גורמים לייצור חום של LED
כמו במקורות אור קונבנציונליים, גם דיודות פולטות מוליכים למחצה (LED) מייצרות חום במהלך הפעולה, בהתאם ליעילות האור הכוללת. תחת פעולת האנרגיה החשמלית המופעלת, קרינת האלקטרונים והחורים מתחלבת כדי לייצר אלקטרו-לומינסנציה, והאור המוקרן ליד צומת ה-PN צריך לעבור דרך המדיום המוליך למחצה ואמצעי האריזה של השבב עצמו כדי להגיע החוצה (האוויר). יעילות הזרקת זרם מקיפה, יעילות קוונטית זוהרת קרינה, יעילות מיצוי אור חיצוני של שבב וכו', רק 30-40% הסופי של אנרגיית האור הנכנסת לאנרגיית האור, ושאר 60-70% מהאנרגיה שלה מתרחשים בעיקר במצב שאינו צורה מורכבת של קרינה של המרת רטט נקודות-מטריקס.
העלייה בטמפרטורת השבב תגביר את תסביך ללא קרינה, ותחליש עוד יותר את יעילות האור. מכיוון שאנשים חושבים באופן סובייקטיבי שללדים בהספק גבוה אין חום, למעשה, יש להם חום. חום רב גורם בקלות לבעיות רבות במהלך השימוש. בנוסף, אנשים רבים המשתמשים בנורות LED עם הספק גבוה בפעם הראשונה ואינם מבינים כיצד לפתור ביעילות בעיות תרמיות, מה שהופך את אמינות הייצור לבעיה העיקרית. אז הנה כמה שאלות שנחשוב עליהן: האם ללדים נוצר חום כלשהו? כמה חום הוא יכול להפיק? כמה חום מייצרת הלד?
תחת המתח קדימה של ה-LED, האלקטרונים מקבלים אנרגיה מאספקת החשמל. תחת הנעה של השדה החשמלי, השדה החשמלי של צומת PN מתגבר, ומתרחש המעבר מאזור N לאזור P. אלקטרונים אלה מתחברים מחדש עם החורים באזור P. מכיוון שלאלקטרונים החופשיים הנסחפים לאזור P יש אנרגיה גבוהה יותר מאלקטרוני הערכיות באזור P, האלקטרונים חוזרים למצב אנרגיה נמוך במהלך הרקומבינציה, והאנרגיה העודפת משתחררת בצורה של פוטונים. אורך הגל של הפוטון הנפלט קשור להפרש האנרגיה למשל. ניתן לראות שהאזור פולט האור נמצא בעיקר ליד צומת ה-PN, ופליטת האור היא תוצאה של האנרגיה המשתחררת בשילוב מחדש של אלקטרונים וחורים. בדיודה מוליכים למחצה, אלקטרונים יתקלו בהתנגדות במהלך כל המסע מאזור המוליכים למחצה לאזור המוליכים למחצה. פשוט מהעיקרון, המבנה הפיזי של דיודה המוליכה למחצה הוא פשוט מהעיקרון, מספר האלקטרונים הנפלטים מהאלקטרודה השלילית והאלקטרונים המוחזרים לאלקטרודה החיובית של הדיודה המוליכה למחצה שווים. דיודות רגילות, כאשר מתרחשת ריקומבינציה של זוג אלקטרונים-חור, עקב גורם ההבדל ברמת האנרגיה למשל, ספקטרום הפוטונים המשוחרר אינו בטווח הנראה לעין.
בדרך לתוך הדיודה, אלקטרונים צורכים חשמל עקב נוכחות התנגדות. הכוח הנצרך תואם את החוקים הבסיסיים של האלקטרוניקה:
P = I2 R = I2 (RN + + RP) + IVTH
הערות: RN היא התנגדות הגוף של אזור N
VTH הוא מתח ההדלקה של צומת PN
RP הוא ההתנגדות בתפזורת של אזור P
החום שנוצר מהכוח הנצרך הוא:
Q = Pt
איפה: t הוא הזמן שבו הדיודה מופעלת.
למעשה, ה-LED היא עדיין דיודה מוליכים למחצה. לכן, כאשר הנורית פועלת בכיוון קדימה, תהליך העבודה שלה תואם את התיאור לעיל. הכוח החשמלי שהוא צורך הוא:
P LED = U LED × I LED
איפה: U LED הוא המתח קדימה על פני מקור האור LED
I LED הוא הזרם הזורם דרך ה-LED
הכוח החשמלי הנצרך הופך לחום ומשתחרר:
Q＝P LED × t
הערות: t הוא זמן ההפעלה
למעשה, האנרגיה המשתחררת כאשר האלקטרון מתחבר מחדש עם החור באזור P אינה מסופקת ישירות על ידי ספק הכוח החיצוני, אלא מכיוון שהאלקטרון נמצא באזור N, כאשר אין שדה חשמלי חיצוני, רמת האנרגיה שלו גבוהה יותר. מזה של אזור P. רמת האלקטרון הערכית גבוהה יותר מאשר למשל. כאשר הוא מגיע לאזור P ומתחבר מחדש עם חורים כדי להפוך לאלקטרוני ערכיות באזור P, הוא ישחרר כל כך הרבה אנרגיה. הגודל של Eg נקבע על ידי החומר עצמו ואין לו שום קשר לשדה החשמלי החיצוני. תפקידו של ספק הכוח החיצוני לאלקטרון הוא לדחוף אותו לנוע בכיוון ולהתגבר על תפקידו של צומת PN.
לכמות החום שנוצרת על ידי LED אין שום קשר ליעילות האור; אין קשר בין אחוז הכוח החשמלי המייצר אור, ואחוז הכוח החשמלי הנותר מייצר חום. באמצעות ההבנה של המושגים של ייצור חום, התנגדות תרמית וטמפרטורת צומת של נוריות LED בעוצמה גבוהה וגזירת נוסחאות תיאורטיות ומדידות התנגדות תרמית, אנו יכולים ללמוד את עיצוב האריזה בפועל, הערכה ויישומי המוצר של נוריות LED בעוצמה גבוהה. יש לציין שניהול חום הוא נושא מרכזי בשלב הנוכחי של יעילות זוהרת נמוכה של מוצרי LED. שיפור מהותי ביעילות האור כדי להפחית את יצירת אנרגיית החום הוא החלק התחתון של הקומקום. זה דורש ייצור שבבים, אריזת LED ופיתוח מוצרי יישומים. התקדמות טכנולוגית בכל ההיבטים.
