CC BY
218
УДК 681.7068
ИССЛЕДОВАНИЕ ЯРКОСТИ SMD СВЕТОДИОДОВ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ В РЕЖИМЕ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ
© 2012 А.В. Беринцев1, С.Г. Новиков2, И.С. Федоров2
1 Научно-исследовательский технологический институт УлГУ 2 Ульяновский государственный университет
Поступила в редакцию 20.11.2012
В работе исследуется поведение излучающих диодов при токах порядка нескольких микроампер в диапазоне температур от 27 до 250°С. Обнаружен линейный рост яркости с увеличением температуры для синих и зеленых светодиодов в исследуемом диапазоне.
Показана возможность использования излучающего диода в качестве сенсора температуры с оптическим выходом.
Ключевые слова светодиод, температура, измерение, оптический датчик температуры
Появления люминесценции у современных излучающих диодов (ИД) при токах порядка нескольких микроампер является интересным фактом и стимулирует исследования в области физики работы излучающих диодов и технике их применений. Наличие зависимости параметров люминесценции при малых токах от внешних факторов, таких как температура, электрические и магнитные поля, а также радиационное воздействие, позволило бы использовать излучающие структуры в качестве первичных преобразователей и сенсоров. Сопряжение такого преобразователя с линией передачи оптического сигнала, и, посредством линии с измерительной аппаратурой позволит создать датчики нового типа.
В данной работе исследуется поведение излучающих диодов при токах порядка нескольких микроампер в диапазоне температур от 27 до 250°С для оценки возможности использования излучающего диода в качестве сенсора температуры с оптическим выходом. Были проведены исследования зависимости яркости от температуры светодиодов красного, желтого, зеленого и синего цветов свечения.
Принцип измерения температуры с помощью р-п-перехода известен давно и широко используется для измерения температуры кристаллов светодиодов [1-5]. В качестве термочувствительного параметра обычно используется прямое падение напряжения на светодиоде, линейно зависящее от температуры в широком диапазоне. Такие измерения проводятся в режи-
Беринцев Алексей Валентинович, инженер. E-mail: berints@mail.ru
Новиков Сергей Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры радиофизики и электроники. E-mail: novikovsg@ulsu.ru Федоров Иван Сергеевич, студент. E-mail: senseytreyser@mail.ru
мах близких к номинальным, при токах порядка десятков-сотен миллиампер. При этом нагрев кристалла осуществляется не внешним источником, а за счет выделения энергии на активном сопротивлении излучающего диода при прохождении через него тока. Температура кристалла в номинальных режимах может достигать значений 100-120 °С. В этой ситуации сложно говорить об использовании излучающих диодов в качестве температурного сенсора. Для снижения температуры кристалла возможен переход к режиму импульсного питания или в микротоковый режим. В этом режиме собственная температура кристалла близка к температуре окружающей среды. В свою очередь внешний нагрев кристалла также изменяет параметры ВАХ излучающего диода и его можно измерять с помощью различных термочувствительных параметров (токов и напряжений). Если в роли сенсора использовать излучающий диод, то в качестве термочувствительных параметров можно использовать светотехнические характеристики.
Для большинства современных излучающих диодов, работающих в номинальных режимах наблюдается снижение энергетической яркости свечения с ростом температуры. При этом установлено, что зависимость энергетической яркости излучения светодиода от тока при низком уровне инжекции близка к линейной. Верхний предел температурного диапазона, в котором исследуют излучающие диоды ограничивается значением 160оС.
Несмотря на известные перечисленные факты в режимах малых токов яркость излучения диодов при высоких внешних температурах (свыше 200 оС) к настоящему моменту мало изучена, за исключением небольшого числа работ, касаю-
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 14, №°4(4), 2012
Таблица 1. Номинальные параметры и характеристики изучаемых светодиодов
Тип Структура Цвет Прямое падение напряжения, В Прямой ток, мА
FYLS-3528UBC InGaN синий 3,2 20
FYLS - 3528PGC InGaN зеленый 3,2 20
FYLS-3528BURC AlGalnP красный 2 20
FYLS-3528BUYC AlGalnP желтый 2 20
щихся в основном вопросов повышения КПД [9].
В качестве объектов исследований избраны коммерческие SMD светодиоды красного, желтого, зеленого и синего свечения фирмы Foryard optoelectronics.
Номинальные параметры и характеристики исследуемых светодиодов приведены в табл.1.
Типовые вольт-амперные характеристики (ВАХ) исследуемых излучающих диодов в режиме малых токов при комнатной температуре представлены на рис. 1.
На начальном участке ВАХ для всех типов излучающих диодов наблюдаются значительные шумы, которые сопоставимы с измеряемым током и напряжением. С ростом тока данные шумы исчезают. При этом необходимо отметить, что на
начальном участке (0,5-0,7 мкА) уже визуально наблюдается слабая люминесценция структур.
Для проведения экспериментальных исследований зависимостей параметров и характеристик излучающих диодов от температуры разработана автоматизированная установка, структурная схема которой приведена на рис. 2.
Измерительная установка состоит из нагревателя с датчиком температуры, источника тока, фотоприемника, модуля измерения и управления и персонального компьютера. Измеряемые характеристики отображаются на экране компьютера и сохраняются в виде файла, пригодного для дальнейшей обработки.
В качестве фотоприемника использован высокоскоростной кремниевый фотодиод БВЗЮО
0,08 г
0,06
1 / 2 з/ 4(
<
2 0,04
.о
0,02
1,2
1,4
1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8
Напряжение, В
Рис 1. Начальные участки ВАХ красного - 1, желтого - 2 , зеленого - 3 и синего - 4
излучающих диодов
Рис. 2. Структурная схема измерительной установки
фирмы ТЬог1аЫ с полосой чувствительности от 350 до 1100 нм, временем срабатывания 10 нс и максимальным темновым током 20 нА.
Модуль измерения и управления реализован на микроконтроллере 5ТМ32П00С4Т6Б и обеспечивает: управление двумя выходными сигналами от 0 до 2,75 В; измерение напряжения (до трех входных сигналов); измерение температуры; измерение тока и напряжения на исследуемом ИД; обмен данными с персональным компьютером.
Методика измерений заключается в следующем. На первом этапе, при комнатной температуре, производится измерение вольт-амперных и яркостных характеристик светодиодов для определения рабочей точки. Рабочая точка должна удовлетворять следующему условию — минимальные значения прямого тока и напряжения на светодиоде при уровне выходного сигнала с фотоприемника соответствующего 10-15% от максимального. После установки начальных значений тока и напряжения производился постепенный нагрев образца с измерением текущих
0,3 г
0,25 0,2 < 0,15 н 0,1
0,05^
0
-0,05 -1
1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 Напряжение, В
значений температуры, относительной яркости, напряжения и тока. Использование пакета LABVIEW позволило осуществить измерение в автоматическом режиме. Погрешность измерения составила: температуры - 0,5 град; напряжения — 8 мВ; тока — 0,003 мА.
При измерениях излучающий диод подключался к источнику постоянного напряжения через постоянный резистор, в результате ток и напряжение светодиода одновременно изменяются с изменением температуры.
На первом этапе были исследованы ВАХ всех четырех излучающих диодов в зависимости от температуры. С увеличением температуры происходит снижение прямого падения напряжения на структурах, снижение внутреннего электрического сопротивления диодов, что приводит к росту тока при фиксированном напряжении. Увеличение тока сказывается на увеличении энергетической яркости.
На следующем этапе проводилось измерение фототока фотоприемника, находящегося при нормальных условиях от температуры нагрева
0,5
0,4
0,3
* 0,2 о
0,1 О
-0.1 -1
1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 Напряжение, В
0,6 0,5 0,4 | 0,3
I 0,2 0,1 0 -0.1
/
5 /
/ ч
/ 2/ / 1
I
1,1
1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 Напряжение, В
1,8
0,4
0.3
2 0,2
з)
2
) 1 у
I
0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,1 Напряжение, В
Рис. 3. Изменение ВАХ с температурой для синего (а), зеленого (б) желтого (в) красного (г) светодиодов:
1 - 27 оС; 2 - 100 оС; 3 - 150 оС; 4 - 200 оС; 5 - 250 оС
б
а
в
г
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 14, №4(4), 2012
излучающего диода. Результаты измерений представлены на рис. 4-7.
Для синих и зеленых излучающих диодов реализованных на основе InGaN структуры в диапазоне температур до 250 оС наблюдается рост яркости (рис. 4. 5), в то время как для красных и желтых диодов наблюдается спад (рис.6.7).
Кроме того, интенсивность излучения светодиодов на основе InGaN изменяется с температурой слабее, чем светодиодов на основе AllnGaP. Причина такого поведения яркостных характеристик заключается в следующем:
Во-первых, в широкозонных материалах на основе нитридов III группы потенциальный барьер между активным и барьерными слоями гораздо выше, чем в других системах. Поэтому носителям трудно преодолеть эти барьеры, что значительно снижает вероятность утечки носителей из активной области [9].
Во-вторых, в работе [10] было отмечено, что пьезоэлектрические поля в структурах InGaN / GaN приводят к пространственному разделению электронов и дырок в ямах. Поэтому легирование барьеров донорами и экранировка электро-
0,8
Е 0,6
о 0,4
0,2
1
>
Г*1*
0,8
0,6 < S
0,4 ^
0,2
нами этих полей должны увеличивать вероятность излучательной рекомбинации в квантовых ямах. Уменьшение суммарного электрического поля в барьерах уменьшает вероятность безыз-лучательных туннельных токов. Это также способствует увеличению квантового выхода излучения с температурой.
Для всех светодиодов зависимость яркости от температуры близка к линейной, что позволяет использовать данные структуры в качестве первичного преобразователя температуры в оптический сигнал. Отклонение от линейности составляет величину порядка 5%.
Кроме того установлено, что при низких токах, протекающих через излучающий диод все исследованные приборы сохраняют работоспособность до температур порядка 350 оС. Дальнейшее увеличение температуры приводит к выходу излучающего диода из строя, которое по видимому связано не с деградацией кристалла прибора а с деградацией соединений и деформацией подложки, на которой расположен кристалл.
Таким образом, проведенные исследования показывают, что излучающие диоды синего и зе-
50
100 150 Температура, град С
200
0 250
Рис. 4. Зависимость относительной яркости - 1 и тока - 2 (мА) от температуры для зеленого излучающего диода
Рис. 5. Зависимость относительной яркости - 1 и тока - 2 от температуры для синего излучающего диода
1
0,9
=t 0,8
ф
|0,7
и 0,6
2 о.
о; 0,5 0,4 0.3
\ ■о
V, 2
>
50 100 150 200
Температура, град С
1
0,9 0,8
0,7 < 0,6 £
0,5 0,4
0.3 250
Рис. 6. Зависимость относительной яркости - 1 и тока - 2 от температуры для красного излучающего диода
Рис. 7. Зависимость относительной яркости - 1 и тока - 2 от температуры для желтого излучающего диода
леного цвета свечения могут использоваться для создания преобразователей «температура-яркость свечения» с простой функцией преобразования с положительным температурным коэффициентом яркости, а красные и желтые излучающие диоды - с отрицательным температурным коэффициентом. Реализация дополнительных волоконных систем передачи оптического сигнала от излучающего диода к фотоприемнику позволит пространственно разделит области повышенной измеряемой температуры и области с нормальными условиями для работы измерительной аппаратуры.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы» и «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Соболев М.М., Никитин В.Г. Высокотемпературный диод на основе эпитаксиальных слоев GaP // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. №9. С. 1-7.
2. Сергеев В.А., Широков А.А. Определение локальных
температур в структурах красных AlInGaP/GaAs светодиодов в импульсном режиме / / Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35. Вып. 9. С. 1-10.
3. Xi Y. and Schubert E.F. Junction-temperature measurement in GaN ultraviolet light-emitting diodes using diode forward voltage method // Appl. Phys. Lett. 85, 2163 (2004).
4. Емельянов А.М., Соболев Н.А., Шек Е.И. Кремниевые светодиоды, излучающие в области зона-зонных переходов: влияние температуры и величины тока // Физика твердого тела. 2004. Т. 46. Вып. 1. С. 44-48.
5. Сергеев В.А., Ходаков А.М. Расчет и анализ распределений плотности тока и температуры по площади структуры InGaN/GaN мощных светодиодов // Физика и техника полупроводников. 2010. Т. 44. Вып. 2. С. 230-234.
6. Cao X.A., LeBoeuf S.F., Rowland L.B., Yan C.H., and Liu H. Temperature-dependent emission intensity and energy shift in InGaN/GaN multiple-quantum-well light-emitting diodes // Appl. Phys. Lett. 82, 3614 (2003).
7. Santhanam P. et all. Thermoelectrically Pumped Light-Emitting Diodes Operating Above Unity Efficiency // Phys. Rev. Lett. 108, 097403 (2012).
8. Влияние температуры на ампер-яркостные характеристики светодиодной структуры на основе InGaN / Н. С. Грушко [и др. ] // Физика и техника полупроводников. 2009. Т. 43. Вып. 10. С. 1396-1402.
9. Шуберт Ф. Светодиоды // Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. 2-е изд. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 496 с.
10. Мамакин С. С, Юнович А. Э., Ваттана А. Б., Маняхин Ф. И. Электрические свойства и спектры люминесценции светодиодов на основе гетеропереходов InGaN/ GaN с модулированно-легированными квантовыми ямами // ФТП. 2003. Т.37. Вып. 9. С. 1131-1137.
STUDY OF SMD LIGHT EMITTING DIODE BRIGHTNESS AT HIGH TEMPERATURES AT VOLTAGE STABILIZATION
© 2012 A.V. Berintsev1, S.G. Novikov2, I.S. Fedotov2
1 Research Institute of Technology 2 Ulyanovsk State University
We study behavior of light emitting diodes (LEDs) at the current of several mA in the temperature range of 27- 250 °C. Within this range, a linear increase of brightness with the temperature for green and blue LEDs is observed. It is shown that these LEDs could serve as a optical temperature sensor. Key words: light emitting diode, temperature, measurement, optical temperature sensor.
Alexei Berintsev, Engineer. E-mail: berints@mail.ru Sergey Novikov, Candidate of Technics, Associate Professor at the Radiophysics and Electronics Department. E-mail: novikovsg@ulsu.ru
Ivan Fedorov, Student. E-mail: senseytreyser@mail.ru
