淺談LED的熱量產(chǎn)生原因

與傳統光源一樣，半導體發(fā)光二極管（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合發(fā)生電致發(fā)光，在P-N結附近輻射出來(lái)的光還需經(jīng)過(guò)芯片（chip）本身的半導體介質(zhì)和封裝介質(zhì)才能抵達外界（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％的輸入電能轉化為光能，其余60-70％的能量主要以非輻射復合發(fā)生的點(diǎn)陣振動(dòng)的形式轉化熱能。

而芯片溫度的升高，則會(huì )增強非輻射復合，進(jìn)一步消弱發(fā)光效率。因為，人們主觀(guān)上認為大功率 LED 沒(méi)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(méi)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)的驅動(dòng)下，克服PN 結的電場(chǎng)，由N 區躍遷到P 區，這些電子與P 區的空穴發(fā)生復合。由于漂移到P 區的自由電子具有高于P 區價(jià)電子的能量，復合時(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(cháng)與能量差 Eg 相關(guān)?？梢?jiàn)，發(fā)光區主要在PN 結附近，發(fā)光是由于電子與空穴復合釋放能量的結果。一只半導體二極管，電子在進(jìn)入半導體區到離開(kāi)半導體區的全部路程中，都會(huì )遇到電阻。簡(jiǎn)單地從原理上看，半導體二極管的物理結構簡(jiǎn)單地從原理上看，半導體二極管的物理結構源負極發(fā)出的電子和回到正極的電子數是相等的。普通的二極管，在發(fā)生電子－空穴對的復合是，由于能級差Eg的因素，釋放的光子光譜不在可見(jiàn)光范圍內。

電子在二極管內部的路途中，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 ）＋IVTH
式中：RN 是N 區體電阻
VTH 是PN 結的開(kāi)啟電壓
RP 是P 區體電阻
消耗的功率產(chǎn)生的熱量為：
Q ＝ Pt
式中：t 為二極管通電的時(shí)間。

本質(zhì)上，LED 依然是一只半導體二極管。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 區與空穴復合時(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 區時(shí)，在沒(méi)有外電場(chǎng)時(shí)，它的能級就比P 區的價(jià)電子能級高出Eg。當它到達P 區后，與空穴復合而成為P 區的價(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)。外電源對電子的作用只是推動(dòng)它做定向移動(dòng)，并克服PN 結的作用。

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)對大功率LED熱的產(chǎn)生、熱阻、結溫概念的理解和理論公式的推導及熱阻測量，我們可以研究大功率LED的實(shí)際封裝設計、評估和產(chǎn)品應用。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封裝及應用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)各環(huán)節技術(shù)的進(jìn)步。