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
A nyitófeszültség hőmérsékletfüggése A PN átmenet hőmérsékletváltozása által keltett nyitófeszültség változás mérése kényszerített áram esetén, termikus tranziens tesztelő berendezéssel 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 2
A nyitófesz. hőmérséklet függése I ideal erősen hőmérséklet függő Ha konstansan tartjuk az áramot, V fog megváltozni kb. -2mV/ o C egy PN átmenetre I I O U D I O dv dt = V 3V T Wg / T q Kényszerített áram esetén a nyitófeszültség egy nagyon jó hőmérő... A nyitófeszültség hőmérséklet érzékenysége enyhén függ az I O munkaponti áramtól. 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 3 U D U D V Kísérlet
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 V hőmérséklet érzékenységet határozzuk meg JEDEC JESD51-1 szabvány szerint V ( I t) = V ( I ) + S [ T ( t) T (0)] M, i M V J J I ΔV (t) ~ ΔT J (t) I H I M orce (current) Sense (voltage) 4 vezetékes, ú.n. Kelvin-összeállítás: 2 vezetéken áram kényszerítése (force) és 2 másik vezetéken feszültség mérés (sense) űtő áramról mérő áramra kapcsolunk: hűlni fog a PN átmenet 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 4
Jelalakok a mérés során: I I H fűtés hűlés I M t V V H V f mérés V i ΔV t t H t=0 t MD t M 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 5
Tranziensek a karakterisztikán I ΔV orró eszköz, fűtő árammal hajtva I H Elektromos tranziens I M orró eszköz, mérő árammal hajtva V i Termikus tranziens V f V Hideg eszköz, mérő árammal hajtva T J1 T J ΔT J T 2011-10-11 PN átmenetek J2 hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 6 t
Az ideális dióda áram és a rekombinációs áram hőmérséklet függése Rekombinációs áram mérése: a LED-eknél ez az emittált fénnyel arányos LED-ek energiakonverziós hatásfoka: az ideális dióda áramtól és a rekombinációs áramtól függ ezt is meg tudjuk mérni 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 7
Ismétlés: generáció/rekombináció Generáció: pl. a termikus átlagenergia felhasználásával történő gerjesztéssel Rekombináció: energia leadása (hő, fény) Elektronok: a vezetési sáv alján Lyukak: a vegyértéksáv tetején Mindkettő szolgálja az áramvezetést! 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 8
Recap: generation/recombination indirekt direkt 1 W = p 2m 2 p W h = k 2π 1 = 2m eff GaAs: direkt sáv optoelektronika (LED-ek) Si: indirekt sáv, nincs fény emisszió, csak melegedés van P 2 Indirekt rekombináció vagy fonon csatolt rekombináció. A fononok a félvezető egykristály rezgéseinek a kvantumai. A fononok "áramlása" a szilárd testben: hővezetés. onon emisszióval járó rekombináció hő disszipáció az energiaveszteség az egykristályt melegíti Direkt rekombináció: nincs impulzusváltozós nincs fonon keltés nincs disszipáció energia különbsk nbsége leadása: elektromágneses sugárz rzással, pl. fény f emisszió 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 9
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 ényelnyelés generációt okozhat lásd: napelemek A fény hullámhossza (színe) W g sávszélességtől (anyagi minőségtől) függ. Direkt sávű félvezetőknél foton emisszió: ΔW = W g = h ν λ = c/ν = h c/w g a fény hullámhossza: 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 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 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 11
III-V-ös vegyület fálvezetők A LED-ekhez használt anyagok: a periódusos rendszer III. és V. oszlopából való elemek 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 12
LED spektrumok 1.2 Relatív spektrális teljesítményeloszlás rel.intenzitás 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 350-0.2 400 450 500 550 600 650 700 750 800 hullámhossz, nm fehér kék 1 kék 2 zöld 1 zöld 2 sárga narancs vörös ehér LED-ek ek: kék (vagy UV) LED chip + fénypor 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 13
Miért nem monokromatikus? A teljes emittált fluxus mérésével megmérhetjük a (radiatív) rekombinációs áramot 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) 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 14 Φ e 780nm 380nm S( λ) dλ Teljes emittált fényteljesítmény, vagy radiometriai fluxus vagy optikai teljesítmény
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 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 15
LED elektromos karakterisztikák a LED-ek is "csak" PN-átemenetek... Hasznos működés a nyitó tartományban Szokásos adatlapi karakterisztika: a soros ellenállás miatt Nemlineáris eszközkarakterisztika Munkaponti áramot (kívülről) korlátozni kell Tipikus az áramgenerátoros táplálás Minden fontos jellemző (pl. fényesség, szín) függ az áramtól Nyitó feszültség: ahol már nagy áram folyik 1.5 V... 3.5V 1mA... 700mA V 0.7 W g /q A LED-ek nyitófeszültsége a tiltott sáv szélességétől függ Kék: szélesebb tiltott sáv (rövidebb hullámhosszak) nagyobb V (pl. 3.5 V) Vörös: keskenyebb tiltott sáv (hosszabb hullámhosszak) kisebb V (pl. 2 V) 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 16
LED elektromos karakterisztikák A nyitó karakterisztikát alapvetően az ideális dióda karakterisztika határozza meg: I ideal ( exp( V / V ) 1) = I0 T A LED-ek nyitófeszültsége a tiltott sáv szélességétől függ Kék: szélesebb tiltott sáv (rövidebb hullámhosszak) nagyobb V (pl. 3.5 V) Vörös: keskenyebb tiltott sáv (hosszabb hullámhosszak) kisebb V (pl. 2 V) I 0 áram állandó, erős hőmérsékletfüggés (15%/ C Si esetében) V T = kt/q a termikus feszültség (26mV @T=300K) Ez az áram nem járul hozzá a fénykibocsájtáshoz. A radiatív rekombinációs folyamatokhoz tartozó rekombinációs áram rendelhető hozzá a LED-ek fénykibocsájtásához. 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 17
Ideális és rekombinációs áram ( V / V ) I rec I R0 exp 2 T log I I R0 rekombinációs áram együtthatója, szintén hőmérsékletfüggő, de nem annyira, mint I 0 (7.5%/ C Si-ra) I ( V + I R0 ) = I0 [ exp( V / VT ) 1] [ exp( V / 2V ) 1] T + ~ exp(v /V T ) Kis áramszinteken I rec dominál Nagyobb áramoknál a LED-ek több fényt bocsájtanak ki, de kevésbé hatékonyan I ideal ~ exp(v /2V T ) V = I0 exp( V / mvt ) ( 1) m: idealitási tényező, 1..2 között 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 18
ény emisszió és disszipáció A teljes betáplált elektromos teljesítmény: P el = V I I [ exp( V / V ) 1] + I [ exp( V / 2V ) 1] ( V ) I T R0 = 0 T P el [ exp( V ] [ ] / VT ) 1 V + I R0 exp( V / 2V T ) V = I 1 0 P el ény emisszióhoz tartozik Alkalmas idealitási tényezővel az ideális dióda-áram és a nem radiatív rekombinációs áram egybe vonható: [ exp( V ] [ ] / mvt ) 1 V + I R0 radiative exp( V / nvt ) V = I 1 0 P = diss P el hő Φ e fény Ez a radiometriai fluxus vagy optikai teljesítmény Φ e [mw] P opt 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 19
LED-ek energiakonverziós hatásfoka elhanyagoljuk η e = P opt / P kiesik el I [ ] R0 radiative exp( V / nvt ) 1 V ηe = I [ V ] [ ] 0 exp( / mvt ) 1 V + I R0 radiative exp( V / nvt ) 1 V With m = 1, n = 2 I R0 ηe I exp( V / V η 0 e I 0 η ( T ) e radiative T I exp( V 15% / o ) + exp( V I R0 radiative R0 radiative / 2V T ) + I / 2V T ) exp( V R0 radiative / 2V o 7.5% / C C exp( V / 2V ) + 7.5% / T T o ) C a hatásfok csökken növekvő hőmérséklettel a hatásfok csökken növekvő árammal 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 20
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 rec-radiative =P opt / V 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 21
LED-ek energiakonverziós hatásfoka 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 Spectral power distribution [µw/nm] 20 o C 30 o C 40 o C 50 o C 60 o C 70 o C I = 300 ma 500 0 λ [nm] 560 570 580 589 599 609 619 629 639 649 659 669 678 688 698 Φ e 780nm 380nm S( λ) dλ Növekvő hőmérséklettel ez a terület csökken A csúcs hullámhossz szintén eltolódik 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 22
otometriai és termikus mérés CIE 127-2007 compliant photometric & radiometric measurement system photometric/radiometric measurements in thermal steady-state steady-state electrical powering I Test LED I Detector V Temp. controlled heat-sink Integrating sphere P opt (I,T) η e (I,T) Φ V (I,T) calculate R th-r and T J I H orce (current) I M Thermal test equipment Aux. LED ΔP H = ΔP el [P opt (I H,T 1 ) P opt (I M,T 2 )] Sense (voltage) ΔV (t) ~ ΔT J (t) switching-off from I H to I M thermal resistance/impedance measurement JEDEC JSD51-1 static test method compliant thermal measurement system 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 23
Mentor/MicReD megvalósítás: A tanszékkel közösen kifejlesztve 2005-ben. Azóta minden jelentős LED gyártó ezt használja. V(λ), X long, X short, Z and flat response filters in a filter bank thermal transient tester equipment reference LED DUT LED on TEC cooled stage photodetector control electronics 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 24
LED-ek energiakonverziós hatásfoka 2011-10-11 PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken András Poppe, BME-EET 2011 25