Контрольная работа
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫНА СПЕКТРАЛЬНЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ
Работа выполнена:
учеником 11 класса МОУ лицей № 8
Перевозчиковым Даниилом
Научный руководитель:
главный научный сотрудник
Института физики ДНЦ РАН,
доктор физ.- мат. наук
Зобов Е.М.
МАХАЧКАЛА – 2009 г.
Введение
В температурном диапазоне 300-90 К исследованы электролюминесценция, вольт-амперные и люкс-амперные характеристики промышленных «фиолетовых» и «желтых» светоизлучающих диодов. Установлено, что с понижением температуры у «фиолетовых» светодиодов уменьшается интенсивность излучения и наблюдается «шнурование» тока. В отличие от «фиолетовых» светодиодов, интенсивность излучения «желтых» светодиодов при 90 К возрастает, однако спектр излучения имеет квазидискретную структуру.
Исследования электрических характеристик светодиодов позволили предположить, что при низких температурах в гетероструктурах, из которых изготовлены светодиоды, изменяются механизмы процессов генерации и рекомбинации носителей заряда.
Светодиод - это полупроводниковый прибор, генерирующий (при прохождении через него электрического тока) оптическое излучение, которое в видимой области воспринимается как одноцветное (монохромное). Цвет излучения светодиода определяется как используемыми полупроводниковыми материалами, так и легирующими примесями. Современные промышленные светодиоды изготавливаются на основе p-n-гетероструктур InxGa1-xN/AlyGa1-yN/GaN или. InxGa1-xP/AlyGa1-yP/GaP. Светодиоды служат реальной альтернативой традиционным источникам света, так как они обладают малыми размерами, имеют малое энергопотреблении. Обладая такими свойствами, как точная направленность света и возможность управления интенсивностью и цветом излучения, они уже сегодня применяются в архитектурном и декоративном освещении, на их основе созданы рекламные экраны цветного изображения [1].
Однако, температурный диапазон эксплуатации светодиодов ограничен (+40 -2 С), а в доступной нам литературе мы не нашли ответ на наш вопрос: «Почему светодиоды неспособны работать при более низких температурах?». Если нет ответа, то его надо искать.
Цель работы – установление причин низкотемпературной неустойчивости режима работы промышленных светоизлучающих диодов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- в температурном диапазоне 300 - 90 К исследовались спектры электролюминесценции, вольт-амперные и люкс-амперные характеристики «фиолетовых» и «желтых» светодиодов;
- проводился анализ процессов токопереноса, генерации и рекомбинации носителей заряда в гетероструктурах при различных температурах.
Работа выполнена на экспериментальной базе Аналитического центра коллективного пользования Института физики Дагестанского научного центра РАН.
МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для исследования нами были выбраны «фиолетовый» и «желтый» светодиоды.
Рис. 1 Блок - схема экспериментальной установки для исследования фотолюминесценции, собранной на базе спектрально-вычислительного комплекса КСВУ-2
1 - образец в криостате, 2 - монохроматор МДР -23, 3-4 блок питания источника фотовозбуждения, 5-6- блоки оптических фильтров с конденсорами, 7 - ФЭУ, 8 - блок управления и регистрации сигнала, 9 - усилитель (UNIPAN 232B), 10 - модулятор, 11-блок регистрации температуры, 12 -блок электропитания образца, 13 - вакуумный пост.
Исследования спектров электролюминесценции светодиодов проводились на установке, собранной на базе спектрально-вычислительные комплексы КСВУ-23 (рис. 1).
Главным элементом оптической системы этой установки является монохроматор МДР-23 (2). В зависимости от спектрального диапазона измерений используются дифракционные решетки 1200, 600 и 300 штр. на мм.
Рис. 2
Для снятия вольт-амперных и люкс-амперных характеристик светодиода применялась стандартная схема (рис. 2). Светодиод закреплялся на хладопроводе и помещался в криостат (1).
Излучение светодиода модулировалось механическим модулятором (10) и фокусировалось (6) на входную щель монохроматора МДР-23 (2). В качестве детектора излучения использовался фотоумножитель (7) типа ФЭУ-100 (спектральный диапазон чувствительности 200-700 нм), сигнал с которого для усиления подается на вход селективного нановольтметра Unipan-232 В (9), а затем на вход блока управления и регистрации (8) включающий и ЭВМ.
Охлаждение образца производится с помощью хладагента (жидкий азот) путем заливки его в стакан криостата (1). Для нагрева образца используется электрический нагреватель. Температура фиксируется медь-константановой термопарой.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Спектры электролюминесценции, исследованных нами светодиодов представлены на рис. 3-4.
Рис. 3,а. Спектры излучения (ЭЛ) «фиолетового» светодиода при Т=300 К в зависимости от величины тока I, mA: 4.1; 11.9; 15.2.
Рис. 3, б. Спектр излучения (ЭЛ) «фиолетового» светодиода при Т=90 К в зависимости от величины тока I mA: 2.76; 4.53; 6.7; 15.8
Рис. 4,а. Спектры излучения (ЭЛ) «желтого» светодиода при Т=300 К, величина тока I =12.9 mA
Рис. 4, б. Спектр излучения (ЭЛ) «желтого» светодиода при Т=90 К в зависимости от величины тока I mA: 0.23; 1.0; 2.15; 3.7
Вольт-амперные и люкс-амперные характеристики светодиодов представлены на рис. 5-8, а температурные зависимости токов и интенсивности их излучения на рис. 9-10.
Рис. 5. Вольт-амперные характеристики «фиолетового» светодиода
Рис. 6. Люкс-амперные характеристики «фиолетового» светодиода
Рис. 7. Вольт-амперные характеристики «желтого» светодиода
Рис. 8. Люкс-амперные характеристики «желтого» светодиода
Рис. 9. Температурные зависимости тока «фиолетового» светодиода и интенсивности его излучения
Рис. 10. Температурные зависимости тока «желтого» светодиода и интенсивности его излучения
Полученные экспериментальные данные показывают, что с понижением температуры у «фиолетовых» светодиодов наблюдается уменьшение интенсивности излучения (рис. 3 и рис. 9) и изменгение механизма протекания тока (рис. 5). Для выведения данного светодиода в рабочий режим при 90 К необходимо увеличивать величину рабочего напряжения в два раза. Рост напряжения питания светодиода приводит к S-образной вольт-амперной характеристике (рис. 5), что свидетельствует о «шнуровании» тока протекания.
У «желтого» светодиода температурная зависимость интенсивности излучения имеет более сложный вид (рис. 10), при 90 К интенсивность излучения становится больше, чем при 300 К (сравни рис. 4а и 4б). При этом, спектр излучения состоит из квазидискретных полос. Для вывода светодиода в рабочий режим при 90 К необходимо увеличивать напряжение питания более, чем в два раза.