Современные светодиоды

Защита от электростатических разрядов

Одной из основных причин выхода из строя электронных и опто­электронных компонентов являются электростатические разряды (Vold - man, 2004). Рассмотрим ситуацию, когда на один из электродов диода попал заряд +Q. Предположим, что через время At этот заряд ис­чезнет. Это значит, что через диод протекал ток, равный I = +Q/At (считается, что заряд уменьшался равномерно).

Сначала рассмотрим случай попадания заряда на катод светодиода, анод которого заземлен. Очевидно, что при этом путь разрядного тока проходит через обратно смещенный диод. Представим эквивалентную схему, соответствующую данному случаю, в виде конденсатора С и параллельного резистора Rp. Тогда в установившемся состоянии при протекании через диод разрядного тока напряжение на диоде будет равно I • Rp. Это значит, что за время At на светодиоде рассеется энергия I2 ■ Rp - At.

Дальше рассмотрим случай, когда заряд попадает на анод свето­диода, катод которого заземлен. Ток теперь будет идти через прямо смещенный диод, эквивалентную схему которого можно представить в виде источника напряжения с выходным напряжением Vth и после­довательного резистора Rs. В установившемся режиме напряжение на р-п-переходе будет Vth +1 • Rs. При больших токах оно определяется в основном вторым слагаемым, т. е. на прямо смещенном диоде за время At величина рассеиваемой энергии составит I2 ■ Rs - At.

Поскольку I2 ■ Rp ■ At S> I2 ■ Rs ■ At, при протекании разрядного тока через обратно смещенный диод рассеивается гораздо больше энергии, чем при его протекании через прямо смещенный светоди­од. Отсюда следует, что обратные разрядные токи намного опасней прямых токов. Это заключение было подтверждено экспериментально (Wen et al., 2004).

Светодиоды с большой шириной запрещенной зоны, например ди­оды GaN, особенно сильно страдают от электростатических разрядов. Это объясняется большой величиной их сопротивлений Rp (малыми обратными токами насыщения и высокими напряжениями пробоя).

Поэтому для светодиодов на основе нитридов III группы были разра­ботаны схемы защиты от электростатических разрядов (Steigerwald et al., 2002; Sheu, 2003).

На рис. 11.5 показаны три варианта схем защиты от электроста­тических разрядов: в виде последовательности кремниевых диодов, с одним стабилитроном и с двумя стабилитронами (Steigerwald et al., 2002; Lumileds, 2004). Ток, вызванный электростатическим напря­жением, минуя светодиод, проходит через параллельную защитную цепь. Такие схемы особенно хорошо работают с разрядами обратной полярности. Цепи защиты от электростатических разрядов, как пра­вило, совмещаются с кремниевой подложкой (Steigerwald et al., 2002; Lumileds, 2004). Использование одного или двух стабилитронов или применение цепочек из последовательно включенных кремниевых дио­дов приводит к увеличению порогового напряжения защитной цепи до значений, превышающих напряжение включения светодиода. Поэтому в режиме нормальной работы через схему защиты течет незначитель­ный ток.

Было предложено (Sheu, 2003) разместить в одном кристалле свето­диод и диод Шоттки. Структура, показанная на рис. 11.6, а, состоит из диода с большой площадью р-п-перехода, отделенного глубокой бороз­дой от диода Шоттки малой площади. Диод Шоттки, сформированный на • буферном слое n-типа светодиода InGaN, оказывается смещенным в прямом направлении, когда на светодиод подается напряжение обрат­ной полярности. Разрядный ток обратной полярности течет в основном через диод Шоттки,.минуя р-п-переход, что предотвращает его пробой. При разрядных токах прямой полярности ток течет через р-п-переход. На рис. 11.6, б показана альтернативная схема, в которой диод Шоттки заменен на р-п-переход (Cho, 2005).

Рис. 11.6. Схемы защиты от электростатических разрядов, размещенные на одном кристалле со светодиодом: а —диод Шоттки, сформированный на буфер­ном слое n-типа светодиода InGaN; (б) — диод Шоттки заменен на р-п-переход малой площади (Cheu, 2003)