1. Cos'è la temperatura di giunzione del LED?
La struttura di base dell'LED è una giunzione P-N a semiconduttore. Gli esperimenti indicano che la temperatura della giunzione P-N aumenterà e, quando la corrente attraversa l'elemento LED, in senso stretto, la regione di temperatura della giunzione P-N è definita come la temperatura di giunzione dell'LED. Di solito, a causa delle piccole dimensioni dei chip degli elementi, la temperatura del chip dell'LED può essere considerata la temperatura di giunzione.
2. Quali sono le cause della temperatura di giunzione LED?
Il funzionamento LED provoca il seguente aumento della temperatura di giunzione in cinque:
A. La struttura elettrodo imperfetta, il substrato dello strato di finestra o dell'area della giunzione del materiale e l'adesivo conduttivo di argento presentano un determinato valore di resistenza. Questi resistori, sommandosi tra loro, costituiscono la resistenza in serie dell'elemento LED. Quando la corrente fluisce attraverso la giunzione P-N, passa anche attraverso questi resistori, generando calore di Joule e provocando il rialzo della temperatura del chip o della giunzione.
B. A causa dell'impossibilità di una perfezione estrema della giunzione P-N, l'efficienza di iniezione dell'elemento non raggiunge il 100%. Ad esempio, durante il funzionamento del LED, oltre alle cariche (buche) iniettate dalla zona P alla zona N, le cariche (elettroni) sono anche iniettate dalla zona N alla regione P. In condizioni normali, l'iniezione di cariche successiva non produce l'effetto fotoelettrico e viene consumata sotto forma di calore. Anche la parte utile delle cariche iniettate non si trasforma completamente in luce; una porzione ricombina nelle impurità o nei difetti della regione di giunzione e diventa infine calore.
C. La pratica ha dimostrato che il limite dell'efficienza luminosa è la causa principale dell'aumento della temperatura di giunzione LED. Attualmente, la crescita di materiali avanzati e il processo di fabbricazione dei componenti permettono di convertire la grande maggioranza dell'energia immessa nei LED in radiazione luminosa. Tuttavia, a causa dell'alto indice di rifrazione del materiale del chip LED rispetto al mezzo circostante, la maggior parte dei fotoni generati internamente dal chip ( 90%) non riesce ad attraversare l'interfaccia. Si verifica riflessione totale all'interfaccia tra il chip e il mezzo, i fotoni tornano all'interno del chip e, dopo molteplici riflessioni interne, vengono infine assorbiti dal materiale del chip o del substrato e si trasformano in calore sotto forma di vibrazione reticolare, provocando l'aumento della temperatura di giunzione.
D. Apparentemente, la capacità di dissipazione del calore dell'elemento LED è determinante per il livello della giunzione (giunzioni a temperatura alta o bassa è una condizione critica). Quando la capacità di raffreddamento diminuisce, la temperatura della giunzione si abbassa; al contrario, se la capacità di raffreddamento aumenta, la temperatura della giunzione salirà. Poiché l'adesivo epossidico è un materiale a bassa conducibilità termica, il calore generato alla giunzione P-N è difficile da dissipare verso l'alto all'ambiente attraverso l'epossidico trasparente; la maggior parte del calore si disperde verso il basso attraverso il substrato, una pasta d'argento, guscio e tubetto, strati di adesivo epossidico, PCB e dissipatore. È evidente che la capacità di condurre il calore dei materiali correlati influirà direttamente sull'efficienza della dissipazione termica dei componenti. Per un LED di tipo comune, la resistenza termica totale dalla regione della giunzione P-N alla temperatura ambientale è compresa tra 300 e 600 °C/W; per un elemento LED di tipo potenza ben strutturato, la resistenza totale è di circa 15-30 °C/W. Le enormi differenze nella resistenza termica fanno sì che gli elementi LED di tipo comune funzionino correttamente solo in condizioni di potenza in ingresso molto piccola, mentre la dissipazione di potenza dei componenti a potenza può essere sufficientemente grande da raggiungere livelli di watt anche superiori.
3. Ridurre la temperatura della giunzione del LED?
A. ridurre la resistenza termica del LED stesso;
B. adeguato meccanismo di raffreddamento secondario;
C. Per ridurre la resistenza termica tra il LED e il meccanismo di raffreddamento secondario è installata un'interfaccia;
D. Controllare la potenza di ingresso nominale;
E. Temperatura ambiente più bassa
La potenza di ingresso del LED è l'unica fonte dell'effetto termico dell'elemento; parte dell'energia viene convertita in radiazione di energia luminosa, mentre il resto si trasforma infine in calore, aumentando così la temperatura dell'elemento. Ovviamente, il metodo principale per ridurre l'effetto termico del LED è cercare di migliorare l'efficienza di conversione elettro-ottica dei componenti (nota anche come efficienza quantistica esterna), affinché la maggior parte della potenza di ingresso si trasformi in energia luminosa. Un altro modo importante è cercare di migliorare la capacità di dissipazione del calore dei componenti, affinché la temperatura del giunzione generata dal calore venga trasferita all'ambiente circostante, distribuendosi attraverso vari mezzi.
