Αιτίες παραγωγής θερμότητας LED
Όπως συμβαίνει με τις συμβατικές πηγές φωτός, οι δίοδοι εκπομπής ημιαγωγών (LED) παράγουν επίσης θερμότητα κατά τη λειτουργία, ανάλογα με τη συνολική φωτεινή απόδοση. Υπό τη δράση της εφαρμοζόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, η ακτινοβολία ηλεκτρονίων και οπών ανασυνδυάζεται για να παράγει ηλεκτροφωταύγεια και το φως που ακτινοβολείται κοντά στη διασταύρωση PN πρέπει να περάσει μέσα από το μέσο ημιαγωγών και το μέσο πλήρωσης του ίδιου του τσιπ για να φτάσει στο εξωτερικό (αέρας). Ολοκληρωμένη απόδοση έγχυσης ρεύματος, κβαντική απόδοση φωταύγειας ακτινοβολίας, απόδοση εξαγωγής εξωτερικού φωτός από τσιπ, κ.λπ., το τελικό μόνο 30-40% της ενέργειας εισόδου σε φωτεινή ενέργεια και το υπόλοιπο 60-70% της ενέργειάς του εμφανίζεται κυρίως σε μη σύνθετη μορφή ακτινοβολίας θερμότητας μετατροπής κραδασμών με κουκκίδες.
Η αύξηση της θερμοκρασίας του τσιπ θα ενισχύσει το σύμπλεγμα μη ακτινοβολίας, εξασθενώντας περαιτέρω τη φωτεινή απόδοση. Επειδή οι άνθρωποι υποκειμενικά πιστεύουν ότι τα LED υψηλής ισχύος δεν έχουν θερμότητα, στην πραγματικότητα, έχουν. Η πολλή θερμότητα προκαλεί εύκολα πολλά προβλήματα κατά τη χρήση. Επιπλέον, πολλοί άνθρωποι που χρησιμοποιούν LED υψηλής ισχύος για πρώτη φορά και δεν καταλαβαίνουν πώς να λύσουν αποτελεσματικά θερμικά προβλήματα, κάνοντας την αξιοπιστία της παραγωγής να γίνεται το κύριο πρόβλημα. Ας σκεφτούμε λοιπόν μερικές ερωτήσεις: Παράγουν θερμότητα τα LED; Πόση θερμότητα μπορεί να παράγει; Πόση θερμότητα παράγει το LED;
Κάτω από την μπροστινή τάση του LED, τα ηλεκτρόνια λαμβάνουν ενέργεια από την παροχή ρεύματος. Υπό την οδήγηση του ηλεκτρικού πεδίου, το ηλεκτρικό πεδίο της διασταύρωσης PN ξεπερνιέται και λαμβάνει χώρα η μετάβαση από την περιοχή N στην περιοχή P. Αυτά τα ηλεκτρόνια ανασυνδυάζονται με τις οπές στην περιοχή P. Δεδομένου ότι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που παρασύρονται στην περιοχή P έχουν υψηλότερη ενέργεια από τα ηλεκτρόνια σθένους στην περιοχή P, τα ηλεκτρόνια επιστρέφουν σε κατάσταση χαμηλής ενέργειας κατά τον ανασυνδυασμό και η περίσσεια ενέργειας απελευθερώνεται με τη μορφή φωτονίων. Το μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φωτονίου σχετίζεται με την ενεργειακή διαφορά Π.χ. Μπορεί να φανεί ότι η περιοχή εκπομπής φωτός είναι κυρίως κοντά στη διασταύρωση PN και η εκπομπή φωτός είναι το αποτέλεσμα της ενέργειας που απελευθερώνεται από τον ανασυνδυασμό ηλεκτρονίων και οπών. Σε μια δίοδο ημιαγωγών, τα ηλεκτρόνια θα συναντήσουν αντίσταση καθ' όλη τη διάρκεια της διαδρομής από τη ζώνη ημιαγωγών στη ζώνη ημιαγωγών. Απλώς από την αρχή, η φυσική δομή της διόδου ημιαγωγών είναι απλώς από την αρχή, ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται από το αρνητικό ηλεκτρόδιο και τα ηλεκτρόνια που επιστρέφουν στο θετικό ηλεκτρόδιο της διόδου ημιαγωγών είναι ίσοι. Συνήθεις δίοδοι, όταν συμβαίνει ανασυνδυασμός ζεύγους ηλεκτρονίων-οπών, λόγω του παράγοντα διαφοράς στάθμης ενέργειας Π.χ., το απελευθερωμένο φάσμα φωτονίων δεν βρίσκεται στο ορατό εύρος.
Στο δρόμο μέσα στη δίοδο, τα ηλεκτρόνια καταναλώνουν ισχύ λόγω της παρουσίας αντίστασης. Η ισχύς που καταναλώνεται συμμορφώνεται με τους βασικούς νόμους των ηλεκτρονικών:
P = I2 R = I2 (RN + + RP) + IVTH
Σημειώσεις: Το RN είναι η αντίσταση του σώματος της ζώνης Ν
Το VTH είναι η τάση ενεργοποίησης της διασταύρωσης PN
Το RP είναι η μαζική αντίσταση της περιοχής P
Η θερμότητα που παράγεται από την ενέργεια που καταναλώνεται είναι:
Q = Pt
Όπου: t είναι ο χρόνος που ενεργοποιείται η δίοδος.
Στην ουσία, το LED εξακολουθεί να είναι μια δίοδος ημιαγωγών. Επομένως, όταν το LED λειτουργεί προς τα εμπρός, η διαδικασία εργασίας του συμμορφώνεται με την παραπάνω περιγραφή. Η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνει είναι:
P LED = U LED × I LED
Όπου: U LED είναι η μπροστινή τάση στην πηγή φωτός LED
Το I LED είναι το ρεύμα που διαρρέει το LED
Η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνεται μετατρέπεται σε θερμότητα και απελευθερώνεται:
Q＝P LED × t
Σημειώσεις: t είναι ο χρόνος ενεργοποίησης
Στην πραγματικότητα, η ενέργεια που απελευθερώνεται όταν το ηλεκτρόνιο ανασυνδυάζεται με την οπή στην περιοχή P δεν παρέχεται άμεσα από την εξωτερική παροχή ρεύματος, αλλά επειδή το ηλεκτρόνιο βρίσκεται στην περιοχή Ν, όταν δεν υπάρχει εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, το ενεργειακό του επίπεδο είναι υψηλότερο από αυτό της περιοχής P. Το επίπεδο ηλεκτρονίων σθένους είναι υψηλότερο από Π.χ. Όταν φτάσει στην περιοχή P και ανασυνδυαστεί με οπές για να γίνει ηλεκτρόνια σθένους στην περιοχή P, θα απελευθερώσει τόση ενέργεια. Το μέγεθος του Eg καθορίζεται από το ίδιο το υλικό και δεν έχει καμία σχέση με το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο. Ο ρόλος της εξωτερικής τροφοδοσίας του ηλεκτρονίου είναι να το ωθήσει να κινηθεί κατευθυντικά και να ξεπεράσει τον ρόλο της διασταύρωσης PN.
Η ποσότητα θερμότητας που παράγεται από ένα LED δεν έχει καμία σχέση με την απόδοση φωτός. Δεν υπάρχει σχέση μεταξύ του ποσοστού της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγει φως και του υπόλοιπου ποσοστού της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγει θερμότητα. Μέσα από την κατανόηση των εννοιών της παραγωγής θερμότητας, της θερμικής αντίστασης και της θερμοκρασίας σύνδεσης των LED υψηλής ισχύος και της εξαγωγής θεωρητικών τύπων και μετρήσεων θερμικής αντίστασης, μπορούμε να μελετήσουμε τον πραγματικό σχεδιασμό συσκευασίας, την αξιολόγηση και τις εφαρμογές προϊόντων των LED υψηλής ισχύος. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η διαχείριση της θερμότητας είναι βασικό ζήτημα στο τρέχον στάδιο της χαμηλής φωτεινής απόδοσης των προϊόντων LED. Η θεμελιώδης βελτίωση της απόδοσης του φωτός για τη μείωση της παραγωγής θερμικής ενέργειας είναι το κάτω μέρος του βραστήρα. Αυτό απαιτεί κατασκευή τσιπ, συσκευασία LED και ανάπτυξη προϊόντων εφαρμογών. Τεχνολογική πρόοδος σε όλους τους τομείς.
