1. ما هي درجة حرارة الوصلة في LED؟
البنية الأساسية لـ LED هي وصلة P-N أشباه الموصلات. تشير التجارب إلى أن درجة حرارة وصلة P-N سترتفع، وعندما يمر التيار عبر عنصر LED، بمفهوم صارم، فإن منطقة وصلة P-N من درجة الحرارة تُعرَّف بأنها درجة حرارة وصلة LED. وعادةً بسبب أن رقائق العناصر لها حجم صغير، يمكننا أيضاً اعتبار درجة حرارة رقائق LED هي درجة حرارة الوصلة.
2. ما هي أسباب درجة حرارة الوصلة في الصمام الثنائي الباعث للضوء؟
تعمل الصمام الثنائي الباعث للضوء على زيادة درجة حرارة الوصلة فيما يلي خمسة أسباب:
أ. بنية الأقطاب الخاسرة للعنصر، وطبقة النافذة والقاعدة أو مادة منطقة الوصلة والغراء الموصل الفضي وما إلى ذلك، حيث يوجد قيمة مقاومة معينة، وهذه المقاومات مضافة كمعوقات، مما يشكل مقاومة السلسلة للعنصر الثنائي الباعث للضوء. عندما يمر التيار عبر وصلة P-N، يمر أيضًا عبر هذه المقاومات، مما يؤدي إلى توليد حرارة جول، والنتيجة هي ارتفاع درجة حرارة الشريحة أو درجة حرارة الوصلة.
ب. نظرًا لكون وصلة P-N غير مثالية تمامًا، فإن كفاءة الحقن للعنصر لا تصل إلى 100٪، أي أن الصمام الثنائي الباعث للضوء يعمل بحيث يتم حقن الشحنات (الفجوات) من المنطقة P إلى المنطقة N، ويتم أيضًا حقن الشحنات (الإلكترونات) من المنطقة N إلى المنطقة P. في الظروف العادية، لا ينتج حقن الشحنات الأخيرة تأثيرًا ضوئيًا كهربائيًا، بل تُستهلك على شكل حرارة. وحتى الجزء المفيد من الشحنة المحقونة، لا يتحول كلّه إلى ضوء، بل يُنتج جزء من الشحنة في منطقة الوصلة شوائب أو عيوب، وسيتحول في النهاية إلى حرارة.
ج. أثبتت الممارسة أن حدود كفاءة الضوء هي السبب الرئيسي لارتفاع درجة حرارة الوصلة في الصمام الثنائي الباعث للضوء. حاليًا، سيسمح نمو المواد المتقدمة وعمليات تصنيع المكونات للصمام الثنائي الباعث للضوء بتحويل أغلبية الطاقة المدخلة إلى إشعاع ضوئي. ومع ذلك، بسبب أن مادة شريحة الصمام الثنائي الباعث للضوء ولها معامل انكسار أعلى بكثير من الوسط المحيط، فإن معظم الفوتونات ( 90%) التي تولد داخل الشريحة لا يمكنها النجاح في تجاوز الواجهة، حيث يحدث انعكاس كلي عند الواجهة بين الشريحة والوسط، ثم تعود إلى داخل الشريحة، وبعد انعكاسات داخلية متعددة تمتصها مادة الشريحة أو القاعدة، وتتغير إلى حرارة على شكل اهتزاز شبكي، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الوصلة.
د. على ما يبدو، فإن قدرة تبديد الحرارة لعنصر الصمام الثنائي الباعث للضوء هي المحدد لدرجات حرارة الوصلة العالية والمنخفضة، وهي حالة حاسمة. عند انخفاض درجة حرارة الوصلة، تقل قدرة التبريد، وعلى العكس، تزداد قدرة التبريديتراف ارتفاعاً في درجة حرارة الوصلة. وبما أن الغراء الإيبوكسي هو مادة ذات موصلية حرارية منخفضة، فإن الحرارة المتولدة عند الوصلة P-N يصعب تبديدها للأعلى عبر الإيبوكسي الشفاف إلى البيئة، بل تنبعث معظم الحرارة للأسفل عبر الركيزة، والراتنج الفضي، والغطاء، والأنبوب، وطبقات الغراء الإيبوكسي، ولوحة الدائرة المطبوعة، والمبرد. من الواضح أن قدرة المواد على نقل الحرارة تؤثر مباشرة على كفاءة فقدان الحرارة للمكونات. في نوع شائع من مصابيح LED، يتراوح إجمالي المقاومة الحرارية من منطقة الوصلة P-N إلى درجة حرارة المحيط بين 300 إلى 600 درجة مئوية / واط. للمكون من نوع الطاقة بهيكل جيد، يكون إجمالي المقاومة حوالي 15 إلى 30 درجة مئوية / واط. بسبب الاختلافات الهائلة في المقاومة الحرارية، فإن عناصر مصابيح LED الشائعة تعمل بشكل صحيح فقط في ظروف إدخال طاقة صغيرة جداً، بينما يمكن أن تكون تبديد الطاقة لمكونات الطاقة كبيراً بما يكفي حتى مستوى واط أعلى.
3. تقليل درجة حرارة وصلة LED؟
أ. تقليل المقاومة الحرارية للصمام الثنائي الباعث للضوء نفسه؛
ب. آلية تبريد ثانوية جيدة؛
ج. لتقليل المقاومة الحرارية بين الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) ووسيلة التبريد الثانوية، تم تركيب واجهة؛
د. التحكم في القدرة المدخلة اسمياً؛
هـ. انخفاض درجة الحرارة المحيطة
قدرة الإدخال للصمام الثنائي الباعث للضوء هي المصدر الوحيد لحرارة العنصر، فجزء من الطاقة يتحول إلى طاقة إشعاع ضوئي، بينما يتحول الجزء المتبقي في النهاية إلى حرارة، مما يرفع درجة حرارة العنصر. من الواضح أن الطريقة الرئيسية لتقليل تأثير حرارة الصمام الثنائي الباعث للضوء هي سعيًا لتحسين كفاءة التحويل الكهروضوئي للمكونات (والمعروفة أيضًا بكفاءة الكم الخارجي)، بحيث يتحول أكبر قدر من القدرة المدخلة إلى طاقة ضوئية، وطريقة مهمة أخرى هي سعيًا لتحسين قدرة المكونات على تبديد الحرارة، بحيث تنتقل الحرارة الناتجة عند الوصلة إلى البيئة المحيطة من خلال طرق مختلفة للتوزيع.
