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.