MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 PN átmenetek hőmérséklet függése: néhány mérés LEDeken és egy kis ismétlés http://www.eet.bme.hu/~poppe/miel/hu/05b-dioda3-hom.fugg.pptx

http://www.eet.bme.hu

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem

Elektronikus Eszközök Tanszéke

Haitz törvénye Haitz törvénye a LED-ek fejlődéséről 10000

Fehér, $/lm Fehér, fluxus Expon. (vörös, $/lm)

Egységnyi fényáram költsége [$/lm]

1000

Vörös, $/lm Vörös, fluxus Expon. (vörös, fluxus)

Fényáram / LED tok [lm]

Húszszoros növekedés / 10 év 100

10

1

0,1

0,01

Egy nagyságrendnyi csökkenés / 10 év 0,001 1965

1970 1975

1980

1985

1990 1995

2000

2005 2010

2015 2020

Év

2014-10-03

PN átmenetek hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken © András Poppe, BME-EET 2011-2014

2



Fotometriaia és termikus mérés JESD 51-52: LED hideg lemezen + CIE 127-2007 dokumentum szerinti fluxus mérés fotometria/radiometriai mérés állandósult (stabil) állapotban

egyenáramú elektromos táplálás

Detektor

Ulbricht gömb

Mérendő LED

IF

2)

Popt(T,IF) ηe(T,IF) ΦV(T,IF) 5)

V

IF

F

Szabályozott hőmérsékletű hideg lemez

Rth-real és TJ –real számítása 5)

1) Segéd LED

Termikus mérő berendezés

Kényszerített áram

IH

IM

3)

Átkapcsolás IH -ról IM -re

Feszültségváltozás mérése

ΔVF(t) ~ ΔTJ(t)

4) hőellenállás / termikus impedancia mérése

JESD 51-51: termikus mérés JESD51-1 szerinti statitukus mérési módszerrel, hideg lemezzel, mint termikus2014-10-03 környezettel


3



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), Xlong, Xshort, Z és radiometriai szűrő egy revolver tárban referencia LED

Termikus tranziens teszter

2014-10-03

LED hideg lemezen

Si fotodetektor

vezérlő elektronika


4



LED-ek: kétféle rekombinációs mechanizmus az átmenetben ► Direkt

rekombináció: fényemisszió ► Indirekt rekombináció: disszipáció

2014-10-03


5



Ismétlés: generáció/rekombináció ►

Generáció: pl. a termikus átlagenergia felhasználásával történő gerjesztéssel

►

Rekombináció: energia leadása (hő, fény) A stafétát rekombináció révén adják át

Elektronok vezetnek

2014-10-03


Lyukak vezetnek

6



Recap: generation/recombination

indirekt direkt

1 W= P2 2meff

1 2 W= p 2m p=

A fononok a félvezető egykristály rezgéseinek a kvantumai. A fononok "áramlása" a szilárd testben: hővezetés.

h k 2π

GaAs: direkt sáv ⇒ optoelektronika (LED-ek) Si: indirekt sáv, nincs fény emisszió, csak melegedés van 2014-10-03

Indirekt rekombináció vagy fonon csatolt rekombináció.

Fonon emisszióval járó rekombináció Î hő disszipáció • az energiaveszteség az egykristályt melegíti Direkt rekombináció: • nincs impulzusváltozás Î nincs fonon keltés Înincs disszipáció • energiakülönbség leadása: elektromágneses sugárzással, pl. fény emisszió


7



Generáció / rekombináció Spontán folyamatok: termikus gerjesztés – ugrás a vezetési sávba rekombináció: visszatérés a vegyérték sávba Î equilibrium

~~~~> ν = Wg/h

Direkt rekombináció fényemisszióval jár(hat), lásd: LED-ek

<~~~~ νh > Wg

Fényelnyelés generációt okozhat – lásd: napelemek

Direkt sávű félvezetőknél foton emisszió: ΔW = Wg = h·ν A fény hullámhossza: λ = c/ν = h·c /Wg 2014-10-03

A fény hullámhossza (színe) Wg sávszélességtől (anyagi minőségtől) függ.

Ug = (c⋅h)/(λ⋅q)


8



Nyitófeszültség és a fény színe LED nyitófeszültség ~ Ug

Példa Ug = (c⋅h)/(λ⋅q) Kék LED spektrumából csúcs hullámhossz: 447nm

c⋅h = 3e8 ⋅ 6.625e-34 = 1.988e-25 A LED-ek nyitófeszültsége a tiltott sáv szélességétől függ Kék: szélesebb tiltott sáv (rövidebb hullámhosszak) Î nagyobb VF (pl. 3 V) Vörös: keskenyebb tiltott sáv (hosszabb hullámhosszak) Î kisebb VF (pl. 1.5 V)

2014-10-03

λ⋅q = 4.47e-7 ⋅ 1.602e-19 = 7.16e-26 Ug = 1.988/7.16 ⋅ 10 = 2.777 V


9



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

2014-10-03


10



LED spektrumok 1.2

Relatív spektrális teljesítményeloszlás

1

fehér kék 1

rel.intenzitás

0.8

kék 2 0.6

zöld 1

0.4

zöld 2

0.2

narancs

sárga

0 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

vörös

hullámhossz, nm

Fehér LED-ek: kék LED chip + fénypor 2014-10-03


11



Miért nem monokromatikus? A teljes emittált fluxus mérésével megmérhetjük a pn átmenet direkt rekombinációval vezetett áramát. Csúcs hullámhossz fél értékénél vett szélesség

Wel

k

vezetési sáv vegyérték sáv

780 nm

W lyuk

Csúcs hullámhossz 2014-10-03

Sugárzás más hullámhosszakon (kisebb valószínűséggel: lásd a nyilak színét és vastagságát)

Φe ≈

∫ S (λ )dλ

380 nm

Teljes emittált fényteljesítmény, vagy radiometriai fluxus vagy optikai teljesítmény


12



Miért nem 100% fény? Wel

Sugárzással nem járó rekombináció • indirekt állapotátmenet Î fonon emisszió k

vezetési sáv

Î kristályrács melegedése Î disszipáció

vegyérték sáv

Wlyuk

Radiative recombination 2014-10-03


13



LED elektromos karakterisztikák A nyitó karakterisztika alapvetően az ideális dióda karakterisztikával jellemezhető, de két részre bontjuk: A

PH = Idis ⋅ VF Idis

Irad VF A LED-ek nyitófeszültsége a tiltott sáv szélességétől függ Kék: szélesebb tiltott sáv (rövidebb hullámhosszak) Î nagyobb VF (pl. 3.5 V) Vörös: keskenyebb tiltott sáv (hosszabb hullámhosszak) Î kisebb VF (pl. 2 V)

Irad=Popt/VF C

IF=Idis (TJ) + Irad (TJ)

2014-10-03


14



Fény emisszió és disszipáció ►A

teljes betáplált elektromos teljesítmény: Pel = VF · IF

I F (VF ) = I dis ⋅ [exp(VF / nVT ) − 1] + I rad ⋅ [exp(VF / mVT ) − 1]

Pel = I dis ⋅ [exp(VF / nVT ) − 1]⋅VF + I rad ⋅ [exp(VF / mVT ) − 1]⋅ VF Fény emisszióhoz tartozik

► Alkalmas

idealitási tényezővel az ideális dióda-áram és a nem radiatív rekombinációs áram egybe vonható: Pel = I dis ⋅ [exp(VF / mVT ) − 1]⋅ VF + I rad ⋅ [exp(VF / nVT ) − 1]⋅ VF hő

Pdiss = Pel − Φ e 2014-10-03

fény Ez a radiometriai fluxus Φe [mW] vagy optikai teljesítmény Popt


15



LED-ek energiakonverziós hatásfoka ► ηe

= Popt / Pel

kiesik

elhanyagoljuk

I rad ⋅ [exp(VF / nVT ) − 1]⋅VF ηe = I dis ⋅ [exp(VF / mVT ) − 1]⋅VF + I rad ⋅ [exp(VF / nVT ) − 1]⋅ VF

I rad ⋅ exp(VF / nVT ) ηe ≈ I dis ⋅ exp(VF / mVT ) + I rad ⋅ exp(VF / nVT ) I rad ηe ≈ I dis ⋅ exp[VF /(m − n)VT ] + I rad 1 η e (T ) ≈ I dis / I rad ⋅ exp[VF /(m − n)VT ] 2014-10-03

Idis erősebben nő a hőmérséklettel, ezért a hatásfok csökken növekvő hőmérséklettel a hatásfok csökken növekvő árammal


16



ηe

Popt

Cree XPG fehér LED

Kísérlet

Luxeon emitter vörös LED

A (radiatív) rekombinációs áramot a teljes radiometriai fluxus mérésével állapíthatjuk meg: 2014-10-03

I rad = Popt / VF


17



LED-ek energiakonverziós hatásfoka 5000 4500

Spectral power distribution [µW/nm]

20 oC

4000

30 oC

3500

40 oC

3000

50 oC

2500

60 oC

2000

70 oC

1500

IF = 300 mA

1000 500

λ [nm]

0

560 570 580 589 599 609 619 629 639 649 659 669 678 688 698 780 nm

Φe ≈

∫ S (λ )dλ

Növekvő hőmérséklettel ez a terület csökken

380 nm

A csúcs hullámhossz szintén eltolódik 2014-10-03


18



A nyitófeszültség hőmérsékletfüggése ►A

PN átmenet hőmérsékletváltozása által keltett nyitófeszültség változás mérése kényszerített áram esetén, termikus tranziens tesztelő berendezéssel

2014-10-03


19



A nyitófesz. hőmérséklet függése ► IF

erősen hőmérséklet függő (kisebbségi hordozók!!) ► Ha konstansan tartjuk az áramot, VF fog megváltozni kb. -2mV/oC egy PN átmenetre IF IM

VF IM

dV V − 3VT − Wg / q = dT T

VF VFhot

Kísérlet

VFcold

Kényszerített áram esetén a nyitófeszültség egy nagyon jó hőmérő... A nyitófeszültség hőmérséklet érzékenysége enyhén függ az IM munkaponti áramtól. 2014-10-03


20



Honnan tudjuk ΔTJ(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 SVF hőmérséklet érzékenységet határozzuk meg

JEDEC JESD51-1 szabvány szerint

VF (I M , t ) = VFi (I M ) + SVF ⋅ [TJ (t ) − TJ (0)] IF IH

IM

Force (current)

► ►

ΔVF(t) ~ ΔTJ(t)

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 2014-10-03


21



Jelalakok a mérés során: IF IH fűtés

hűlés

IM

t VF VH mérés

VFf VFi

ΔVF t tH

2014-10-03

t=0

tMD

tM


22



Tranziensek a karakterisztikán ΔVF

IF IH

Forró eszköz, fűtő árammal hajtva

Elektromos tranziens

IM

VF

Forró eszköz, mérő árammal hajtva

VFi

VFf

Hideg eszköz, mérő árammal hajtva

Termikus tranziens TJ1

TJ ΔTJ

2014-10-03

T PN átmenetekJ2 hőmérséklet függése: gyakorlati mérések LED-eken © András Poppe, BME-EET 2011-2014 t

23

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

Recommend Documents