Исследование яркости SMD светодиодов при повышенных температурах в режиме стабилизации напряжения

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 160 оС.

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-

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	AlGaInP	красный	2	20
FYLS-3528BUYC	AlGaInP	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 FDS100

Рис 1. Начальные участки ВАХ красного – 1, желтого - 2 , зеленого - 3 и синего - 4

излучающих диодов

Рис. 2. Структурная схема измерительной установки

фирмы Thorlabs 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 STM32F100C4T6B 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 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

а

б

в

г

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 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

= 0,6 о i°-4

ст

0,2

— 0 250

0,8

0,6 < S

о

0,4 •—

0,2

100     150

Температура, град С

Рис. 4. Зависимость относительной яркости – 1 и тока – 2 (мА) от температуры для зеленого излучающего диода нами этих полей должны увеличивать вероятность излучательной рекомбинации в квантовых ямах. Уменьшение суммарного электрического поля в барьерах уменьшает вероятность безызлучательных 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-

Рис. 5. Зависимость относительной яркости – 1 и тока – 2 от температуры для синего излучающего диода

Температура, град С

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»