LED作为新一代照明能源,在能源危机日益加重的背景下引起科研人员和公众的高度重视并受到全世界的推广。然而,在全球布局LED应用产品的今天,LED逐步向大功率方向发展,伴随而来的热问题越来越突出。尽管很多新的技术已经被开发出来用于LED散热,然而目前商用的LED产品其70%的电输入功率以热的形式浪费,自热效应对LED发光效率的影响依然非常突出,大功率LED的热损耗更为严重。本文主要研究了 LED结温的测试方法,提出一种可行的LED测量方案,其次研究了 LED温升对量子效率和能量转换效率影响的研究,最终优化散热热沉。主要的工作以及创新点有以下几个方面:LED结温的测量。半导体中载流子的浓度决定了器件的许多电性能,而温度的高低与载流子浓度息息相关,因而准确测量结温在LED研究中扮演着重要的角色。目前结温测试方法有多种,每种方法都有各自的优缺点,根据现实场合的需要可以选择不同的测量方案。本文以肖克莱方程为基础,归纳整合肖克莱方程中温度相关参数,通过数学推导出一个关于电流电压和结温的关系式。通过该关系式我们获得在电压恒定的情况下,LED的电流对数与温度的倒数线性相关,并充分使用该关系提出一种测量LED结温的方法。采用该方法只要事先测量电流结温关系式中的温度敏感系数,采集LED的电流即可获得结温。我们实际测试蓝光和白光LED在不同温度下的电流来验证该理论模型的正确性,同时与同样条件下利用正向电压法测出来的结温相对比,发现两者结果相差无几。使用这种方法测量LED时,我们观察到在测试电压范围为2.0 V到2.5 V时,采集的电流随温度变化相对比较灵敏。而且在2.4 V时,电流值对数与温度值倒数的线性比例系数达到峰值,意味着在该电压条件下,测量灵敏度最高。该方法具有以下优点:1、降低了 LED自热效应带来的系统误差,提高了测量的精确度。2、在灵敏度上相对于与正向电压法灵敏度高出两个数量级,在检测温度变化较细微的情况下更具优势。3、该方法避免了光谱法所需要的暗室环境及昂贵的光谱仪设备采集分析光谱,降低企业和实验室成本。自热效应对量子效率影响。随着驱动电流的升高,一方面量子阱载流子浓度升高引起俄歇复合或载流子溢出,另一方面热功率变大导致结温上升,两者共同导致LED的量子效率下降。散热封装的设计主要就是将这部分热及时传递到外界空中,以降低其对LED的负面作用。为精确量化这部分热对LED量子效率的影响,我们通过数学推导将电流和结温单一因素对量子效率的影响区分开来,引入TIP作为温升引起的量子效率下降。在模型中,我们提出了参数TIP作为电流上升自热效应对量子效率的惩罚,并获得一种测量无自热效应影响的LED量子效率。通过我们建立的模型,我们在测试红绿蓝三款LED发现,排除TIP之后,蓝光和绿光LED随电流上升发生量子效率下降现象,而红光LED未出现。从实验结果来看,热引起的量子效率下降在所有LED均存在,并且严重降低了量子效率。本章节的亮点在于:(1)用TIP来量化自热效应对LED量子效率的影响以及判定LED封装的性能,即能直观判定LED的封装散热能力优良情况,又能量化热引起的量子效率结果;(2)通过间接的方法,完全消除了自热效应的影响。电压对LED能量转换效率的影响。能量转换效率是衡量LED节约功能的最直接体现。当正向电压Vf<Vg,由于注入电子的能量低于发出光子的平均能量,因而发生辐射复合需要吸收外界能量。因此,在小电压区域,通过抬高外置电压或提供热量也能够促进量子效率的上升。当Vf= Vg时,LED的量子效率达到峰值,此时电子的能量与辐射光子的平均能量相匹配。当Vf>Vg时,我们认为,如果LED的载流子从电源中获得的能量大于其辐射光子时,若该载流子发生辐射复合,其剩余能量将以热的形式释放。根据该假设,我们从理论上分析了能量转换效率与量子效率和外置电压之间的关系,建立了简单的数学模型。我们搭建实验,通过使用率最为广泛的红绿蓝和紫外四种LED作为实验样品,验证本方法的可靠性。通过误差分析,从能量转换效率计算出来的量子效率与光谱仪测量出的量子效率误差不超过1.4%。由于光谱随电流变化会发生红移或者蓝移,直接对最终的测量结果会产生一定的误差,但光谱移动引入的误差在一般工作条件下为仅为1.2%,可以忽略不计。大电流情况下能量转换效率下降来源于两个方面原因,一个是量子效率下降,另一个是外置电压过高引起参与辐射复合的载流子能量剩余,且后者是引起能量转换效率下降的主要原因。优化散热热沉。LED芯片面积小,需要外置散热器件辅助才能将其产生的热量导入到空气中。降低LED芯片的温度可以改善LED的效率,对发挥LED节约能源优势具有重大作用。利用翅片沿半径方向绕着周边排布能够提高热沉的散热效果。选择了一款通用的圆板加多个星射线翅片作为研究对象,建立该样品的物理模型并用COMSOL进行数值模拟分析。将模拟结果于热电偶测量的结果进行比较,在相等热功率的作用下,热源的平均温度最大误差不超过3%。改变网格的数量,在网格数量相差较大的情况下,热源的平均结温基本不变,证明仿真结果与网格无关。然后改变翅片的外形,研究翅片的散热能力与长宽厚以及数量之间的关系。结果表明,(1)长度方面,随着翅片长度的增加,翅片的散热效果会呈现先增强后减弱,下降的原因是小的翅片间距阻碍空气从外部流通到散热热沉中心,从而引起整体散热效果变差;(2)数量方面,翅片数量的增加会导致翅片的密集程度加大,片与片之间的距离减小使气流受到阻碍,最终引起散热效果也是先增强后变弱;(3)外宽内窄的梯形翅片可以比长方形翅片提供更大的冷却功效。从中我们归纳了几个在翅片散热中需要注意的事项。(1)基板圆板由于靠近热源,温度比较高。圆形底板的外围空气冷,流动几乎无阻碍。因此在圆盘周边温差大,流速快,对流传热效率高,应当在此适当增加翅片的面积或数量。(2)翅片群的中心或圆盘的中心温度最高,然而周边流速几乎为零,导致热空气滞留,不利散热。设计时应该从外部导入冷空气。(3)翅片的长度应当选择合适的尺寸,避免阻碍空气流通从而引起整体散热效果变差。(4)提高表面辐射系数能有效改善热沉散热。