НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ
“ШАГ В БУДУЩЕЕ”
Контрольная работа
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СПЕКТРАЛЬНЫЕ ИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ 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 диапазоне300-90 К исследованы электролюминесценция, вольт-амперные и люкс-амперные характеристикипромышленных «фиолетовых» и «желтых» светоизлучающих диодов. Установлено, что спонижением температуры у «фиолетовых» светодиодов уменьшается интенсивностьизлучения и наблюдается «шнурование» тока. В отличие от «фиолетовых»светодиодов, интенсивность излучения «желтых» светодиодов при 90 К возрастает,однако спектр излучения имеет квазидискретную структуру.
Исследования электрическиххарактеристик светодиодов позволили предположить, что при низких температурах вгетероструктурах, из которых изготовлены светодиоды, изменяются механизмыпроцессов генерации и рекомбинации носителей заряда.
Светодиод — этополупроводниковый прибор, генерирующий (при прохождении через негоэлектрического тока) оптическое излучение, которое в видимой областивоспринимается как одноцветное (монохромное). Цвет излучения светодиодаопределяется как используемыми полупроводниковыми материалами, так илегирующими примесями. Современные промышленные светодиоды изготавливаются наоснове p-n-гетероструктур InxGa1-xN/AlyGa1-yN/GaN или.InxGa1-xP/AlyGa1-yP/GaP. Светодиоды служат реальной альтернативой традиционнымисточникам света, так как они обладают малыми размерами, имеют малоеэнергопотреблении. Обладая такими свойствами, как точная направленность света ивозможность управления интенсивностью и цветом излучения, они уже сегодняприменяются в архитектурном и декоративном освещении, на их основе созданырекламные экраны цветного изображения [1].
Однако, температурныйдиапазон эксплуатации светодиодов ограничен (+40 -20 0С), а вдоступной нам литературе мы не нашли ответ на наш вопрос: «Почему светодиодынеспособны работать при более низких температурах?». Если нет ответа, то егонадо искать.
Цель работы – установление причин низкотемпературной неустойчивости режимаработы промышленных светоизлучающих диодов.
Для достижения поставленнойцели решались следующие задачи:
— в температурном диапазоне300 — 90 К исследовались спектры электролюминесценции, вольт-амперные илюкс-амперные характеристики «фиолетовых» и «желтых» светодиодов;
— проводился анализпроцессов токопереноса, генерации и рекомбинации носителей заряда вгетероструктурах при различных температурах.
Работа выполнена наэкспериментальной базе Аналитического центра коллективного пользованияИнститута физики Дагестанского научного центра РАН.
1 МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для исследования нами быливыбраны «фиолетовый» и «желтый» светодиоды.
/>
Рис. 1 Блок — схема экспериментальнойустановки для исследования фотолюминесценции, собранной на базеспектрально-вычислительного комплекса КСВУ-2
1 — образец в криостате, 2 — монохроматор МДР -23, 3-4 блокпитания источника фотовозбуждения, 5-6- блоки оптических фильтров сконденсорами, 7 — ФЭУ, 8 — блок управления и регистрации сигнала, 9 — усилитель(UNIPAN 232B), 10 — модулятор, 11-блок регистрации температуры, 12 -блокэлектропитания образца, 13 — вакуумный пост.
Исследования спектров электролюминесценции светодиодов проводились наустановке, собранной на базе спектрально-вычислительные комплексы КСВУ-23 (рис.1).
Главным элементом оптическойсистемы этой установки является монохроматор МДР-23 (2). В зависимости от спектральногодиапазона измерений используются дифракционные решетки 1200, 600 и 300 штр. намм.
/>
Рис. 2
Для снятия вольт-амперных илюкс-амперных характеристик светодиода применялась стандартная схема (рис. 2).Светодиод закреплялся на хладопроводе и помещался в криостат (1).
Излучение светодиодамодулировалось механическим модулятором (10) и фокусировалось (6) на входнующель монохроматора МДР-23 (2). В качестве детектора излучения использовалсяфотоумножитель (7) типа ФЭУ-100 (спектральный диапазон чувствительности 200-700нм), сигнал с которого для усиления подается на вход селективногонановольтметра Unipan-232 В (9), а затем на вход блока управления и регистрации(8) включающий и ЭВМ.
Охлаждение образцапроизводится с помощью хладагента (жидкий азот) путем заливки его в стакан криостата(1). Для нагрева образца используется электрический нагреватель. Температура фиксируетсямедь-константановой термопарой.
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Спектрыэлектролюминесценции, 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 ImA: 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 ImA: 0.23; 1.0; 2.15; 3.7
Вольт-амперные илюкс-амперные характеристики светодиодов представлены на рис. 5-8, а температурныезависимости 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 экспериментальныеданные показывают, что с понижением температуры у «фиолетовых» светодиодовнаблюдается уменьшение интенсивности излучения (рис. 3 и рис. 9) и изменгениемеханизма протекания тока (рис. 5). Для выведения данного светодиода в рабочийрежим 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» светодиодатемпературная зависимость интенсивности излучения имеет более сложный вид (рис.10), при 90 К интенсивность излучения становится больше, чем при 300 К (сравнирис. 4а и 4б). При этом, спектр излучения состоит из квазидискретных полос. Длявывода светодиода в рабочий режим при 90 К необходимо увеличивать напряжениепитания более, чем в два раза.
3 ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Излучательная способность«фиолетовых» светодиодов, изготовленных на основе p-n-гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами (рис.11), определяется интенсивностью процессов туннельной излучательнойрекомбинации [2]. Туннелирование
/>
Рис. 11. Энергетическая диаграммагетероструктуры типа InGaN/AlGaN/GaNcодиночной квантовой ямой InGaN. Стрелкой показантуннельный переход электронов из квантовой ямы в p-область с излучением квантасвета
/>
Рис. 12. Энергетическая диаграмма p-n+ — структуры на основе GaP. Стрелкой показан переходэлектронов при аннигиляции экситонов с излучением кванта света
Носителей заряда из квантовыхям носит активационный характер и зависит, как от величины электрических полейв гетероструктуре, так и от температуры. Полученные нами экспериментальныерезультаты, скорее всего являются следствием того, что при понижениитемпературы туннелирование носителей заряда из квантовых ям уменьшается, иинтенсивность излучения светодиода падает (рис. 3 и 9).
Понижение температурыпроводит к тому, что в силу уменьшения энергии термической ионизации, вквантовых ямах инжектированные носители заряда заполняют не только нижние, но иверхние квантовые уровни. Идет накопление электрического заряда в квантовыхямах, что сопровождается ростом внутреннего электрического поля вгетероструктуре. Когда величина поля достигает критического значения, наступаеттуннельный «пробой», что сопровождается шнурованием тока (S-образная ВАХ на рис. 5) и резкимувеличением интенсивности излучения (рис. 6).
«Желтые» светодиодыизготавливаются из p-n-гомоструктур на основе фосфида галлия (рис. 12). Основныммеханизмом излучательной рекомбинации в них является экситонный [3]. Спектрыизлучения экситонов состоят из серии узких полос. Вследствие температурногоуширения спектральных полос при Т=300 К спектр излучения «желтого» светодиодасостоит из одной полосы со слабо выраженной структурой (рис. 4, а). Припонижении температуры от 300 до 90 К температурное уширение спектральных линийпостепенно «снимается» и при 90 К начинает полностью проявлятьсяквазидискретный спектр экситонной люминесценции (рис. 4, б). Интенсивность этойлюминесценции будет определяться концентрацией связанных электронно-дырочныхпар, которая в свою очередь зависит от концентрации инжектированных носителейзаряда (рис. 7, 8).
ВЫВОДЫ
На основании проведенныхэкспериментов, было установлено:
1. При температурах ниже –200 С наблюдаются нарушения режимов работы светодиодов, что сопровождаетсяизменениями в их спектральных и токовых характеристиках;
2. Температурнаянеустойчивость режимов работы светодиодов определяется механизмом рекомбинацииинжектированных носителей заряда в гомо — и гетероструктурах.
Литература
1. А.Э. Юнович. Светит больше – греет меньше. // Экология и жизнь.2003, № 4 (33), с. 61-64.
2. В.Е. Кудряшов, А.Э Юнович. Туннельная излучательнаярекомбинация в p-n-гетероструктурах на основе нитрида галлия // Журналэкспериментальной и теоретической физики, 2003, т. 124, в. 5, с. 1133-1137.
3. В.И.Гавриленко, А.М. Грехов, Д.В. Корбутяк, В.Г. Литовченко.Оптические свойства полупроводников (справочник). // Киев: изд-во «НауковаДумка».-1987, с.369-379.