MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306"

Rebeka Kozma
7 évvel ezelőtt
Látták:

1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 PN átmenetek hőmérséklet függése: néhány mérés LEDeken és egy kis ismétlés

2 Haitz törvénye Haitz törvénye a LED-ek fejlődéséről Fényáram / LED tok [lm] Vörös, $/lm Fehér, $/lm Vörös, fluxus Fehér, fluxus Expon. (vörös, fluxus) Expon. (vörös, $/lm) 1000 Húszszoros növekedés / 10 év ,1 0,01 Egy nagyságrendnyi csökkenés / 10 év 0, Év Egységnyi fényáram költsége [$/lm] PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET

3 Fotometriaia és termikus mérés JESD 51-52: LED hideg lemezen + CIE dokumentum szerinti fluxus mérés fotometria/radiometriai mérés állandósult (stabil) állapotban Detektor 2) P opt (T,I F ) η e (T,I F ) Φ V (T,I F ) egyenáramú elektromos táplálás 1) I F Mérendő LED I F V F Ulbricht gömb Szabályozott hőmérsékletű hideg lemez 5) R th-real és T J real számítása 5) Segéd LED I H Kényszerített áram I M 3) Termikus mérő berendezés Átkapcsolás I H -ról I M -re Feszültségváltozás mérése ΔV F (t) ~ ΔT J (t) JESD 51-51: termikus mérés JESD51-1 szerinti statitukus mérési módszerrel, hideg lemezzel, mint termikus környezettel hőellenállás / termikus impedancia mérése PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET )

4 Mentor Graphics MicReD rendszer: A tanszékkel közösen kifejlesztve 2005-ben. Azóta minden jelentős LED gyártó ezt használja. Ma mi is ezt használjuk... V(λ), V (λ), X long, X short, Z és radiometriai szűrő egy revolver tárban referencia LED LED hideg lemezen Si fotodetektor Termikus tranziens teszter vezérlő elektronika PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET

5 LED-ek: kétféle rekombinációs mechanizmus az átmenetben Direkt rekombináció: fényemisszió Indirekt rekombináció: disszipáció PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET

6 Ismétlés: generáció/rekombináció Generáció: pl. a termikus átlagenergia felhasználásával történő gerjesztéssel Rekombináció: energia leadása (hő, fény) A stafétát rekombináció révén adják át Elektronok vezetnek Lyukak vezetnek PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET

7 Recap: generation/recombination indirekt direkt W = 1 p 2m 2 p = W h k 2π 1 = 2m eff P GaAs: direkt sáv optoelektronika (LED-ek) Si: indirekt sáv, nincs fény emisszió, csak melegedés van 2 Indirekt rekombináció vagy fonon csatolt rekombináció. A fononok a félvezető egykristály rezgéseinek a kvantumai. A fononok "áramlása" a szilárd testben: hővezetés. Fonon emisszióval járó rekombináció hő disszipáció az energiaveszteség az egykristályt melegíti Direkt rekombináció: nincs impulzusváltozás nincs fonon keltés nincs disszipáció energiakülönbség leadása: elektromágneses sugárzással, pl. fény emisszió PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET

8 Generáció / rekombináció Spontán folyamatok: termikus gerjesztés ugrás a vezetési sávba rekombináció: visszatérés a vegyérték sávba equilibrium ~~~~> ν = W g /h <~~~~ νh > W g Direkt rekombináció fényemisszióval jár(hat), lásd: LED-ek Direkt sávű félvezetőknél foton emisszió: ΔW = W g = h ν A fény hullámhossza: λ = c/ν = h c /W g U g = (c h)/(λ q) Fényelnyelés generációt okozhat lásd: napelemek A fény hullámhossza (színe) W g sávszélességtől (anyagi minőségtől) függ PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET

9 Nyitófeszültség és a fény színe LED nyitófeszültség ~ U g Példa U g = (c h)/(λ q) Kék LED spektrumából csúcs hullámhossz: 447nm A LED-ek nyitófeszültsége a tiltott sáv szélességétől függ Kék: szélesebb tiltott sáv (rövidebb hullámhosszak) nagyobb V F (pl. 3 V) Vörös: keskenyebb tiltott sáv (hosszabb hullámhosszak) kisebb V F (pl. 1.5 V) c h = 3e e-34 = 1.988e-25 λ q = 4.47e e-19 = 7.16e-26 U g = 1.988/ = V PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET

10 LED színek és anyagok Két anyagrendszert használnak. Az így elérhető színek: a(z infra) vöröstől a sárgás zöldig (InGaAlP rendszer) a(z ultra ibolyától)/kéktől a kékes zöldig (InGaN/GaN rendszer) Létezik az ún. green gap nincs igazán hatékony igazi zöld LED PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET

11 LED spektrumok 1.2 Relatív spektrális teljesítményeloszlás rel.intenzitás fehér kék 1 kék 2 zöld 1 zöld 2 sárga narancs vörös hullámhossz, nm Fehér LED-ek: kék LED chip + fénypor PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET

12 Miért nem monokromatikus? A teljes emittált fluxus mérésével megmérhetjük a pn átmenet direkt rekombinációval vezetett áramát. W el Csúcs hullámhossz fél értékénél vett szélesség vezetési sáv k vegyérték sáv Csúcs hullámhossz W lyuk Sugárzás más hullámhosszakon (kisebb valószínűséggel: lásd a nyilak színét és vastagságát) Φ e 780nm 380nm S( λ) dλ Teljes emittált fényteljesítmény, vagy radiometriai fluxus vagy optikai teljesítmény PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET

13 Miért nem 100% fény? W el vezetési sáv k Sugárzással nem járó rekombináció indirekt állapotátmenet fonon emisszió kristályrács melegedése disszipáció vegyérték sáv W lyuk Radiative recombination PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET

14 LED elektromos karakterisztikák A nyitó karakterisztika alapvetően az ideális dióda karakterisztikával jellemezhető, de két részre bontjuk: A P H = I dis V F I rad I dis A LED-ek nyitófeszültsége a tiltott sáv szélességétől függ Kék: szélesebb tiltott sáv (rövidebb hullámhosszak) nagyobb V F (pl. 3.5 V) Vörös: keskenyebb tiltott sáv (hosszabb hullámhosszak) kisebb V F (pl. 2 V) I rad =P opt /V F C V F I F =I dis (T J ) + I rad (T J ) PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET

15 Fény emisszió és disszipáció A teljes betáplált elektromos teljesítmény: P el = V F I F I F [ exp( V / nv ) 1] + I [ exp( V / mv ) 1] ( V ) I F = dis F T rad F T P el dis [ exp( V ] [ ] F / nvt ) 1 VF + I rad exp( VF / mvt ) VF = I 1 P el dis Fény emisszióhoz tartozik Alkalmas idealitási tényezővel az ideális dióda-áram és a nem radiatív rekombinációs áram egybe vonható: [ exp( V ] [ ] F / mvt ) 1 VF + I rad exp( VF / nvt ) VF = I 1 P = diss P el Φ hő e fény Ez a radiometriai fluxus vagy optikai teljesítmény Φ e [mw] P opt PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET

16 LED-ek energiakonverziós hatásfoka elhanyagoljuk η e = P opt / P kiesik el I [ ] rad exp( VF / nvt ) 1 VF ηe = I [ ] [ ] dis exp( VF / mvt ) 1 VF + Irad exp( VF / nvt ) 1 VF η e η I e dis I exp( V I dis η ( T ) e F exp( VF / mv ) + I rad exp[ V I dis / F I T I /( m rad rad / nvt ) exp( V rad n) V T 1 exp[ V F ] + I /( m PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET F rad / nv n) V T T ] ) I dis erősebben nő a hőmérséklettel, ezért a hatásfok csökken növekvő hőmérséklettel a hatásfok csökken növekvő árammal

17 η e P opt Cree XPG fehér LED Kísérlet Luxeon emitter vörös LED A (radiatív) rekombinációs áramot a teljes radiometriai fluxus mérésével állapíthatjuk meg: I rad =P opt / V F PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET

18 LED-ek energiakonverziós hatásfoka Spectral power distribution [µw/nm] 20 o C 30 o C 40 o C 50 o C 60 o C 70 o C I F = 300 ma λ [nm] Φ e 780nm 380nm S( λ) dλ Növekvő hőmérséklettel ez a terület csökken A csúcs hullámhossz szintén eltolódik PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET

19 A nyitófeszültség hőmérsékletfüggése A PN átmenet hőmérsékletváltozása által keltett nyitófeszültség változás mérése kényszerített áram esetén, termikus tranziens tesztelő berendezéssel PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET

20 A nyitófesz. hőmérséklet függése I F erősen hőmérséklet függő (kisebbségi hordozók!!) Ha konstansan tartjuk az áramot, V F fog megváltozni kb. -2mV/ o C egy PN átmenetre I F I M V F I M dv dt = V 3V T Wg / T q V Fhot PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET V F V Fcold Kényszerített áram esetén a nyitófeszültség egy nagyon jó hőmérő... A nyitófeszültség hőmérséklet érzékenysége enyhén függ az I M munkaponti áramtól. Kísérlet

21 Honnan tudjuk ΔT J (t)-t? Kényszerített áram esetén a a PN átmenet nyitófeszültsége egy nagyon jó, pontos hőmérő... A nyitófeszültség hőmérsékletváltozás hatására bekövetkező megváltozását egy ún. kalibrációs eljárással határozzuk meg (JEDEC JESD51-1 és MIL-STD-750D szabványok szerint) A kalibrációval az S VF hőmérséklet érzékenységet határozzuk meg JEDEC JESD51-1 szabvány szerint V F ( I t) = V ( I ) + S [ T ( t) T (0)] M, Fi M VF J J I F ΔV F (t) ~ ΔT J (t) I H I M Force (current) Sense (voltage) 4 vezetékes, ú.n. Kelvin-összeállítás: 2 vezetéken áram kényszerítése (force) és 2 másik vezetéken feszültség mérés (sense) Fűtő áramról mérő áramra kapcsolunk: hűlni fog a PN átmenet PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET

22 Jelalakok a mérés során: I F I H fűtés hűlés I M t V F V H V Ff mérés V Fi ΔV F t t H t=0 t MD t M PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET

23 Tranziensek a karakterisztikán I F ΔV F Forró eszköz, fűtő árammal hajtva I H Elektromos tranziens I M Forró eszköz, mérő árammal hajtva V Fi Termikus tranziens V Ff V F Hideg eszköz, mérő árammal hajtva T J1 T J ΔT J T PN átmenetek J2 hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET t

Hasonló dokumentumok

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken http://www.eet.bme.hu/~poppe/miel/hu/05b-dioda3-hom.fugg.ppt http://www.eet.bme.hu