LED发光原理及其相变散热器

LED的发光原理及特性

LED是什么?LED是“lightemittingdiode”的英文缩写。中文名:发光二极管。LED是一种将电能转换为光能的固体电致发光(EL)半导体器件。LED实质性核心结构是由元素谱中的Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族化合物材料构成的p-n结。LED如何发光?物体的发光方式冷光热光：又叫热辐射，是指物质在高温下发出的光。：某种能源在较低温度时所发出的光。发冷光时，某个原子的一个电子受外力作用从基态激发到较高的能态。由于这种状态是不稳定的，该电子通常以光的形式将能量释放出来，回到基态。白炽灯：当钨丝加热至很高的温度，就会发出白光。生物发光：萤火虫化学发光：荧光粉阴极射线发光：荧光灯、电致发光：LED

电致发光原理：电场的作用激发电子由低能态跃迁到高能态，当这些电子从高能态回到低能态的时候，根据能量守恒原理，多余的能量将以光的形式释放出来。

LED发光原理：电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光子的形式释放。其发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中；当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。基层(吸收或透明)芯片设计

N结层

窗口层

P结层+-np导带

N结P结光

无偏置电压

价带

能隙

有偏置电压

LED发光原理图E光子LED为什么会发不同颜色的光?各种颜色光的波长光色波长λ（nm)代表波长红（Red）780～630700橙（Orange）630～600620黄（Yellow）600～570580绿（Green）570～500550青（Cyan）500～470500蓝（Blue）470～420470紫（Violet）420～380420光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即

λ≈1240/Eg（mm）电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量，大小为禁带宽度Eg。Eg越大，所发出的光子波长就越短，颜色就会蓝移。反之，Eg越小，所发出的光子波长就越长，颜色就会红移。若要产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应该在1.59～3.26eV之间。在此能量范围之内，带隙为直接带的Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族半导体材料只有GaN、GaP等少数材料，也可以利用Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族二元化合物组成新的三元或四元Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族固溶体，通过改变固溶体的组分来改变禁带宽度与带隙类型。光的颜色与芯片的材料有关系。材料不一样，电子和空穴复合的能量不一样，发出的光也不一样。红、黄光芯片的主要材料：AlGaInP、GaAlAs蓝、绿光芯片的主要材料：GaN、InGaN窗口层P-限制层N-限制层活性层布拉格反射层衬底LED的主要参数与特性

LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的特性：（1）电学特性（2）光学特性（3）热学特性

电学特性LED的伏-安（I-V）特性（1）LED的伏-安（I-V）特性是流过芯片PN结电流随施加到PN结两端上电压变化的特性，它是衡量PN结性能的主要参数，是PN结制作优劣的重要标志。（2）LED具有单向导电性和非线性特性。0IF反向死区VB死区电压正向工作区击穿区正向电流对LED较为重要的电学参数

开启电压UON正向电流IF

正向电压VF

反向电压VR

BCE开启电压：电压在开启点以前几乎没有电流，电压一超过开启点，很快就显出欧姆导通特性，电流随电压增加迅速增大，开始发光。开启点电压因半导体材料的不同而异。正向工作电流IF：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。小功率彩色LED一般是在IF=20mA时测得的，正向工作电压VF在1.5～2.8V。功率级LED一般在IF=350mA时测得的，正向工作电压VF在2～4V。在外界温度升高时，VF将下降。最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。反向击穿电压也因材料而异，一般在-2V以上即可。反向漏电：当加反向电压时，外加电场与内建势垒电场方向相同，便阻止了多数载流子的扩散运动，所以只有很小的反向电流流过管子。但是，当反向电压加大到一定程度时，结在内外电场的作用下，把晶格中的电子强拉出来，参与导电，因而此时反向电流突然增大，出现反向击穿现象。反向电流越小，说明LED的单向导电性能越好。光学特性光谱特性LED光辐射光谱分布有其独特的一面。它不是单色光（如激光），也不是宽光谱辐射（如白炽灯），而是介于两者之间：有几十纳米的带宽、峰值波长位于可见光或近红外区域。LED的波长分布有的不对称，有的则有很好的对称性，具体取决于LED所使用的材料种类及其结构等因素。改变发光层的电致发光层结构及合金组分的比例，都会引起谱线的峰值波长和半宽度的变化。LED光谱特性表征其单色性的优劣和其主要颜色是否纯正。热学特性Pt:thethermaldissipationpoweroftheLEDdevice(W)Vf:theforwardvoltageoftheLED(V)If:thesourcecurrenttotheLED(A):rangefrom53%to79%1-电阻损耗(19-10%)2-Nonradiative-InGaN(41-9%)3-Optabsorption-blue(6-12%)4-Visibleradiation-blue(34-69%)5-Photondown-conversion(7-14%)6-Nonradiative-phosphor(1-3%)7-Opt.absorption-phosphor(5%)8-Visibleradiation-white(21-47%)*“ThermalmanagementofCreeXlampLEDs”,availableon/XLAMP*MichaelR.Kramesetal.J.Dis.Tech.3,160.当电流流过LED时，其PN结的温度（简称结温）将升高，严格意义上说，就把P—N结区的温度定义为LED的结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。结温的变化将引起LED光输出、发光波长及正向电压的变化。LED的最高结温与所使用的材料及封装结构有密切关系。热的损害当LED的结温升高时，影响LED的使用寿命。在室温下，结温每升高1℃，LED的发光强度会相应地减少1％左右。结温上升的原因a、元件不良的电极结构

b、P—N结的注入效率不高

c、出光效率的限制

d、LED元件的热散失能力。降低LED结温的途径a、减少LED本身的热阻

b、控制额定输入功率

c、减少LED与二次散热机构安装介面之间的热阻

d、良好的二次散热机构

e、降低环境温度目前是什么阻碍了LED的大规模应用?应用设计二次光学设计、驱动电源设计散热作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED长期工作。芯片成本价格是直接影响LED照明普及速度的关键因素。人们期望以LED灯的购置成本+能源成本+维护成本+废弃物处理成本比白炽灯和荧光灯低，但消费者仍以购置成本为选择标准，LED将来如何发展？一是做小→尺寸小二是做大→功率大三是做快→散热快四是做低→成本低五是独立→集成IsLEDreadyforilluminationmarket?*“SolidStateLightingMulti-yearProgramPlan”,availableonhttp:///buildings/publications/pdfs/ssl/ssl_mypp2013_web.pdfNeedtoreducecost/lumenMetric20122015Goalafter2020WhiteLEDPrice($/klm)7.9-62.3-20.5Table1.SummaryofLEDpackagepriceandperformanceprojectionsShortcutsolution:Increaseradiantpower/LEDbyincreasinginjectioncurrentdensity*Kim,M.-H.,M.F.Schubertetal.Appl.Phys.Lett.91,183507.Ataconstanttemperature,efficiencydropsasforwardcurrentincreasesChip

area1mm2HighcurrentleadtoefficiencydroopThermalModelofLEDssystemTjTSTboardTaTbondingRchipRbondingRS+solderRboardTjRinnerTaRinterRexterThsRhsRconvTj:junctiontemperatureRchip:

thermalresistanceoftheLEDchipTbonding:temperatureofsubmountbondingRbonding:thermalresistanceofbondingTs:substratetemperatureRs+solder:thermalresistanceofsubstrateandbacksolderTboard:temperatureofboardRboard:thermalresistanceofboardTTIM:temperatureofTIMRTIM:thermalresistanceofTIMThs:temperatureofheatsinkextremityRhs:thermalresistanceofheatsinkRconv:equivalentthermalresistanceofconventionheattransferTa:ambienttemperaureRTIMTTIMCommondesignsforInGaN-GaNLEDsChipConventionalchipVerticalflipchipFlipchipGeometricwindowlayerflipchipLightextractionNotgoodCurrentspreadingFairThermalresistanceNotgoodLightextractionGoodCurrentspreadingFairThermalresistanceGoodLightextractiongoodCurrentspreadingGood

ThermalresistanceExcellentLightextractionExcellentCurrentspreadingGood

ThermalresistanceExcellentRinnerofLEDsCathoden-typeGaN(3~5

m)Activelayer(

100nm)p-typeGaN(150~300nm)SiCSubstrate(chipthickness-30

m)GapGeometricwindowlayerflipchipAnodeChipArea(mm2)Rn-GaNSubstrateRinnerRσ

(K·cm2/W)materialRSCreeDA-10001.000.23~0.38SiC305m0.761.141.14E-2Table5.Innerthermalresistanceofgeometricwindowlayerflipchip(K/W)HeatpipeHeatsink(Condenser)Heats