Спосіб вимірювання електричної ефективності світлодіода

Реферат: Спосіб вимірювання електричної ефективності світлодіоду elec включає прикладання до світлодіода електричної напруги V в прямому напрямку, вимірювання вольт-амперної характеристики. Напругу прикладають в імпульсному режимі, тривалість і частоту імпульсу підбирають шляхом їх зменшення, доки напруга на світлодіоді при заданому струмі перестане залежати від тривалості і частоти імпульсу. При кожному значенні струму I визначають значення динамічного опору R d , розраховують залежність від струму падіння напруги Vd  I  Rd , розраховують залежність від струму падіння напруги на p-n-переході Vj  V  Vd і визначають elec за формулою: elec  100 %Vj /( Vj  Vd ) ) . UA 104518 U (12) UA 104518 U UA 104518 U 5 10 15 20 Корисна модель належить до світлодіодної техніки, конкретно до способів тестування світлодіодів (СД), і може бути використана для контролю та оцінки електричної ефективності та коефіцієнта корисної дії світлодіодів, особливо для потужних СД, які використовуються для освітлення. В світлодіодах ефективність перетворення електричної енергії у світло (коефіцієнт корисної дії або, в англомовній літературі, wall-plug efficiency)  складається з двох різних за фізичним механізмом множників - оптичної ефективності  opt та електричної ефективності elec . Донедавна (до появи потужних світлодіодів) вважалось, що електрична ефективність СД elec близька до 100 %, тобто вважалось, що вся потужність P  V  I ( V - напруга, I - струм) витрачається корисно, а саме вона витрачається виключно на інжекцію носіїв заряду (електронів та дірок) в активну область СД для подальшої їх випромінювальної рекомбінації. З появою потужних СД (із струмами живлення понад 1 A) виявилося, що електрична ефективність суттєво знижується зі зростом струму. Було з'ясовано, що втрати електричної потужності в світлодіоді визначаються наявністю послідовного опору R s , котрий зумовлений сумою опорів контактів, меж розподілу гетероструктур, об'ємних шарів напівпровідника. Потужність, яка на ньому втрачається (її ще називають омічними втратами), знижує електричну ефективність і збільшує саморозігрів світлодіода, оскільки на омічному опорі виділяється тепло Джоуля. Іншими словами, прикладена до світлодіода напруга V розподіляється на дні частини: падіння напруги на активній області світлодіода V j (корисна частина) та падіння напруги на послідовному опорі Vs  IR s (характеризує втрати). Прийнято характеризувати світлодіод коефіцієнтом електричної ефективності (далі будемо називати його електричною ефективністю) elec , який визначає частку V j по відношенню до загальної напруги на СД V  Vj  Vs , і записується наступним 25 30 чином: elec  100 %Vj /( Vj  Vs ) . (1) Найбільш близьким до пропонованої корисної моделі по технічній суті є відомий спосіб визначення elec (Ф. Шуберт "Светодиоды". - С. 92-108. Перевод с англ. под ред. А.Э. Юповича. - 2008. - 496 с.). Він включає прикладання до світлодіода електричної напруги в прямому напрямку в режимі постійного струму, вимірювання вольт-амперної характеристики (ΒΑΧ), виявлення на цій ΒΑΧ лінійної ділянки (І ~ V), визначення по ній величини послідовного опору R s як тангенса кута нахилу лінійної ділянки вольт-амперної характеристики, визначення падіння напруги на цьому опорі Vs : Vs  IR s . (2) Напругу на 35 40 45 50 активній області V j пропонується визначати через енергію випромінювання або через ширину забороненої зони напівпровідникового матеріалу: Vj  Eg / e  hv / e , (3) кванту де h - константа Планка, v - частота випромінювання СД, E g - ширина забороненої зони напівпровідникового матеріалу світлодіода, e - заряд електрона. Даний спосіб вибрано прототипом. Відомому способу визначення elec притаманні істотні недоліки. По-перше, згідно з рівнянням (3), виникає необхідність попереднього додаткового визначення ширини забороненої зони напівпровідника E g , з якого зроблений цей світлодіод, або значень частоти v світла, яке випромінює даний світлодіод. По-друге, останніми роками експериментально доведено, що в багатьох випадках лінійна залежність ΒΑΧ не спостерігається через те, що R s , не є константою, а є величиною, залежною від струму. Таким чином відомий спосіб не дозволяє коректно визначити elec . Коректне визначеним електричної ефективності включає знаходження elec як функцію струму. По-третє, режим постійного струму призводить до суттєвого підвищення температури світлодіода (інжекційний саморозігрів), особливо в області високих струмів, де й намагаються визначити послідовний опір. Як відомо, всі параметри світлодіода - v , E g , R s залежні від температури. Без контролю за розігрівом дослідник не знає, при якій температурі було визначено elec . Тобто цей спосіб не забезпечує достовірність вимірювання elec через відсутність лінійної ділянки ΒΑΧ та через розігрів світлодіода. 1 UA 104518 U 5 10 Задачею запропонованого способу є спрощення та підвищення достовірності вимірювання електричної ефективності світлодіода. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вимірювання електричної ефективності світлодіода elec , який включає прикладання до світлодіода електричної напруги V в прямому напрямку, вимірювання вольт-амперної характеристики, напругу прикладають в імпульсному режимі, тривалість і частоту імпульсу підбирають шляхом їх зменшення, доки напруга на світлодіоді при заданому струмі перестане залежати від тривалості і частоти імпульсу, при кожному значенні струму I визначають значення динамічного опору R d , розраховують залежність від струму падіння напруги Vd  I  Rd , розраховують залежність від струму падіння напруги на p-n - переході Vj  V  Vd і визначають elec за формулою:   elec  100 % Vj /( Vj  Vd ) ) .(4) Корисна модель ілюструється графіками, де показані: фіг. 1 - вольт-амперна характеристика світлодіода; фіг. 2 - залежність динамічного опору від струму; фіг. 3 залежності падіння напруги Vd і V j від струму; фіг. 4 - залежність електричної ефективності elec від струму. 15 20 25 30 35 40 45 50 При проходженні струму крізь світлодіод частина потужності, яка дорівнює I2R s , виділяється у вигляді тепла і нагріває світлодіод. Підвищення температури світлодіода T найбільше, якщо струм постійний, причому в кожній точці вольт-амперної характеристики буде інша температура, що робить виміри некоректними. В імпульсному режимі AT пропорційне тривалості і частоті імпульсів, при їх зменшенні до визначених значень нагрівом можна знехтувати. Контроль відсутності розігріву світлодіода базується па тому факті, що падіння напруги на світлодіоді при пропусканні прямого струму залежить від температури світлодіода. Чим вища температура, тим менша напруга при однаковому струмі. Якщо при зменшенні частоти і тривалості імпульсів напруга на світлодіоді не змінюється, це означає відсутність нагріву. Вольт-амперна характеристика світлодіода зазвичай записується у такому вигляді: I  I0 expe( V  IR s ) / kT  , (5) де I0 - зворотній струм насичення,  - фактор ідеальності, k - константа Больцмана, T температура. Всі величини, крім струму I і напруги V , вважаються константами. В цьому випадку при достатньо великих напругах вольт-амперна характеристика з експоненціальної перетворюється в лінійну, нахил якої визначається опором R s . На такій вольт-амперній характеристиці базується спосіб-прототип. В реальному світлодіоді послідовний опір R s і фактор ідеальності  залежать від струму. Реальну вольт-амперну характеристику важко представити математично, оскільки невідомі ці залежності. Крім цього, напруга на активній області V j також відрізняється від зазначеної в формулі (3). В нашому способі ми використовуємо реальну виміряну вольт-амперну характеристику (ВАХ), диференціал dV / dI дає нам залежність динамічного опору світлодіода від струму. З зростом струму динамічний опір стрімко спадає від десятків кОм до декількох Ом. Коли прикладена до світлодіода напруга стає порівняною з величиною Eg / e , потенційний бар'єр для носіїв зникає, динамічний опір дорівнює послідовному опору. Нами була досліджена велика кількість світлодіодів різних виробників. Було встановлено, що динамічний опір при великих струмах не досягає постійного значення, це означає, що, дійсно, послідовний опір залежить від струму. Спосіб здійснюється таким чином. Спочатку визначають параметри (тривалість і частоту) імпульсів живлення світлодіода, які виключають саморозігрів. Для цього при максимальному значенні прямого струму в діапазоні, в якому необхідно провесні вимірювання, зменшують тривалість і частоту імпульсів до тих пір, поки напруга на світлодіоді перестане залежати від тривалості і частоти імпульсів. Це означатиме відсутність нагріву при максимальному струмі і гарантує відсутність нагріву в усьому діапазоні струмів. Далі вимірюють вольт-амперну характеристику світлодіода при прикладанні напруги в прямому напрямку, діапазон струмів (напруги) визначається сертифікатом виробника або побажаннями дослідника. Достатньо, щоби кількість точок ΒАΧ була в діапазоні 100-1000. Виміряні цифрові дані ΒΑΧ заносяться до комп’ютера, наприклад, в програмі "Origin" (або аналогічній), яка дозволяє викопувати з експериментальними даними потрібні обчислення. При кожному значенні струму I визначають значення динамічного опору R d , розрахунок проводять за формулою: Rd  ( V2  V1 ) /(I2  I1 ) де V1 і V2 - сусідні значення напруги, I1 і I2 2 UA 104518 U відповідні значення струмів. Ця дія дає нам залежність Rd  f (I) , із якої розраховують залежність падіння напруги на динамічному опорі Vd  I  Rd від струму живлення. Далі розраховують залежність падіння напруги на р-n - переході Vj  V  Vd , від струму. Заключний 5 10 15 етап - обчислення залежності електричної ефективності elec  f (I) від струму живлення, згідно з формулою (4). Визначалась електрична ефективність блакитного (довжина хвилі випромінювання 475 nm) світлодіода компанії CREE (США). Вимірювання вольт-амперної характеристики проводили при кімнатній температурі ( T =300 -8 К), в діапазоні струмів 10 -1А, в імпульсному режимі: частота імпульсів - 50 Гц, тривалість - 20 мкс. Попередньо було визначено, що при струмі 1A і частоті 50 Гц напруга на світлодіоді перестає залежати від тривалості імпульсу вже при 100 мкс, тобто використаний нами режим гарантовано виключає нагрів світлодіода. На фіг. 1 показана виміряна вольт-амперна характеристика світлодіода. При кожному значенні струму I визначали значення динамічного опору R d за формулою: Rd  ( V2  V1 ) /(I2  I1 ) , де V1 і V2 - сусідні значення напруги V2  V1 , а I1 і I2 - відповідні значення струмів. В результаті була отримана залежність Rd  f (I) ), яка представлена на фіг. 2. Розрахували залежність падіння напруги на динамічному опорі Vd  I  Rd та залежність падіння напруги на p-η переході Vj  V  Vd від струму живлення, результат представлений на 20 фіг. 3. Обчислили залежність від струму електричної ефективності elec  f (I) згідно з формулою (4), результат представлений на фіг. 4. Використання запропонованого способу дозволило спростити виміри електричної ефективності світлодіода, тому що реалізація способу не потребує вимірів ширини забороненої зони напівпровідника. E g або частоти випромінювання світлодіода. 25 Запропонований спосіб не залежить від наявності або відсутності лінійної ділянки ΒΑΧ світлодіода, яка необхідна для реалізації способу-прототипу, і в разі її відсутності спосібпрототип не дає коректних результатів, оскільки немає можливості визначити послідовний опір як константу. В запропонованому способі замість цієї константи використовується залежність динамічного опору від струму. Це дає можливість коректно визначити електричну ефективність elec як функцію струму, тобто підвищити достовірність результатів вимірювання. Запропонований спосіб забезпечує відсутність розігріву світлодіода струмом і підвищення його температури в процесі вимірювань, це теж підвищує точність і достовірність вимірювань. 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Спосіб вимірювання електричної ефективності світлодіода elec , який включає прикладання до світлодіода електричної напруги V в прямому напрямку, вимірювання вольт-амперної характеристики, який відрізняється тим, що напругу прикладають в імпульсному режимі, тривалість і частоту імпульсу підбирають шляхом їх зменшення, доки напруга на світлодіоді при заданому струмі перестане залежати від тривалості і частоти імпульсу, при кожному значенні струму I визначають значення динамічного опору R d , розраховують залежність від струму падіння напруги Vd  I  Rd , розраховують залежність від струму падіння напруги на p-n-переході Vj  V  Vd і визначають elec за формулою:   elec  100 % Vj /( Vj  Vd ) ) . 3 UA 104518 U 4 UA 104518 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5