LED发光原理及其相变散热器.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,LED,的发光,原理及特性,LED,是什么,?,LED,是“,light emitting diode”,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,-,族或,-,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,+,-,n,p,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,（,nm),代表波长,红（,Red,）,780,630,700,橙（,Orange,）,630,600620,黄（,Yellow,）,600,570,580,绿（,Green,）,570,500,550,青（,Cyan,）,500,470,500,蓝（,Blue,）,470,420,470,紫（,Violet,）,420,380,420,光的峰值波长,与发光区域的,半导体材料禁带宽度,g,有关，即,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,1.59,3.26 eV,之间。,在此能量范围之内，带隙为直接带的,-,族或,-,族半导体材料只有,GaN,、,GaP,等少数材料，也可以利用,-,族或,-,族二元化合物组成新的三元或四元,-,族或,-,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。,0,I,F,反向死区,V,B,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,U,ON,正向电流,I,F,正向电压,V,F,反向电压,V,R,B,C,E,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,I,F,：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,I,F,在,0.6,I,Fm,以下。,正向工作电压,V,F,：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,I,F,=20mA,时测得的，正向工作电压,V,F,在,1.5,2.8V,。功率级,LED,一般在,I,F,=350mA,时测得的，正向工作电压,V,F,在,2,4V,。在外界温度升高时，,V,F,将下降。,最大反向电压,V,Rm,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,P,t,:the thermal dissipation power of the LED device(W),V,f:,the forward voltage of the LED(V),I,f,:the source current to the LED(A),:range from 53%to 79%,1-,电阻损耗,(19-10%),2-Nonradiative-InGaN(41-9%),3-Opt absorption-blue(6-12%),4-Visible radiation-blue(34-69%),5-Photon down-conversion(7-14%),6-Nonradiative-phosphor(1-3%),7-Opt.absorption-phosphor(5%),8,-Visible radiation-white(21-47%),*“Thermal management,of Cree Xlamp,LEDs”,available on,Michael R.Krames et al.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,PN,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,、,PN,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,Is LED ready for illumination market?,*“Solid State Lighting Multi-year Program Plan”,available on,,apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ssl_mypp2013_web.pdf,Need to reduce cost/lumen,Metric,2012,2015,Goal,after 2020,White LED Price,($/klm),7.9-6,2.3-2,0.5,Table 1.Summary of LED package price and performance projections,Shortcut solution:,Increase radiant power/LED by increasing injection current density,*Kim,M.-H.,M.F.,Schubert et al.Appl.Phys.Lett.,91,183507.,At a constant temperature,efficiency drops as forward current increases,Chip,area 1 mm,2,High,current,lead to efficiency droop,Thermal Model of LEDs system,T,j,T,S,T,board,T,a,T,bonding,R,chip,R,bonding,R,S+solder,R,board,T,j,R,inner,T,a,R,inter,R,exter,T,hs,R,hs,R,conv,T,j,:junction temperature,R,chip,:,thermal resistance of the LED chip,T,bonding:,temperature of submount bonding,R,bonding:,thermal resistance of bonding,T,s,:substrate temperature,R,s+solder,:thermal resistance of substrate and back solder,T,board,:temperature of board,R,board,:thermal resistance of board,T,TIM,:temperature of TIM,R,TIM,:thermal resistance of TIM,T,hs,:temperature of heat sink extremity,R,hs,:thermal resistance of heat sink,R,conv,:equivalent thermal resistance of convention heat transfer,T,a,:ambient temperaure,R,TIM,T,TIM,Common designs for InGaN-GaN,LEDs Chip,Conventional chip,Vertical flip chip,Flip chip,Geometric window layer flip chip,Light extraction,Not good,Current spreading,Fair,Thermal resistance,Not good,Light extraction,Good,Current spreading,Fair,Thermal resistance,Good,Light extraction,good,Current spreading,Good,Thermal resistance,Excellent,Light extraction,Excellent,Current spreading,Good,Thermal resistance,Excellent,R,inner,of LEDs,Cathode,n-type GaN(35,m),Active layer(,100 nm),p-type GaN(150300 nm),SiC Substrate,(chip thickness-30,m),Gap,Geometric window layer flip chip,Anode,Chip,Area,(mm,2,),R,n-GaN,Substrate,R,inner,R,(Kcm,2,/W),material,R,S,Cree,DA-1000,1.00,0.230.38,SiC,305,m,0.76,1.14,1.14E-2,Table 5.Inner thermal resistance of geometric window layer flip chip(K/W),Heat pipe,Heat sink,(Condenser),Heat source,(Evaporator),Wick structure,Vapor Space,Evaporated Vapor,Condensed liquid,Vapor Camber+Heat Sink,*X.Luo et al.,Proceedings of 60,th,IEEE ECTC,2010,Heat sink,(Condenser),Heat source,(Evaporator),Vapor Chamber,Evaporated Vapor,Condensed liquid,(b),Wick structure,3D-Heat pipe,Thermal Resistance of LEDs system,R,inner,T,a,R,inter,R,exter,0.321.14 K/W,0.423.16 K/W,Cooling,Strategy,C-HS,HP-HS,VC-HS,3D-HP,LC,MLC,R,th,(K/W),23,0.16,0.08,0.04,1.88,0.12,C-HS:Conventional heat sink,HP-HS:Heat pipe+heat sink,VC-HS:Vapor Chamber+heat sink,3D-HP:3D-Heat pipe,LC:Liquid cooling,MLC:Microchannel liquid cooling,相变散热相比传统散热方式有极大提升，而,3D,热管相比于其它相变散热技术也有很大提升,谢谢,