LED為什么會(huì)產(chǎn)生熱量?LED發(fā)熱的幾個(gè)主要原因是什么?
與傳統(tǒng)光源一樣,半導(dǎo)體發(fā)光二極體(LED)在工作期間也會(huì)產(chǎn)生熱量,其多少取決于整體的發(fā)光效率。在外加電能量作用下,電子和空穴的輻射復(fù)合發(fā)生電致發(fā)光,在PN結(jié)附近輻射出來(lái)的光還需經(jīng)過(guò)芯片(chip)本身的半導(dǎo)體介質(zhì)和封裝介質(zhì)才能抵達(dá)外界(空氣)。綜合電流注入效率、輻射發(fā)光量子效率、芯片外部光取出效率等,最終大概只有30-40%的輸入電能轉(zhuǎn)化為光能,其余60-70%的能量主要以非輻射復(fù)合發(fā)生的點(diǎn)陣振動(dòng)的形式轉(zhuǎn)化熱能。
而芯片溫度的升高,則會(huì)增強(qiáng)非輻射復(fù)合,進(jìn)一步消弱發(fā)光效率。因?yàn)椋藗冎饔^上認(rèn)為大功率LED沒有熱量,事實(shí)上確有。大量的熱,以至于在使用過(guò)程中發(fā)生問(wèn)題。加上很多初次使用大功率LED的人,對(duì)熱問(wèn)題又不懂如何有效地解決,使得產(chǎn)品可靠性成為主要問(wèn)題。那么,LED究竟有沒有熱量產(chǎn)生呢?能產(chǎn)生多少熱量呢? LED產(chǎn)生的熱量究竟有多大?
LED在正向電壓下,電子從電源獲得能量,在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下,克服PN結(jié)的電場(chǎng),由N區(qū)躍遷到P區(qū),這些電子與P區(qū)的空穴發(fā)生復(fù)合。由于漂移到P區(qū)的自由電子具有高于P區(qū)價(jià)電子的能量,復(fù)合時(shí)電子回到低能量態(tài),多余的能量以光子的形式放出。發(fā)出光子的波長(zhǎng)與能量差Eg相關(guān)。可見,發(fā)光區(qū)主要在PN結(jié)附近,發(fā)光是由于電子與空穴復(fù)合釋放能量的結(jié)果。一只半導(dǎo)體二極體,電子在進(jìn)入半導(dǎo)體區(qū)到離開半導(dǎo)體區(qū)的全部路程中,都會(huì)遇到電阻。簡(jiǎn)單地從原理上看,半導(dǎo)體二極體的物理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單地從原理上看,半導(dǎo)體二極體的物理結(jié)構(gòu)源負(fù)極發(fā)出的電子和回到正極的電子數(shù)是相等的。普通的二極體,在發(fā)生電子-空穴對(duì)的復(fù)合是,由于能級(jí)差Eg的因素,釋放的光子光譜不在可見光范圍內(nèi)。
電子在二極體內(nèi)部的路途中,都會(huì)因電阻的存在而消耗功率。所消耗的功率符合電子學(xué)的基本定律:
P =I2 R =I2(RN ++RP )+I(xiàn)VTH
式中:RN是N區(qū)體電阻
VTH是PN結(jié)的開啟電壓
RP是P區(qū)體電阻
消耗的功率產(chǎn)生的熱量為:
Q = Pt
式中:t為二極體通電的時(shí)間。
本質(zhì)上,LED依然是一只半導(dǎo)體二極體。因此,LED在正向工作時(shí),它的工作過(guò)程符合上面的敘述。它所它所消耗的電功率為:
P LED = U LED × I LED
式中:U LED是LED光源兩端的正向電壓
I LED是流過(guò)LED的電流
這些消耗的電功率轉(zhuǎn)化為熱量放出:
Q=P LED × t
式中:t為通電時(shí)間
實(shí)際上,電子在P區(qū)與空穴復(fù)合時(shí)釋放的能量,并不是由外電源直接提供的,而是由于該電子在N區(qū)時(shí),在沒有外電場(chǎng)時(shí),它的能級(jí)就比P區(qū)的價(jià)電子能級(jí)高出Eg。當(dāng)它到達(dá)P區(qū)后,與空穴復(fù)合而成為P區(qū)的價(jià)電子時(shí),它就會(huì)釋放出這么多的能量。 Eg的大小是由材料本身決定的,與外電場(chǎng)無(wú)關(guān)。外電源對(duì)電子的作用只是推動(dòng)它做定向移動(dòng),并克服PN結(jié)的作用。
LED的產(chǎn)熱量與光效無(wú)關(guān);不存在百分之幾的電功率產(chǎn)生光,其余百分之幾的電功率產(chǎn)生熱的關(guān)系。透過(guò)對(duì)大功率LED熱的產(chǎn)生、熱阻、結(jié)溫概念的理解和理論公式的推導(dǎo)及熱阻測(cè)量,我們可以研究大功率LED的實(shí)際封裝設(shè)計(jì)、評(píng)估和產(chǎn)品應(yīng)用。需要說(shuō)明的是熱量管理是在LED產(chǎn)品的發(fā)光效率不高的現(xiàn)階段的關(guān)鍵問(wèn)題,從根本上提高發(fā)光效率以減少熱能的產(chǎn)生才是釜底抽薪之舉,這需要芯片制造、LED封裝及應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)各環(huán)節(jié)技術(shù)的進(jìn)步。