淺談LED的熱量產生原因

與傳統光源一樣，半導體發光二極管（LED）在工作期間也會產生熱量，其多少取決于整體的發光效率。在外加電能量作用下，電子和空穴的輻射復合發生電致發光，在P-N結附近輻射出來的光還需經過芯片（chip）本身的半導體介質和封裝介質才能抵達外界（空氣）。綜合電流注入效率、輻射發光量子效率、芯片外部光取出效率等，最終大概只有30-40％的輸入電能轉化為光能，其余60-70％的能量主要以非輻射復合發生的點陣振動的形式轉化熱能。

而芯片溫度的升高，則會增強非輻射復合，進一步消弱發光效率。因為，人們主觀上認為大功率 LED 沒有熱量，事實上確有。大量的熱，以至于在使用過程中發生問題。加上很多初次使用大功率LED 的人，對熱問題又不懂如何有效地解決，使得產品可靠性成為主要問題。那么，LED 究竟有沒有熱量產生呢？能產生多少熱量呢？ LED 產生的熱量究竟有多大？

LED 在正向電壓下，電子從電源獲得能量，在電場的驅動下，克服PN 結的電場，由N 區躍遷到P 區，這些電子與P 區的空穴發生復合。由于漂移到P 區的自由電子具有高于P 區價電子的能量，復合時電子回到低能量態，多余的能量以光子的形式放出。發出光子的波長與能量差 Eg 相關。可見，發光區主要在PN 結附近，發光是由于電子與空穴復合釋放能量的結果。一只半導體二極管，電子在進入半導體區到離開半導體區的全部路程中，都會遇到電阻。簡單地從原理上看，半導體二極管的物理結構簡單地從原理上看，半導體二極管的物理結構源負極發出的電子和回到正極的電子數是相等的。普通的二極管，在發生電子－空穴對的復合是，由于能級差Eg的因素，釋放的光子光譜不在可見光范圍內。

電子在二極管內部的路途中，都會因電阻的存在而消耗功率。所消耗的功率符合電子學的基本定律：
P ＝I2 R ＝I2（RN ＋＋RP ）＋IVTH
式中：RN 是N 區體電阻
VTH 是PN 結的開啟電壓
RP 是P 區體電阻
消耗的功率產生的熱量為：
Q ＝ Pt
式中：t 為二極管通電的時間。

本質上，LED 依然是一只半導體二極管。因此，LED 在正向工作時，它的工作過程符合上面的敘述。它所它所消耗的電功率為：
P LED = U LED × I LED
式中：U LED 是LED 光源兩端的正向電壓
I LED 是流過LED 的電流
這些消耗的電功率轉化為熱量放出：
Q＝P LED × t
式中：t 為通電時間

實際上，電子在P 區與空穴復合時釋放的能量，并不是由外電源直接提供的，而是由于該電子在N 區時，在沒有外電場時，它的能級就比P 區的價電子能級高出Eg。當它到達P 區后，與空穴復合而成為P 區的價電子時，它就會釋放出這么多的能量。Eg 的大小是由材料本身決定的，與外電場無關。外電源對電子的作用只是推動它做定向移動，并克服PN 結的作用。

LED 的產熱量與光效無關；不存在百分之幾的電功率產生光，其余百分之幾的電功率產生熱的關系。透過對大功率LED熱的產生、熱阻、結溫概念的理解和理論公式的推導及熱阻測量，我們可以研究大功率LED的實際封裝設計、評估和產品應用。需要說明的是熱量管理是在LED產品的發光效率不高的現階段的關鍵問題，從根本上提高發光效率以減少熱能的產生才是釜底抽薪之舉，這需要芯片制造、LED封裝及應用產品開發各環節技術的進步。