上看,半导体二极体的物理结构简单地从原理上看,半导体二极体的物理结构源负极发出的电子和回到正极的电子数是相等的。普通的二极体,在发生电子-空穴对的复合是,由于能级差Eg的因素,释放的光子光谱不在可见光范围内。

电子在二极体内部的路途中,都会因电阻的存在而消耗功率。所消耗的功率符合电子学的基本定律:
P =I2 R =I2(RN ++RP )+IVTH
式中:RN 是N 区体电阻
VTH 是PN 结的开啟电压
RP 是P 区体电阻
消耗的功率产生的热量为:
Q =  Pt
式中:t 为二极体通电的时间。

本质上,LED 依然是一隻半导体二极体。因此,LED 在正向工作时,它的工作过程符合上面的敍述。它所它所消耗的电功率为:
P LED = U LED × I LED
式中:U LED 是LED 光源两端的正向电压
I LED 是流过LED 的电流
这些消耗的电功率转化为热量放出:
Q=P LED × t
式中:t 为通电时间

实际上,电子在P 区与空穴复合时释放的能量,并不是由外电源直接提供的,而是由于该电子在N 区时,在没有外电场时,它的能级就比P 区的价电子能级高出Eg。当它到达P 区后,与空穴复合而成为P 区的价电子时,它就会释放出这麼多的能量。Eg 的大小是由材料本身决定的,与外电场无关。外电源对电子的作用只是推动它做定向移动,并克服PN 结的作用。

LED 的产热量与光效无关;不存在百分之几的电功率产生光,其餘百分之几的电功率产生热的关係。透过对大功率LED热的产生、热阻、结温概念的理解和理论公式的推导及热阻测量,我们可以研究大功率LED的实际封装设计、评估和产品应用。需要说明的是热量管理是在LED产品的发光效率不高的现阶段的关键问题,从根本上提高发光效率以减少热能的产生才是釜底抽薪之举,这需要芯片制造、LED封装及应用产品开发各环节技术的进步。
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