淺談LED的熱量產(chǎn)生原因

與傳統(tǒng)光源一樣，半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）在工作期間也會產(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P-N結(jié)附近輻射出來的光還需經(jīng)過芯片（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)陣振動的形式轉(zhuǎn)化熱能。

而芯片溫度的升高，則會增強(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，以至于在使用過程中發(fā)生問題。加上很多初次使用大功率LED 的人，對熱問題又不懂如何有效地解決，使得產(chǎn)品可靠性成為主要問題。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，在電場的驅(qū)動下，克服PN 結(jié)的電場，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)體二極管，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，都會遇到電阻。簡單地從原理上看，半導(dǎo)體二極管的物理結(jié)構(gòu)簡單地從原理上看，半導(dǎo)體二極管的物理結(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。普通的二極管，在發(fā)生電子－空穴對的復(fù)合是，由于能級差Eg的因素，釋放的光子光譜不在可見光范圍內(nèi)。

電子在二極管內(nèi)部的路途中，都會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 為二極管通電的時(shí)間。

本質(zhì)上，LED 依然是一只半導(dǎo)體二極管。因此，LED 在正向工作時(shí)，它的工作過程符合上面的敘述。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)，在沒有外電場時(shí)，它的能級就比P 區(qū)的價(jià)電子能級高出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，與外電場無關(guān)。外電源對電子的作用只是推動它做定向移動，并克服PN 結(jié)的作用。

LED 的產(chǎn)熱量與光效無關(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。透過對大功率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)及熱阻測量，我們可以研究大功率LED的實(shí)際封裝設(shè)計(jì)、評估和產(chǎn)品應(yīng)用。需要說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。