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LED会产生热量的原因
2022-01-14 18:08:422

       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PN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,其余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。那么,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,

多余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。一只半导体二极体,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结的开启电压

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依然是一只半导体二极体。因此,LED在正向工作时,它的工作过程符合上面的叙述。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

就会释放出这么多的能量。 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,其余百分之几的电功率产生热的关系。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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