Вплив температури на спектральні і електричні характеристики світловипромінюючих діодів

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

НАУКОВА КОНФЕРЕНЦІЯ МОЛОДИХ ДОСЛІДНИКІВ

"КРОК У МАЙБУТНЄ"

Контрольна робота

ВПЛИВ температури на спектральні і ЕЛЕКТРИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ Світловипромінювальний ДІОДІВ

Робота виконана:

учнем 11 класу МОУ ліцей № 8

Перевозчикова Данилом

Науковий керівник:

головний науковий співробітник

Інституту фізики ДНЦ РАН,

доктор фіз .- мат. наук

Зобов Є.М.

Махачкала - 2009 р.

Введення

У температурному діапазоні 300-90 До досліджено електролюмінесценція, вольт-амперні і люкс-амперні характеристики промислових «фіолетових» і «жовтих» світловипромінюючих діодів. Встановлено, що зі зниженням температури у «фіолетових» світлодіодів зменшується інтенсивність випромінювання і спостерігається «шнурувальна» струму. На відміну від «фіолетових» світлодіодів, інтенсивність випромінювання «жовтих» світлодіодів при 90 К зростає, однак спектр випромінювання має квазідіскретную структуру.

Дослідження електричних характеристик світлодіодів дозволили припустити, що при низьких температурах в гетероструктурах, з яких виготовлені світлодіоди, змінюються механізми процесів генерації і рекомбінації носіїв заряду.

Світлодіод - це напівпровідниковий прилад, що генерує (при проходженні через нього електричного струму) оптичне випромінювання, яке у видимій області сприймається як одноколірне (монохромне). Колір випромінювання світлодіода визначається як використовуваними напівпровідниковими матеріалами, так і легуючими домішками. Сучасні промислові світлодіоди виготовляються на основі p - n-гетероструктур InxGa1-xN/AlyGa1-yN/GaN або. InxGa1-xP/AlyGa1-yP/GaP. Світлодіоди служать реальною альтернативою традиційним джерелам світла, тому що вони мають малими розмірами, мають малий енергоспоживанні. Володіючи такими властивостями, як точна спрямованість світла і можливість керування інтенсивністю і кольором випромінювання, вони вже сьогодні застосовуються в архітектурному та декоративному освітленні, на їх основі створені рекламні екрани кольорового зображення [1].

Однак, температурний діапазон експлуатації світлодіодів обмежений (+40  -20 0С), а в доступній нам літературі ми не знайшли відповідь на наше запитання: «Чому світлодіоди нездатні працювати при більш низьких температурах?». Якщо немає відповіді, то його треба шукати.

Мета роботи - встановлення причин низькотемпературної нестійкості режиму роботи промислових світловипромінюючих діодів.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні завдання:

- В температурному діапазоні 300 - 90 К досліджувалися спектри електролюмінесценції, вольт-амперні і люкс-амперні характеристики «фіолетових» і «жовтих» світлодіодів;

- Проводився аналіз процесів токопереноса, генерації і рекомбінації носіїв заряду в гетероструктурах при різних температурах.

Робота виконана на експериментальній базі Аналітичного центру колективного користування Інституту фізики Дагестанського наукового центру РАН.

1 МЕТОДИКА І ТЕХНІКА ЕКСПЕРИМЕНТУ

Для дослідження нами були обрані «фіолетовий» та «жовтий» світлодіоди.

Рис. 1 Блок - схема експериментальної установки для дослідження фотолюмінесценції, зібраної на базі спектрально-обчислювального комплексу КСВУ-2

1 - зразок у криостате, 2 - монохроматор МДР -23, 3-4 блок живлення джерела фотозбудження, 5-6 - блоки оптичних фільтрів з конденсора, 7 - ФЕУ, 8 - блок управління і реєстрації сигналу, 9 - підсилювач (UNIPAN 232B) , 10 - модулятор, 11-блок реєстрації температури, 12-блок електроживлення зразка, 13 - вакуумний пост.

Дослідження спектрів електролюмінесценції світлодіодів проводилися на установці, зібраної на базі спектрально-обчислювальні комплекси КСВУ-23 (рис. 1).

Головним елементом оптичної системи цієї установки є монохроматор МДР-23 (2). У залежності від спектрального діапазону вимірювань використовуються дифракційні решітки 1200, 600 і 300 штр. на мм.

Рис. 2

Для зняття вольт-амперних і люкс-амперних характеристик світлодіода застосовувалася стандартна схема (рис. 2). Світлодіод закріплювався на хладопроводов і містився в кріостат (1).

Випромінювання світлодіода модулювався механічним модулятором (10) і фокусувалася (6) на вхідну щілину монохроматора МДР-23 (2). В якості детектора випромінювання використовувався фотопомножувач (7) типу ФЕУ-100 (спектральний діапазон чутливості 200-700 нм), сигнал з якого для підсилення подається на вхід селективного нановольтметра Unipan-232 В (9), а потім на вхід блоку управління та реєстрації ( 8) включає і ЕОМ.

Охолодження зразка проводиться за допомогою хладагента (рідкий азот) шляхом заливання його в склянку кріостата (1). Для нагріву зразка використовується електричний нагрівач. Температура фіксується мідь-константанові термопарою.

2 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ РЕЗУЛЬТАТИ

Спектри електролюмінесценції, досліджених нами світлодіодів представлені на рис. 3-4.

Рис. 3, а. Спектри випромінювання (ЕЛ) «фіолетового» світлодіода при Т = 300 К в залежності від величини струму I, mA: 4.1; 11.9; 15.2.

Рис. 3, б. Спектр випромінювання (ЕЛ) «фіолетового» світлодіода при Т = 90 К в залежності від величини струму I mA: 2.76; 4.53, 6.7; 15.8

Рис. 4, а. Спектри випромінювання (ЕЛ) «жовтого» світлодіода при Т = 300 К, величина струму I = 12.9 mA

Рис. 4, б. Спектр випромінювання (ЕЛ) «жовтого» світлодіода при Т = 90 К в залежності від величини струму I mA: 0.23; 1.0; 2.15; 3.7

Вольт-амперні і люкс-амперні характеристики світлодіодів представлені на рис. 5-8, а температурні залежності струмів та інтенсивності їх випромінювання на рис. 9-10.

Рис. 5. Вольт-амперні характеристики «фіолетового» світлодіода

Рис. 6. Люкс-амперні характеристики «фіолетового» світлодіода

Рис. 7. Вольт-амперні характеристики «жовтого» світлодіода

Рис. 8. Люкс-амперні характеристики «жовтого» світлодіода

Рис. 9. Температурні залежності струму «фіолетового» світлодіода і інтенсивності його випромінювання

Рис. 10. Температурні залежності струму «жовтого» світлодіода і інтенсивності його випромінювання

Отримані експериментальні дані показують, що зі зниженням температури у «фіолетових» світлодіодів спостерігається зменшення інтенсивності випромінювання (рис. 3 та рис. 9) і ізменгеніе механізму протікання струму (рис. 5). Для виведення даного світлодіоди в робочий режим при 90 К необхідно збільшувати величину робочої напруги в два рази. Зростання напруги живлення світлодіода призводить до S-образної вольт-амперної характеристики (рис. 5), що свідчить про «шнурувальна» струму протікання.

У «жовтого» світлодіода температурна залежність інтенсивності випромінювання має більш складний вигляд (рис. 10), при 90 К інтенсивність випромінювання стає більше, ніж при 300 К (порівняй рис. 4а та 4б). При цьому, спектр випромінювання складається з квазідіскретних смуг. Для виведення світлодіоди в робочий режим при 90 К необхідно збільшувати напругу живлення більш, ніж у два рази.

3 ІНТЕРПРЕТАЦІЯ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДАНИХ

Випромінювальна здатність «фіолетових» світлодіодів, виготовлених на основі p - n-гетероструктур InGaN / AlGaN / GaN з квантовими ямами (рис. 11), визначається інтенсивністю процесів тунельної випромінювальної рекомбінації [2]. Тунелювання

Рис. 11. Енергетична діаграма гетероструктури типу InGaN / AlGaN / GaN c одиночної квантовою ямою InGaN. Стрілкою показаний тунельний перехід електронів з квантової ями в p-область з випромінюванням кванта світла

Рис. 12. Енергетична діаграма p - n + - структури на основі GaP. Стрілкою показаний перехід електронів при анігіляції екситонів з випромінюванням кванта світла

Носіїв заряду з квантових ям носить активаційний характер і залежить, як від величини електричних полів у гетероструктурі, так і від температури. Отримані нами експериментальні результати, швидше за все є наслідком того, що при зниженні температури тунелювання носіїв заряду з квантових ям зменшується, і інтенсивність випромінювання світлодіода падає (рис. 3 і 9).

Зниження температури проводить до того, що в силу зменшення енергії термічної іонізації, у квантових ямах інжектованих носіїв заряду заповнюють не тільки нижні, але і верхні квантові рівні. Йде накопичення електричного заряду в квантових ямах, що супроводжується зростанням внутрішнього електричного поля в гетероструктурі. Коли величина поля досягає критичного значення, настає тунельний «пробій», що супроводжується шнурувальна струму (S-подібна ВАХ на рис. 5) і різким збільшенням інтенсивності випромінювання (рис. 6).

«Жовті» світлодіоди виготовляються з p - n-гомоструктурою на основі фосфіду галію (рис. 12). Основним механізмом випромінювальної рекомбінації в них є екситонних [3]. Спектри випромінювання екситонів складаються з серії вузьких смуг. Внаслідок температурного розширення спектральних смуг при Т = 300 К спектр випромінювання «жовтого» світлодіода складається з однієї смуги зі слабко вираженою структурою (рис. 4, а). При зниженні температури від 300 до 90 К температурне уширення спектральних ліній поступово «знімається» і при 90 К починає повністю проявлятися квазідіскретний спектр екситонної люмінесценції (рис. 4, б). Інтенсивність цієї люмінесценції буде визначатися концентрацією пов'язаних електронно-діркових пар, яка у свою чергу залежить від концентрації інжектованих носіїв заряду (рис. 7, 8).

ВИСНОВКИ

На підставі проведених експериментів, було встановлено:

1. При температурах нижче - 200 С спостерігаються порушення режимів роботи світлодіодів, що супроводжується змінами в їх спектральних і струмових характеристиках;

2. Температурна нестійкість режимів роботи світлодіодів визначається механізмом рекомбінації інжектованих носіїв заряду в гомо - та гетероструктурах.

Література

1. А.Е. Юновіч. Світить більше - гріє менше. / / Екологія і життя. 2003, № 4 (33), с. 61-64.

2. В.Є. Кудряшов, А.Е Юновіч. Тунельна випромінювальна рекомбінація в p - n-гетероструктурах на основі нітриду галію / / Журнал експериментальної і теоретичної фізики, 2003, т. 124, ст. 5, с. 1133-1137.

3. В. І. Гавриленко, А.М. Гріхів, Д.В. Корбутяк, В.Г. Литовченко. Оптичні властивості напівпровідників (довідник). / / Київ: вид-во "Наукова Думка" .- 1987, с.369-379.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Контрольна робота
42.6кб. | скачати


Схожі роботи:
Спектральні характеристики електролюмінофори ZnS Cu Mn
Спектральні характеристики електролюмінофори ZnSCuMn
Динамічні характеристики засобів контролю температури киплячого шару
Вплив температури на життєві процеси
Вплив температури на швидкість хімічної реакції
Вплив температури на міграційно прискорене гасіння фосфоресценції
Вплив температури на концентрацію триплетних молекул у твердих ра
Вплив опромінення електронами з Е 1 2 МеВ на електричні фотоелектричній оптичні властивості мон
Вплив температури на доменне структуроутворення в сегментованих уретанових полімерах
© Усі права захищені
написати до нас