Устройства на светодиодах, и не только

Температура в жизни и работе светодиодов

Температура в жизни и работе светодиодов

Часть 2

Температурные зависимости параметров светодиодов

Колориметрические характеристики

Зависимости колориметрических характе­ристик светодиодов от изменения температу­ры получены методом измерения спектраль­ного состава их излучения с помощью установ­ки, приведенной на рис. 3 (см. «КиТ» № 9’2005, с. 50). Являясь информативной и показатель­ной частью многомерной системы парамет­ров светодиодов, эти зависимости важны как с практической точки зрения их использова­ния в устройствах, так и с точки зрения оп­ределения качественных показателей излуча­ющих структур или примененных в тех или иных светодиодах кристаллов. Наибольшее влияние на уход этих параметров при изме­нении температуры будет оказывать процесс, протекающий в области пространственного заряда и описанный формулой (1).

Однако существует также утверждение о том, что излучающую структуру стоит рас­сматривать не как единую область с флукту­ацией ширины запрещенной зоны Eg, а как схему, где выполнено параллельное включе­ние множества микроскопических р-п-пере - ходов со своими, отличающимися друг от друга значениями Eg1, Eg2... Egn. Набор та­ких р-п-переходов и формирует все спект­ральное распределение кристалла, внося свой вклад в виде отдельной длины волны (моды) и соответствующей амплитуды излучения. Подобная модель излучающей структуры хо­рошо объясняет изменение параметров спек­тра с температурой, когда изменения шири­ны запрещенной зоны каждого элемента при­водят к пропорциональному изменению интенсивности излучения на своей длине вол­ны. Точно такое же объяснение применимо и для изменения приложенного внешнего электрического поля (прямого напряжения), которое, кстати, будет меняться обязательно, в соответствии с зависимостями, показанны­ми на рис. 4-8 (см. «КиТ» №9’2005, с. 50-51). При повышении Uf будут включаться малые р-п-переходы с наибольшими Eg, что увели­чит вклад коротковолновых составляющих в спектр. При этом рост амплитуды длинно­волновых компонентов, уже включенных в работу малыми Uf на экспоненциальном участке вольт-амперной характеристики, бу­дет значительно меньшим из-за явления на­сыщения и ограниченного их количества. При определенном Uf первый процесс будет доминировать над вторым. Этим объясняет­ся характерная несимметрия спектрального распределения излучения, определяющаяся положением центроидной длины волны спек­тра при малых плотностях тока, выравнива­ющаяся при их увеличении или при измене­нии температуры.

В первом приближении количественный состав переходов с различными значениями Eg будет определяться гауссовским распреде­лением относительно средних значений Eg для данной структуры, что и можно заметить при рассмотрении вида формы кривых спек­трального распределения как результата сло­жения двух функций: упомянутой выше и функции распределения плотности запол­нения Ферми-Дирака. Таким же образом со­став спектра излучения позволяет судить о равномерности распределения легирующей примеси в слоях полупроводникового мате­риала и наличии посторонних включений, что, по сути, и определяет качество излучаю­щего кристалла и долговечность светодиода.

Сохраняя обозначенное ранее в первом пункте условное деление структур по цвету и составу (InGaN/AlGaN/GaN — синие и зе­леные, AlInGaP/GaP — красные и желтые), рассмотрим приведенные на рис. 17-21 зави­симости колориметрических параметров от температуры. Диаграммы справедливы для плотностей тока через кристалл 20-50 A/см2 (прямой ток через светодиод со стандартным кристаллом 300x300 мкм составляет 15-40 мА). Зависимости при других плотностях тока бу­дут отличаться от приведенных из-за соот­ветствующего изменения теплового дейст­вия тока.

Из рис. 17 хорошо видно, как изменяется и смещается спектр излучения при измене­нии температуры. Можно заметить, что все изменения происходят в заданном соответ­ствии с описанными теоретическими пред­положениями. Однако приведенные здесь функции распределения светового потока по абсолютной длине волны F(X), как правило, не применяются для описания характеристик излучения светодиодов напрямую, а служат в основном исходным материалом для рас­четов большого числа производных величин. Прежде всего, это связано с переходом абсо­лютных энергетических единиц к светотех­ническим, зависящим от кривой видности глаза V(X) и образующимся путем нахожде­ния интегрированной доли исследуемого спе­ктра в общем интеграле функции V(X). При­веденные ниже графики зависимостей неко­торых величин от температуры расположены в порядке возрастания информативности для визуальной оценки излучения светодиодов.

Для некоторого пояснения стоит рассмот­реть рис. 18 с деталировкой спектра излуче­ния синего светодиода. Максимальная длина волны Lmax показывает максимальную амп­литудную составляющую спектра, по кото­рой можно определить положение пика функ­ции спектрального распределения на шкале длин волн. Длина волны Lcen (центроидная или центральная) более информативна и, яв­ляясь «центром масс» интеграла функции F(X), может дать понятие о симметрии кри­вой спектрального распределения в соответ­ствии с тем, насколько она отличается от Lmax. Это отличие обозначит фактор неиде - альности спектрального распределения как следствие нарушения гауссовского распреде­ления переходов с различными значениями Eg. В идеальном случае Lmax и Lcen совпадут.

Наиболее часто в спецификациях встреча­ется полуширина спектра излучения по уров­ню 0,5 от максимума амплитуды. Эта вели­чина получается как разница значений длин волн правого и левого спадов спектральной характеристики излучения, соответствующих указанному выше уровню амплитуды. Полу­ширина функции F(X) позволяет судить о со­ставе спектра излучения и степени монохро­матичности (чистоты) цвета как качествен­ного показателя излучения светодиода. На графике рис. 18 наглядно видно положе­ние описанных величин, рассчитанных зара­нее из приведенного там спектра, понимание смысла которых позволит нам дальше по­дробно рассмотреть их зависимости от тем­пературы и представить, как это выглядит в зрительном восприятии излучения свето­диодов глазом человека.

Особо стоит отметить относительную спек­тральную световую эффективность излуче­ния (оптический коэффициент, измеряемый в лм/Вт). Этот параметр тоже интегральный, и именно он осуществляет связь абсолютных энергетических характеристик излучения с функцией V(X), когда речь идет о световом потоке и мощности светового излучения.

компоненты

в

ш

Рис. 17. Относительное спектральное распределение излучения светодиодов при различных температурах окружающей среды от -60 до +55 °С: а) красных б) желтых, в) зеленых, г) синих

ются наиболее важными для сравнения и при­менения. Для наглядности описания коорди­нат цветности на графики рис. 21 дополнитель­но нанесены зоны ограничения применения световых сигналов по цвету в соответствии со следующими нормативными документами:

• ГОСТ 25695-91 «Светофоры дорожные. Типы. Основные параметры»;

• ГОСТ 24179-80 «Светофильтры, свето­фильтры-линзы, линзы, рассеиватели и от­клоняющие вставки стеклянные для сиг­нальных приборов железнодорожного транспорта»;

• Официальные рекомендации Международ­ной комиссии по освещению (МКО), пуб­ликация МКО № 2.2 (ТС-1.6). Цвета свето­вых сигналов. 1975.

Очевидно, что такой подход к колоримет­рическим параметрам светодиодов для боль­шинства устройств на их основе совершен­но не требуется, но в данной статье мы рас­сматриваем практически все возможные, и в том числе определенные указанными стандартами, применения светодиодов на практике. Далее будет описана причина появления подобных стандартов и важность их соблюдения.

Влияние температурных зависимостей характеристик светодиодов на восприятие глазом человека результирующего излучения

Все параметры и характеристики светоизлу­чающих диодов, как зависящие от температу­ры, так и не зависящие, предназначены исклю­чительно для того, чтобы быть замеченными именно глазом. Поэтому формирование излу­чения, ориентированного на глазной аппарат, должно быть всецело подчинено законам вос­приятия света глазом. Однако очень подроб­ное рассмотрение физических и психологиче­ских процессов восприятия не является целью этой статьи, хотя и будет затронуто. Поэтому,

рубрика компоненты

E

И

Рис. 20. Доминирующая Ldom, максимальная Lmax и центральная Lcen длины волн излучения светодиодов при различных температурах окружающей среды от -60 до +55 °С: а) красных б) желтых, в) зеленых, г) синих. Цифрами на вставках указан усредненный градиент изменения Ldom вуказанном диапазоне температур

И

Рис. 21. Координаты цветности излучения светодиодов на Локусе МКО (1931) при температурах окружающей среды от -60 до +55 °С: а) красных, б) желтых, в) зеленых, г) синих. Показаны границы зон цветностей, регламентированных стандартами

компоненты

возвращаясь к теме, стоит лишь обсудить, как описанные изменения характеристик светоди­одов с температурой будут влиять на воспри­ятие изображения, сформированного с помо­щью этих квазимонохроматических источни­ков света, глазом человека.

Сначала следует отметить, что глаз челове­ка является самым совершенным фотометри­ческим прибором в своем диапазоне длин волн. К его достоинствам надо отнести недосягае­мую долговечность с сохранением всех функ­ций, и если потребуется, то и их самовосста­новлением, большой динамический диапазон освещенностей, при которых сохраняются все параметры цветопередачи и разрешения изо­бражения, автоматически управляемая опти­ка с широким диапазоном изменения фокус­ного расстояния и диафрагмы, высокое разре­шение изображения (угол зрения 1°) наряду с углом бокового обзора практически в 180°, самый большой рабочий диапазон длин волн относительно других жителей планеты, высо­кая скорость передачи данных в центр по их обработке наряду с большим их объемом, не­превзойденная интеграция всего прибора в ма­лом объеме и ничтожное потребление энер­гии, и, наконец, что выгодно отличает его в све­те тематики описываемого эксперимента от предмета нашего исследования — светоди­ода, независимость параметров от температу­ры окружающей среды ввиду постоянного вы­сокоточного термостатирования в течение всей жизни владельца «устройства», которая впол­не может превышать 100 лет.

Также следует всегда помнить о том, что глаз человека предназначен для использова­ния в условиях естественных освещенностей Земли и, адаптируя искусственный источник для необходимого восприятия его глазом, на­до учитывать особенности физики и характе­ристик этой освещенности. Фотобиологиче - ские процессы на Земле происходят в основ­ном в диапазоне длин волн от 300 до 900 нм. Естественен вопрос о том, почему для зрения не доступны более короткие и длинные вол­ны? Ответ содержится в величине их энергии. Эта энергия определяется по известной со школьной программы формуле:

E = Не/Х.

Здесь Е — энергия кванта, Н — постоянная Планка (1,58х10-34кал с; 1 кал — 4,2 Дж), е — скорость света, 3х108 м/с, Х — длина волны светового излучения.

Для длин волн короче 300 нм удельная энер­гия превышает 95 ккал/моль. При такой энер­гии возникают повреждения молекул белков и нуклеиновых кислот. У волн длиннее 1800 нм, напротив, энергии оказывается не­достаточно, чтобы вызвать в светочувстви­тельном пигменте (родопсине) фотохимиче­ский процесс. Поэтому допустимая энергия светового восприятия большинства живых су­ществ лежит в пределах от 15 до 65 ккал/моль, что соответствует диапазону длин волн от 440 до 1900 нм. Зрение человека реализуемо в более коротком диапазоне от 380 до 750 нм. Лучи, длина волны которых выходит за ука­занные пределы, для нас невидимы.

Подобные факты легли в основу формиро­вания системы восприятия цвета и определе­ния пороговых освещенностей глаза, которые необходимы для достоверной оценки цвета раз­дражителя в виде сигнала светофора, например, или изображения видеоэкрана при различных условиях внешней освещенности. Междуна­родная комиссия по освещению (МКО) в офи­циальных рекомендациях 1975 года для каж­дого цвета сигнала предлагает по две области. Одна область определяется достаточно широ­кими границами цветностей, а другая являет­ся более строгой. Область с широкими грани­цами цветностей выбрана в соответствии с чис­лом используемых в сигнальных системах различных цветов и возможным влиянием внешних источников света. Более строгие гра­ницы областей сигналов определяют более уз­кие области цветности, которые обеспечива­ют высокую вероятность распознавания цве­та сигнала в заданной сигнальной системе как для наблюдателя с нормальным зрением, так и для наблюдателя с дефектами цветового вос­приятия. Данные рекомендации относятся к световым сигналам, используемым на всех видах транспорта — автомобильном, желез­нодорожном, морском, воздушном.

Значительное сужение областей цветности стандартами диктует особые требования к ис­точникам излучения, формирующим сигна­лы. Совершенно очевидно, что это относится и не только к ответственным устройствам: фи­зика восприятия одинакова, поэтому, безус­ловно, все сказанное будет верно для любого источника света. Как видно из графиков на рис. 21, не все устройства на светодиодах могут реализовать обозначенные требования именно из-за ухода цветовых параметров при изменении температуры. Это является значи­тельной преградой к использованию светоди­одов, однако опыты с изучением восприятия сигналов на светодиодах, параметры которых выходят за пределы стандартов, показали, что к квазимонохроматическому излучению све­тоизлучающих диодов следует подходить осо­бо, лишь отчасти опираясь на стандарты, ко­торые были разработаны для восприятия цвет­ных сигналов от ламп со светофильтрами. Прежде всего, это объясняется узкополоснос - тью излучения светодиодов по сравнению со светофильтром и лампой (ширина полосы меньше приблизительно в 4-5 раз). Это обсто­ятельство может сильно изменить границы об­ластей цветности достоверного восприятия [4].

Доказано, что при условии одинаковой ос­вещенности глаза сигналом на лампе с филь­тром и светодиодах дальность видимости и вероятность распознавания сигнала на све­тодиодах значительно повышаются еще и из - за равномерного заполнения апертуры сиг­нала светофора светодиодами, что сильно увеличивает излучающую площадь, тогда как в прежнем варианте можно увидеть лишь про­екцию нити накала лампы [4]. Оказалось, что несмотря на большое расстояние наблюдения (1000 м), когда оба исследуемых сигнала явля­ются точечными, этот факт сильно повлиял на восприятие. То же самое было замечено и при исследованиях дальности обнаружения световых сигналов морской навигации на рас­стоянии до 12 морских миль. Светодиодный фонарь плавучего буя был отчетливо виден, и можно было достаточно точно определить его цвет даже с такого расстояния, несмотря на то, что из-за очень малого уровня освещен­ности сетчатки, глаз переходит в область ма­лых сигналов, где доминирует палочковое зре­ние, не позволяющее достоверно различать цве­та. Важность открытия этого факта достаточно велика: в конечном итоге правильность опре­деления цвета сигнала светофора определяет безопасность движения и жизни человека.

Однако температурные уходы цветовых па­раметров светодиодов пока остаются значи­тельными и обязательно требуют внимания и коррекции. Изменение спектрального соста­ва излучения, показанное на рис. 17, приво­дит к включению для восприятия различных видов фоторецепторов (палочек и колбочек), которые существенно отличаются чувстви­тельностью и поэтому требуют различных ин­тенсивностей для одинаково верного воспри­ятия различающихся по спектру и, соответст­венно, по цвету излучений. Именно с этим связано и большое количество несоответст­вий в цветовом восприятии изображений, формируемых светодиодными источниками, которые могут изменять свои характеристи­ки с температурой. Здесь уместно говорить как о нарушении баланса белого цвета, так и об из­менении цветов отдельных полей.

Но цвет — это еще не все, что составляет проблему в работе светодиода с его темпера­турными уходами параметров. Возможности глаза ограничены не только спектральным ди­апазоном электромагнитных волн, но и опре­деленным диапазоном интенсивностей света. Сетчатка глаза состоит из четырех видов ре­цепторов (три вида колбочек и один вид па­лочек) с разной чувствительностью как к ин­тенсивности света, так и к его спектральным характеристикам. «Матрица» глаза содержит 6,5 миллионов колбочек и 110-120 миллио­нов палочек. Самые лучшие современные не­живые аналоги отличаются разрешением на порядок величины меньшим, чем сетчат­ка. Световым потоком управляет диафрагма зрачка, не позволяя рецепторам выходить за пределы динамического диапазона.

Рис. 11-16 (см. «КиТ» № 9’2005, 52-53) ил­люстрируют именно этот эффект, когда, по­падая в одинаковые температурные условия, светодиоды разных цветов по-разному изме­няют свои характеристики интенсивности из­лучения. Наряду с изменением цвета будет наблюдаться еще и изменение яркости, что также искажает первоначальную картину. Разные градиенты такого изменения, как вид-

Температура в жизни и работе светодиодов

Часть 1

Статья посвящена исследованиям зависимостей параметров светоизлуча­ющих диодов от температуры окружающей среды. Обсуждается поведе­ние подавляющего большинства электрических, энергетических и коло­риметрических характеристик, зависящих от температуры и составляющих всю систему параметров светодиодов, разъяснен их физический смысл и природа возникновения, а также прослежена связь между характерис­тиками. Приведены практические примеры влияния изменения парамет­ров излучения у светодиодов на его восприятие глазом человека. Предло­жены некоторые методы компенсации уходов указанных характеристик.

1. Природа различных температурных условий работы светодиодов и физические основы причин возникновения изменений их параметров с температурой

Не останавливающийся ни на минуту про­гресс в области совершенствования полупро­водниковых источников света необратимо завоевывает все новые области применения светодиодов и, соответственно, требует от них гораздо большего. Это обстоятельство под­талкивает разработчиков на нетрадиционные решения проблем удовлетворения возрос­ших требований. А для этого необходимо по­стоянно углублять знания в области физики работы светоизлучающих диодов.

Возвращаясь к проблеме продолжитель­ности работы и стабильности параметров светодиодов, стоит обсудить еще одну очень важную сторону этой темы — влияние тем­пературы на характеристики излучения. В большинстве случаев, когда светодиоды участвуют в формировании ответственных сигналов, определенных стандартами, или являются исполнительной частью сис­темы передачи изображения, температур­ным зависимостям всегда есть место при расчетах и проектировании систем, а также при поиске методов компенсации уходов параметров. Важно отметить, что под вли­янием температуры изменяются практиче­ски все фундаментальные характеристики светодиодов, указываемые в спецификаци­ях производителем только при комнатных температурах и составляющие основу для указанного проектирования, в то время как устройства на этих светодиодах, как прави­ло, работают в широком диапазоне темпе­ратур. Знание характера изменения харак­теристик в зависимости от тепловых усло­вий позволит учесть и скорректировать вы­ходные данные указанных устройств на их основе.

Причины возникновения проблемы влия­ния температуры на параметры излучения све­тодиодов в несколько неравных пропорциях разделяется на 2 части — внешние и внутрен­ние факторы изменения тепловых условий функционирования излучающего кристалла. Работа светодиода связана с протеканием электрического тока через р-п-переход кри­сталла и рекомбинацией носителей зарядов. Неоднократно упоминавшееся в публикаци­ях значение КПД светодиода [1], каким бы оно ни было, не может обеспечить работу гетеро­структуры без выделения тепла. Причем, в среднестатистическом светодиоде подавля­ющее большинство потребленной энергии идет именно на нагрев (КПД составляет 12-16%). Поэтому всегда, какой бы ни была температура окружающей среды, существует влияние собственного нагрева кристалла, кри - сталлодержателя и других частей конструк­ции на весь комплекс параметров светодиода. Оно, безусловно, непрерывно накладывается на внешние факторы изменения температу­ры, и прямо пропорционально зависит от ди­намики потребления электрической мощно­сти светодиодом. В итоге получается очень сложная температурная характеристика рабо­тающего светодиода, учитывающая и сочета­ющая все перечисленные факторы. Ввиду сложности учета всех компонентов этой ха­рактеристики проще сопоставить итоги экс­периментов по определению уходов параме­тров с физическими основами работы полу­проводникового излучателя, результатом чего могут стать зависимости параметров вполне реальных светодиодов от температуры.

Поскольку основой светодиода является излучающий кристалл, стоит упомянуть о некоторых температурных особенностях его работы.

Не углубляясь в тонкости процессов, про­исходящих в области пространственного за­ряда излучающей гетероструктуры, состоящей из твердых растворов материалов группы AlnBV, можно сказать, что основным элементом сформированного р-п-перехода является за­прещенная зона, где происходит рекомбина­ция носителей зарядов. Представляя из себя энергетический барьер для зарядов, который они должны преодолеть для того, чтобы реком­бинировать с носителем противоположного знака, запрещенная зона с ее характеристика­ми определяет параметры этой рекомбинации, таким образом формируя характеристики ре­зультатов актов рекомбинации — оптическо­го и теплового излучений. Поэтому темпера­турные зависимости ширины запрещенной зо­ны будут вносить подавляющий по значимости вклад в изменения колориметрических (спек­тральный состав), энергетических и других па­раметров производимого структурой излуче­ния и электрических (прямое напряжение U) характеристик светодиода. Формула (1) пока­зывает пропорциональность функции I(hv) (спектрального состава воспроизводимого структурой излучения) ширине запрещенной зоны Eg и плотности состояния заполнения в зоне проводимости и свободных состояний в валентной зоне в соответствии с законом рас­пределения Ферми — Дирака для электронов и дырок; hv — энергия фотона.

I(hv2~(hv-Eg)1/2 exp[-(hv-Eg)tJT] (1)

Изменение ширины запрещенной зоны с изменением температуры связано с двумя

эффектами: термическим расширением кри­сталлической решетки кристалла и рекомби­нацией с участием кванта теплового излуче­ния — фонона. Влияние термического рас­ширения решетки обеспечивает примерно 25% наблюдаемой температурной зависимо­сти. Теоретический расчет вклада, даваемого этим эффектом, показывает, что ширина за­прещенной зоны при высоких температурах меняется линейно с температурой. У боль­шинства полупроводников значение Eg уменьшается с ростом температуры (рис. 1).

Большой вклад в квантовую (энергетичес­кую) эффективность излучения будет вносить и носящая конкурирующий характер, безиз - лучательная рекомбинация, зависящая от тем­пературы приблизительно так, как показано на рис. 2. Квантовая эффективность определя­ется как отношение числа возбужденных но­сителей, дающих вклад в излучение, к полно­му числу носителей, участвующих в рекомби­нации, и может быть выражена формулой:

Rr /R

где Rr и R — скорости излучательной и пол­ной рекомбинации.

Другими словами, внутренний квантовый выход излучения nq — число излучаемых фо­тонов на одну электронно-дырочную пару. В гетероструктурах величина nq теоретичес­ки может быть близка к 100%. Для практики, однако, важнее внешний квантовый выход излучения це — отношение числа излучае­мых во внешнюю среду квантов света к чис­лу электронно-дырочных пар, пересекающих р-п-переход. Он характеризует преобразова­ние электрической энергии в световую и, по­мимо внутреннего квантового выхода (nq), учитывает коэффициент инжекции пар в ак­тивную область (у) и коэффициент вывода света во внешнюю среду по (формула 3).

Пе = ЩЧо

Данные зависимости выведены для идеа­лизированных структур. Безусловно, на прак­тике влияние внешних факторов гораздо больше и носит более выраженный характер из-за наличия дефектов, неизбежно возника­ющих при эпитаксии (выращивании крис­таллов) в виде неравномерности распределе­ния легирующих примесей и при монтаже кристаллов (контактные явления). Как пра­вило, подобные эффекты накладываются друг на друга и лишь усугубляют результат изменения температуры.

2. Температурные зависимости параметров светодиодов

Электрические характеристики

Столь обширное влияние температуры на подавляющее число характеристик свето­диодов, которые взаимосвязаны, стоит раз­делить на группы по природе возникновения и результату воздействия — приблизитель­но так, как формируются спецификации на светодиоды.

Первой группой параметров являются эле­ктрические: зависимости прямого напряже­ния Uf светодиода от температуры Та при не­изменном токе f. Здесь же рассмотрим и из­менение потребляемой энергии Pdis, которая также является функцией температуры.

Эти параметры будут зависеть в основном от характера изменения ширины запрещен­ной зоны р-п-перехода. Здесь и далее целесо­образно рассматривать диапазон температур окружающей среды, внутри которого сохра­няется работоспособность светодиода и верны приведенные значения величин. Как правило, этот диапазон не бывает менее -60 и более +60 °С. Подобные температуры характерны и для рабочего диапазона, установленного для различных узлов электронной аппаратуры, вы­полняющих функцию управления режимом светодиодов.

Представляя прямое напряжение Uf свето­диода как функцию от температуры Uf (Ta) (рис. 4-8), необходимо иметь один фиксиро­ванный параметр, относительно которого из­меняется напряжение, поэтому здесь речь пойдет о некотором семействе зависимостей

Uf( Ta) при различных прямых токах If. Отли­чия в поведении кривых этого семейства бу­дет состоять в основном в различных степе­нях теплового действия этого тока и различ­ной степени охлаждающей способности кристаллодержателя (конструкции светоди­ода), которая не линейна по отношению к из­менениям температуры и If. Однако на низ­ких температурах это сказывается мало: бо­лее влиятельным фактором оказывается внешняя низкая температура, а перегрев кри­сталла относительно нее (Ta) становится ме­нее заметным и не приводит к существенной разнице в поведении кривой Uf(Ta), несмот­ря на увеличивающуюся потребляемую эле­ктрическую мощность (график на рис. 10). Это можно объяснить значительным увели­чением внешнего квантового выхода (рис. 2) при этих температурах, что приводит к уменьшению выделения тепла при реком­бинации. В то же время, на высоких темпе­ратурах увеличение температуры Та приво­дит к цепной реакции: снижается nq (рис. 2), уменьшение Uf не приводит к пропорцио­нальному уменьшению Pdis, охлаждающая способность кристаллодержателя (конструк­ции светодиода), значительно снижается из - за малой разницы внешней и внутренней температур, исчерпывая в пределе лимит теп­лоемкости, в результате, с дальнейшим рос­том температуры градиент напряжения уменьшается, стремясь к минимуму и явля­ясь следствием уравновешенности динами­ки внутреннего и внешнего нагрева.

Ввиду существенной разницы во многих показателях у кристаллов с различными раз­мерами запрещенных зон, материалами со­става структуры и подложки для каждой груп­пы светодиодов будут не только свои зависи­мости Uf(Ta), но и функции других величин, поэтому удобно условно разделить это мно­гообразие на четыре группы по цвету излуче­ния и составу структуры: InGaN/AlGaN/GaN — синие и зеленые, AlInGaP/GaP — красные и желтые; отдельную группу составят свето­диоды на основе GaAs с доминирующей дли­ной волны 642 нм. Для обсуждения зависимо-

стей последующих величин будет принято та­кое же деление.

Приведенные на рис. 4-8 графики показы­вают, как изменяется прямое напряжение Uf при различных прямых токах If у упомянутых структур. Градиент напряжения также зависит от температуры, и его зависимость показана на нижней части рисунков, а абсолютные зна­чения отсчитываются по вспомогательной (правой) оси Y. Все зависимости выведены для реальных светодиодов на основе эксперимен­тальных данных и с учетом расчетов возмож­ности теплопередачи примененных кристал - лодержателей. При измерениях обозначенных характеристик на больших плотностях тока применялся светодиод на основе кристалло - держателя, разработанного для применения в приборах с рабочим током до 80 мА (плот­ность тока р = 100 А/см2) через кристалл стан­дартного размера 250x300x250 мкм, при токах до 30 мА (плотность тока до р = 40 А/см2) изме­рения проводились как для такой конструкции кристаллодержателя, так и для стандартной, применяемой в подавляющем большинстве све­тодиодов с эпоксидной оптикой диаметром 5 мм. В обоих типах светодиодов были при­менены соответствующие излучающие крис­таллы одинаковых конструкций для обеспе­чения чистоты эксперимента в части различ­ных тепловых свойств разных конструкций: AlInGaP/GaP для красных и желтых фирмы Lumileds на подложке GaP, InGaN/AlGaN/GaN для синих и зеленых фирмы CREE MBright на подложке SiC.

Результаты экспериментов показали хоро­шее совпадение температурных зависимос­тей прямого напряжения Uf светодиодов раз­личных конструкций при указанных плотно­стях прямого тока р, поэтому на приведенных графиках типы светодиодов не дифференци­рованы. Вольт-амперные характеристики из­мерялись при нахождении образцов в термо­камере (рис. 3), внутри которой была достиг­нута заданная температура окружающей среды (Ta) двумя методами: импульсным дей­ствием тока, исключающим разогрев актив­ной области кристалла и при статическом по­стоянном токе If, вносящем свой вклад в на­грев. В данной статье обсуждаются результа­ты второго способа измерения, как наиболее интересного для пользователей с практичес­кой точки зрения.

Расположенный внутри термокамеры све­тодиод подключен к источнику питания с воз­можностью программно изменять ток в диа­пазоне 0-100 мА с минимальным шагом 0,1 мА, и необходимым временем задержки между включением дискретов (возможность импульсного режима), позволяющий также формировать обратное напряжение на излуча­теле до 30 В для измерения обратного тока Ir. Фиксированным параметром, относительно которого строятся все зависимости, являет­ся ток через кристалл If, поэтому он жестко стабилизирован и его величина известна с вы­сокой точностью во время каждого измере­ния остальных характеристик. Вольт-ампер - ная характеристика измерена с шагом изме­нения тока при каждой температуре 0,1 мА (1000 значений для 100 мА).

Порядок измерений был выбран следую­щим. Температура внутри камеры повыша­лась до верхнего исследуемого предела (+55 °С) и выдерживалась таковой в течение получаса для устранения переходных про­цессов. После этого вступала в действие ус­тановленная программа, обеспечивающая следующую последовательность. Измерялась вольт-амперная характеристика в импульс­ном режиме. Далее на светодиод подавалось напряжение питания с током первого дис­крета измерения статических характерис­тик — 1 мА. По истечении 30 с (время ста­билизации параметров) происходило изме­рение спектра излучения с максимальным временем накопления несколько секунд (для обеспечения наибольшей точности показа­ний), одновременно спектрофотометр по­лучал информацию об относительной ин­тенсивности излучения, а внутренний вольтметр источника питания присваивал значение прямого напряжения установлен­ному току. Абсолютные значения силы све­та и ее пространственное распределение фик­сировал двухкоординатный гониофотометр, поворачивающийся на известный угол от­носительно оси светодиода в камере с шагом 0,1°. При необходимости снималось несколь­ко плоскостей диаграмм излучения светоди­ода для наиболее точного расчета светового потока и угловых характеристик. Далее из­мерялась вольт-амперная характеристика в режиме постоянного прямого тока с уче­том разогрева.

Результаты измерения записывалось в ви­де файла, содержащего информацию о тем­пературе, при которой было сделано измере­ние. Основные типы светодиодов по этой программе для всех перечисленных параме­тров также были измерены с применением импульсного режима питания с неразогрева­ющим действием прямого тока независимо от его значения [3].

Далее процесс повторялся, но со следую­щим значением тока. В диапазоне 0-10 мА дискреты были выбраны через 1 мА, в диапа­зоне 10-100 мА измерения проводились через каждые 10 мА. После измерения последних значений (на токе 100 мА), в камере начинала устанавливаться следующая температура и вся программа повторялась. Таким образом, каж­дый светодиод каждого цвета имел не менее 20 значений всех параметров на каждой тем­пературе в диапазоне от -60 до +60 °С с шагом в 20 °С (7 дискретов).

Как видно из графиков, градиент напряже­ния достаточно сильно зависит от темпера­туры у всех светодиодов и имеет устойчивую тенденцию к росту при понижении темпера­туры. Некоторое замедление роста градиен­та при температурах до -50 °С, скорее всего, связано с тепловым действием тока и умень­шением этого эффекта с понижением темпе­ратуры, что особенно проявляется при не­больших плотностях тока через кристалл, где саморазогрев минимален у светодиодов на ос­нове InGaN/AlGaN/GaN. Однако у светодио­дов на основе AlGalnP наблюдается домини-

рование процесса разогрева (кривые при больших плотностях тока имеют гораздо меньшую крутизну) с одной стороны и из­менение характера увеличения ширины за­прещенной зоны Eg и квантовой эффектив­ности при понижении температуры с другой. Эти обстоятельства следует учитывать тогда, когда речь идет о расчетах электрических ре­жимов работы светодиодов в каком-либо ус­тройстве, которое будет работать при различ­ных температурах окружающей среды. Как правило, достаточно ему находиться на улице, и все перечисленные зависимости будут сказываться обязательно. Стоит также обратить внимание еще и на режимы оконеч­ных каскадов или ключей, нагрузкой которых являются светодиоды при динамическом уп­равлении (табло, вывески, экраны, бегущие строки). Их динамический диапазон и уро­вень напряжения питания не должны повли­ять на излучательные параметры светодио­дов при изменении температуры из-за нару­шения электрического режима. И без этого характеристики оптического излучения све­тодиодов существенно изменятся с темпера­турой. Это отражено в графиках на рис. 9-10.

Кроме того, более детальное рассмотрение представленных здесь зависимостей позво­лит, с одной стороны, правильно оценивать охлаждающую способность кристаллодер - жателя при разных температурах, которая вырисовывается из поведения градиента Y при различных токах (его уменьшение при увеличении тока If при одной и той же тем­пературе свидетельствует об исчерпании ох­лаждающих свойств из-за несоответствия площади, материала кристаллодержателя и теплового сопротивления «среда — крис­талл» тепловому действию тока If), ас дру­гой стороны, правильно определить токовый режим работы (рабочий ток) светодиода, ис­ключающий его перегрев.

На рис. 9 представлен более привычный вид электрической характеристики — вольт-ам - перной. Так выглядит семейство кривых при разных температурах. Здесь также видно, что изменяется не только само значение прямого напряжения, но и его градиент. Рис. 10 иллю­стрирует изменение потребляемой мощнос­ти Pdis и динамического сопротивления Rdyn светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN. Графики удобны для использования при рас­четах режимов оконечных каскадов — клю­чей, управляющих работой светодиода, ха­рактеристик теплоотводов и потребляемой электрической мощности.

Энергетические характеристики излучения Энергетические характеристики светодио­дов также существенно зависят от темпера­туры. Самый распространенный и наиболее известный среди пользователей параметр, хо­тя и достаточно косвенно отображающий энергетику излучения — осевая сила света IV. Поведение IV при изменении температуры носит характер, идентичный изменению дру­гих важных энергетических параметров — светового потока F и оптической мощности P, поэтому зачастую использованием этой ха­рактеристики в самых простых случаях и ог­раничиваются. Однако как при очень низких (-20.. .-60 °С), так и при высоких (до +80 °С) температурах данную зависимость (IV (Ta)) нельзя считать корректной при оценке энер­гетики оптического излучения светодиода. Не зависящая ни от одного из остальных па­раметров излучения, осевая сила света дает лишь относительную характеристику в от-

личие от интегрального светового потока F, который зависит не только от изменения ин­тенсивности излучения с температурой, но и от перераспределения его плотности по поверхности кристалла, и, как следствие, от изменения вида диаграммы направленно­сти излучения светодиода. Оптическая мощ­ность P имеет еще более сложную зависи­мость из-за одновременного учета измене­ния светового потока и спектрального соста­ва излучения, который также очень значительно изменяется с температурой и бу­дет описан в следующей части статьи. Поэто­му ограничимся рассмотрением и сравнени­ем зависимостей осевой силы света и свето­вого потока от температуры.

Как и при обсуждении электрических ха­рактеристик, в измерениях зависимостей F (If)

Рис. 13. Относительные люмен-амперные (F (f)) зависимости светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN с Xdom = 522 нм (отн. If = 20 мA) при различных температурах окружающей среды от —60 до +50 °С

рубрика компоненты

также был применен режим стабилизации прямого тока If через светодиод при изменя­ющемся от температуры напряжении Uf.

Как видно из графиков на рис. 11-14, лю - мен-амперные характеристики мало зависят от температуры окружающей среды. Их отли­чие обусловлено лишь тепловым действием прямого тока. И там, где его действие более эф­фективно, например, из-за снижения эффек­тивности охлаждения кристалла, различия бо­лее заметны. Для наглядного примера стоит привести люмен-амперную характеристику светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN, из­меренную в импульсном режиме, который ис­ключает разогрев кристалла прямым током (рис. 15). Хорошо видно, что эти зависимости практически совпадают.

Диаграммы на рис. 16 показывают изме­нение осевой силы света светодиода с темпе­ратурой при условии стабилизации одного параметра из двух: If или Uf. При значениях прямых токов с плотностью, выходящей за пределы указанного на диаграмме диапа­зона, наклон кривых может меняться в зави­симости от типа кристаллодержателя. Одна­ко следует также иметь в виду и тот факт, что будучи значительно связанной с параметра­ми и материалом оптической системы свето­диода, осевая сила света IV непременно будет изменяться по другому закону, если диаграм-

Рис. 15. Относительные люмен-амперные (F(f)) зависимости светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN при крайних температурах окружающей среды от —60 до +50 °С, измеренные импульсным методом, без разогрева излучающего кристалла током f

точником излучения и на который настрое­на эта оптика.

Изменение конфигурации источника при­водит к рассогласованию всей оптической системы светодиода, могущей состоять из трех или более элементов (в простом случае: кристалл — лунка — линза, в более сложных: кристалл—лунка—кремнийорганический на­полнитель — люминофор — линза Френеля).

-е-

В указанном диапазоне углов излучения (15-90°) оптическая система оказывает опти­мальное влияние на ход лучей и обладает мак­симальным коэффициентом концентрации светового потока внутри диаграммы направ­ленности с наименьшими потерями, поэтому изменения характеристик источника сказыва­ются минимально. Однако когда система фор­мирует малый (меньше 10° по уровню 0,5) угол излучения, ее КПД (коэффициент сбо­ра потока) уменьшается, а любая несогласо­ванность составляющих ее элементов стано­вится очень заметной, в то время как угол из­лучения светодиода стремится к значениям более 100°, близким к характерным для кри­сталла без оптики (линза не обладает доста­точной оптической силой), объемное пере­распределение излучения кристалла может изменить диаграмму направленности свето­диода, являясь доминирующим при ее фор­мировании относительно оптики. Именно поэтому можно заметить, что динамика из­менения светового потока, показанная на рис. 11-14 отличается от динамики осевой силы света. Все сказанное объясняет приме­нение зависимостей, показанных на рис. 16, лишь с указанной оговоркой.

Во второй части статьи будут обсужда­ются колориметрические характеристики в зависимости от температуры и особеннос­ти восприятия глазом человека излучения све­тодиодов в свете этих зависимостей.

Автор выражает особую благодарность за организацию и поддержку экспериментов: Абрамову Владимиру Семеновичу, к. т. н., Аникину Петру Павловичу, к. ф-м. н, Сушкову Валерию Петровичу, д. т. н. ■

Продолжение следует.

Литература

1. Мосс Т. Полупроводниковая оптоэлектроника. М.: Мир. 1976.

2. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Том 1-2. М.: Мир. 1984.

3. Абрамов В. С., Никифоров С. Г., Соболь П. А., Сушков В. П. Свойства зеленых и синих InGaN - светодиодов // Светодиоды и лазеры. 2002. № 1-2.

4. Агафонов Д. Р., Мурашова М. А., Никифо­ров С. Г., Пинчук О. П., Столяревская Р. И. Исследования визуального восприятия красных железнодорожных светофоров на основе СИД // Светотехника. 2003. № 6.

5. Иваницкий Г. Вернисаж инфракрасных портре­тов // Наука и жизнь. 2005. № 8.

6. Цвета световых сигналов. Официальные рекомен­дации Международной комиссии по освещению (МКО). Публика ция МКО № 2.2 (ТС-1.6). 1975.

Є~