1. Was ist die LED-Sperrschichttemperatur?
Die Grundstruktur der LED ist eine Halbleiter-P-N-Sperrschicht. Experimente zeigen, dass die Temperatur der P-N-Sperrschicht ansteigt und wenn Strom durch das LED-Element fließt, wird im strengen Sinne der Temperaturbereich der P-N-Sperrschicht als Sperrschichttemperatur der LED definiert. Normalerweise aufgrund der kleinen Größe der Element-Chips, können wir auch die Temperatur des LED-Chips als Sperrschichttemperatur betrachten.
2. Was sind die Gründe für die LED-Sperrschichttemperatur?
LED-Betrieb führt zu einem Anstieg der Sperrschichttemperatur durch die folgenden fünf Faktoren:
A. Die schlechte Elektrodenstruktur des Elements, die Fenster-, Substrat- oder Sperrschichtbereiche des Materials sowie der silberne Leitkleber haben einen gewissen Widerstandswert, diese Widerstände werden addiert und bilden den Serienwiderstand des LED-Elements. Wenn der Strom durch die P-N-Sperrschicht fließt, fließt er auch durch diese Widerstände und erzeugt somit Joule'sche Wärme, was zu einem Anstieg der Chip- oder Sperrschichttemperatur führt.
B. Da die P-N-Sperrschicht nicht perfekt ist, erreicht die Injektionseffizienz des Elements nicht 100%, d.h., beim LED-Betrieb werden nicht nur Ladungsträger (Löcher) vom P-Bereich in den N-Bereich injiziert, sondern auch Ladungsträger (Elektronen) vom N-Bereich in den P-Bereich. Unter normalen Umständen erzeugt die letztere Ladungs injektion keinen photoelektrischen Effekt und wird in Form von Wärme verbraucht. Selbst wenn der nützliche Teil der injizierten Ladungsträger nicht vollständig in Licht umgewandelt wird, rekombiniert ein Teil an Unreinheiten oder Defekten im Sperrschichtbereich und wird letztlich zu Wärme.
C. Die Praxis hat gezeigt, dass die Grenze des Lichtwirkungsgrads der Hauptgrund für den Anstieg der Sperrschichttemperatur von LEDs ist. Derzeit ermöglicht das Wachstum fortgeschrittener Materialien und Herstellungsprozesse von Komponenten, dass der größte Teil der Eingangsenergie von LEDs in Lichtstrahlung umgewandelt wird. Allerdings hat das Material des LED-Chips gegenüber dem umgebenden Medium einen viel höheren Brechungsindex, sodass die meisten der im Chip intern erzeugten Photonen ( 90 %) die Grenzfläche nicht erfolgreich überwinden können. An der Grenzfläche zwischen Chip und Medium tritt Totalreflexion auf, die Photonen kehren in den Chip zurück und werden schließlich durch multiple interne Reflexionen vom Chipmaterial oder Substrat absorbiert und in Form von Gitterschwingungen in Wärme umgewandelt, was den Anstieg der Sperrschichttemperatur bewirkt.
D. Offensichtlich ist die Kühlkapazität des LED-Elements eine kritische Bedingung, die über die Höhe der Sperrschichttemperatur entscheidet. Steigt die Kühlkapazität, sinkt die Sperrschichttemperatur, im Gegenteil, bei niedrigerer Kühlkapazität wird die Sperrschichttemperatur steigen. Da Epoxidharzkleber ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit ist, ist die Wärme, die an der P-N-Sperrschicht erzeugt wird, schwer nach oben durch das transparente Epoxidharz an die Umgebung abzuleiten. Der größte Teil der Wärme wird über das Substrat, eine Silberpaste, Hülse und Rohr sowie Epoxidharzschichten, die gedruckte Leiterplatte (PCB) und den Kühlkörper nach unten abgeleitet. Klarerweise beeinflussen die Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien direkt die Effizienz des Wärmeabtransports der Komponenten. Bei einem gängigen LED-Typ liegt der gesamte Wärmeübergangswiderstand vom Bereich der P-N-Sperrschicht bis zur Umgebungstemperatur zwischen 300 und 600 °C/W. Für ein Leuchtdiode-Element mit guter Struktur liegt der Gesamtwiderstand bei etwa 15 bis 30 °C/W. Die enormen Unterschiede im Wärmeübergangswiderstand bedeuten, dass gängige LED-Elemente nur unter sehr kleinen Eingangsleistungen korrekt arbeiten können, während die Verlustleistung der Komponenten für höhere Wattstufen erheblich sein kann.
3. Die Sperrschichttemperatur von LEDs reduzieren?
A. Den Wärmeübergangswiderstand der LED selbst reduzieren;
B. Ein gutes Sekundärkühlsystem;
C. Den Wärmeübergangswiderstand zwischen der LED und dem installierten Sekundärkühlsystem reduzieren;
D. Die Nenn-Eingangsleistung kontrollieren;
E. Geringere Umgebungstemperatur
Die LED-Eingangslistung ist die einzige Quelle der thermischen Wirkung des Elements. Ein Teil der Energie wird in Lichtstrahlungsenergie umgewandelt, der Rest wird schließlich in Wärme umgewandelt, wodurch die Temperatur des Elements erhöht wird. Offensichtlich ist die Hauptmethode zur Reduzierung der thermischen Wirkung der LED darauf zu bestehen, den elektrooptischen Wirkungsgrad der Komponenten (auch als externe Quanteneffizienz bekannt) zu verbessern, sodass so viel der Eingangsleistung wie möglich in Lichtenergie umgewandelt wird. Ein weiterer wichtiger Weg besteht darin, die Fähigkeit der Komponenten zur Wärmeableitung zu verbessern, damit die im Übergangsbereich erzeugte Wärme an die Umgebung abgegeben wird, wobei verschiedene Mittel zur Verteilung verwendet werden.
