WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

плотности тока по площади светодиода. В то же Была исследована температура рабочей области свевремя неоднородность инжекции по площади должна тодиода, выводы которого были изготовлены из малоприводить и к неоднородности температуры. Локальуглеродистой стали, применяемой для выводов красное тепловое сопротивление r участка структуры с ных светодиодов на основе AlInGaP. Сбоку через повышенной плотностью тока определяется тепловым эпоксидный корпус в монтажное основание светодиконтактом этого участка с сапфировой подложкой и ода просверливалось отверстие 0.2 мм, в которое увеличивается с уменьшением площади этого участка помещалась термопара хромель–константан. При раs как r k-1(s)-1/2. В результате перегрев активной sap бочем токе 20 мА температура в точке касания сообласти на этом участке может превысить допустимую ставила 49C и соответственно перепад температур температуру, приводя к тепловому пробою уже при между основанием и окружающей средой составил небольшом токе светодиода. На рис. 2, b приведены Tsp-a = 25C. Соответственно тепловое сопротивление токовые зависимости эффективности локальной электроRl-a = Tsp-a/(1 - eff)W при I = 20 мА, V = 3.6В и люминесценции для светодиода фирмы Nichia в стациeff = 0.1 составило Rl-a = 350 K/Вт.

онарном режиме (кривые 3–4). Зависимости получены Если учесть тепловые сопротивления сапфировой с помощью цифровых микрофотографий. Эти измерения подложки (Rsap = 25 K/Вт) и ее теплового контакта с показали, что эффективность вблизи p-контакта падает с основанием катодного вывода Rsp, то можно оценить током значительно быстрее, чем на остальной площади температуру активной области светодиодной структуры.

светодиода (кривые 4 и 3 соответственно). Быстрое наТепловое контактное сопротивление Rsp, оцененное в сыщение интенсивности света вблизи p-контакта с током соответствии с формулой Rsp (a1/2ksp)-1 [6] при является косвенным свидетельством повышенной темпеksp = 0.456 Вт/см (коэффициент теплопроводности маратуры активной области в окрестности p-контакта.

лоуглеродистой стали), сотавило 44 K/Вт. Эти тепПроведенные эксперименты показывают, что оптиловые сопротивления приводят к перепаду темперамальный теплоотвод позволяет увеличить рабочие токи туры между активной областью и монтажным оснодо 350 мА и соответственно мощность до 2.5 Вт. При ванием 5C. В результате для перегрева активной этом, согласно проведенным оценкам, температура акобласти относительно окружающей среды получаем тивной области составляет Tj = 100C, тогда как мак Tj-a 30C, а для температуры активной области симально допустимая рабочая температура составляет Tj = 54C. Отметим, что перегрев активной области Tmax = 135C.

красных светодиодов на основе AlInGaP с тем же номинальным током (I = 20 мА), что и у голубых светодиодов на основе InGaN (V = 3.6В), из-за более низкого 3.3. Джоулев разогрев и теплоотвод рабочего напряжения (V = 2В) составляет < 18C [12].

в маломощных светодиодах Оценка полного теплового сопротивления светодиода Нами исследовалась величина перегрева рабочей обR с учетом экспериментально определенного значения j-a ласти промышленных светодиодов, изготовленных на Rl-a = 350 K/Вт дает R = 420 K/Вт.

j-a основе структур, которые использовались в предыдущем В области токов I > 20 мА ток светодиода ограэксперименте, но заключенных в стандартный корпус.

ничивается последовательным сопротивлением Rs и Существует много различных бесконтактных методов I-V -характеристика может быть аппроксимирована определения температуры активной области светодио- линейной функцией. Тогда потребляемая мощность дов на основе GaN в условиях джоулева разогрева. Эти W = IV = I(V0 + IRs ) (V0 — напряжение отсечки), и Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Влияние джоулева разогрева на квантовую эффективность и выбор теплового режима... температура активной области сверхлинейно растет с током. Увеличение рабочего тока до 80 мА является критическим для светодиодной структуры в данном виде упаковки. Увеличение сечения катодного вывода позволило улучшить отвод тепла от светодиодной структуры, уменьшив тепловое сопротивление R до 170 K/Вт.

j-a При этом перегрев монтажного основания катодного вывода составил 10C, а температура рабочей области светодиода соответственно уменьшилась до 40C. Такой же температурный перегрев монтажного основания (10C) определен нами для коммерческих индикаторных светодиодов фирмы Nichia (5мм) с выводами из медного сплава.

3.4. Джоулев разогрев и теплоотвод в мощных Рис. 4. Зависимость необходимой площади алюминиевого светодиодах радиатора от электрической мощности при различных допусти Существует много вариантов организации теплоот- мых температурах перегрева Trad. Trad, C: 1 — 10, 2 — 30, 3 — 50, 4 — 70.

вода и упаковки мощных светодиодов [13]. Один из вариантов упаковки, в виде „алюминиевого болта“ с боковым разъемом для подвода питания, разработанный нами, показан на рис. 3.

коэффициента передачи тепла от радиатора к воздуДанный вид упаковки значительно упрощает крепху hNC [14]:

ление светодиодной лампы на стенах и элементах конструкций, поскольку лампа непосредственно ввинTrad - Ta 1/hNC = C Вт · м-2K-1, чивается в стену, а питание к светодиодам подается L сбоку, в головку болта. Кроме того, такое крепление способно отвести до 250 мВт тепловой мощности без где Trad — температура поверхности радиатора, L —харадиатора, если лампа, например, вкручена в пластик рактерный размер радиатора, C — коэффициент, зависяили дерево. Для отвода большей мощности требуется щий от ориентации радиатора. Мы будем рассматривать дополнительный радиатор, размер которого определяетплоскую квадратную пластину, тогда:

ся материалом стен или конструкций.

— C = 1.42 Вт · м-3/4K-5/4, если пластина закреплеРассчитаем необходимую площадь поверхности ради- на вертикально;

атора для отвода тепла с помощью естественной конвек— C = 1.32 Вт · м-3/4K-5/4, если пластина закреплеции. Основной проблемой является передача тепла от на горизонтально, охлаждающей стороной вверх;

радиатора воздуху. В условиях естественной конвекции — C = 0.59 Вт · м-3/4K-5/4, если пластина закрепле(без использования вентиляторов) можно воспользона горизонтально, охлаждающей стороной вниз.

ваться следующей феноменологической формулой для Другим каналом передачи тепла окружающей среде является излучение. Коэффициент передачи тепла излучением hRAD равен:

hRAD = (Trad + Ta2)(Trad + Ta), где = 5.67 · 10-8 Вт · м-2K-4 — постоянная Стефана– Больцмана, — коэффициент излучения (0.2 для типичных металлов). Тепловое сопротивление Rrad может быть посчитано из коэффициентов передачи тепла:

Rrad =.

(hNC + hRAD)LТак как коэффициенты передачи тепла зависят от температуры активного слоя TJ, для теплового сопротивления Rrad имеем нелинейное уравнение. На рис. 4 представлена зависимость площади радиатора, необходимой Рис. 3. Конструкция мощного светодиода (1–10 Вт) в виде „алюминиевого болта“. для поддержания фиксированной температуры перегрева 8 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 626 А.А. Ефремов, Н.И. Бочкарева, Р.И. Горбунов, Д.А. Лавринович, Ю.Т. Ребане, Д.В. Тархин, Ю.Г. Шретер установленной на элементе Пельтье (кривая 1) при T = 25C, и индикаторного светодиода в стандартном корпусе (кривая 5).

4. Заключение Исследования вольт-яркостных характеристик голубых светодиодов в импульсном и стационарном режимах показали, что при оптимальном теплоотводе уменьшение эффективности светодиода с ростом тока накачки до 100 мА связано с влиянием электрического поля на эффективность инжекции носителей заряда в InGaN/GaN-квантовую яму. При дальнейшем росте тока до 400 мА причиной снижения эффективности является Рис. 5. Токовые зависимости интенсивности света для джоулев нагрев. Приведенные эксперименты показываInGaN/GaN-светодиодной структуры при различных вариантах ют, что при обеспечении эффективного отвода тепла теплоотвода (1–4): 1 — элемент Пельтье при T = 25C;

рабочие токи обычных InGaN/GaN-светодиодов могут 2 — „алюминиевый болт“, вкрученный в железную пластину;

быть в 5–7 раз больше с соответственным увеличением 3 — „алюминиевый болт“ с алюминиевым радиатором, вкрувыхода света. Кроме того, предлагается классифицироченный в деревянную пластину; 4 — „алюминиевый болт“, вать светодиоды по мощности в зависимости от способа вкрученный в деревянную пластину, и для индикаторного их охлаждения.

светодиода в стандартном корпусе (5).

— До 80 мВт — индикаторные светодиоды.

Для отвода тепла достаточно закрепить светодиодную структуру на выводе сечением 0.3 мм2, изготовленном из радиатора относительно окружающей среды ( Trad) от меди.

потребляемой светодиодом мощности:

— До 250 мВт — лампы средней мощности.

Trad = Trad - Ta = RradW. Необходим более массивный вывод, обеспечивающий лучший отвод тепла, например в виде болта М6–М8, Как видно из рис. 4, размер радиатора можно сильно выполненный из алюминиевого сплава.

уменьшить при повышении Trad. Отсюда мы можем — До 10 Вт — лампы повышенной мощности.

сделать важный вывод о необходимости разработки В дополнение к массивному выводу требуется радиновых структур с активным слоем, способным работать атор в виде обычной плоской металлической пластины.

при высокой температуре 200-300C. Такие приборы Например, для рассеяния 1 Вт необходима алюминиевая будут очень перспективны для ярких светодиодных пластина площадью около 100 см2.

ламп, работающих при мощностях больше 10 Вт и не — Более 10 Вт — лампы высокой мощности.

требующих радиаторов большой площади.

Требуют специальных многопластинчатых радиаторов Были проведены эксперименты с новым видом упас площадью более 100 см2 или принудительного охлаковки голубых светодиодов. На рис. 5 приведены ждения.

зависимости интенсивности ЭЛ от тока. СветодиодПоскольку больший перепад температуры активный ная структура помещалась на отшлифованную шляпслой–окружающая среда позволяет значительно уменьку алюминиевого болта. Болт крепился в деревянной шить размеры радиатора, необходимы разработки новых или стальной пластине большой площади. Так как структур с активным слоем, способным работать при дерево имеет низкий коэффициент теплопроводности высокой температуре 200-300C. Такие структуры бу(k 0.2Вт· м-1K-1), можно считать, что радиатором дут перспективны для разработки ярких светодиодных является алюминиевый болт. Как видно из рис. 5, ламп, работающих при мощностях больше 10 Вт и не он способен обеспечить теплоотвод для мощностей требующих радиаторов большой площади.

до 400 мВт (кривая 4: болт + дерево). Для увеличения рассеиваемой мощности необходимо добавить радиаРабота частично поддержана грантом Президента РФ тор. В качестве радиатора использовалась алюминиеНШ-2223.2003.2.

вая квадратная пластина 70 70 мм толщиной 1 мм, прижимаемая болтом к деревянному основанию (кривая 3: болт + радиатор + дерево). В случае со стальной Список литературы пластиной можно считать, что использовался радиатор бесконечно большой площади (кривая 2: болт + стальная [1] M. Yamada, T. Mitani, Y. Nurukawa, S. Shioji, I. Niki, пластина). Для сравнения приведены зависимости инS. Sonobe, K. Deguchi, M. Sano, T. Mukai. Jpn. J. Appl. Phys., тенсивности света от тока для светодиодной структуры, 41, L 1431 (2002).

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Влияние джоулева разогрева на квантовую эффективность и выбор теплового режима... [2] Introduction to Nitride Semiconductor Blue Lasers and Light Emitting Diodes, ed. by S. Nakamura, S.F. Chichibu (London–N.Y.: Taylor & Francis, 2000).

[3] Ю.Г. Шретер, Ю.Т. Ребане, В.А. Зыков, И.Г. Сидоров.

Широкозонные полупроводники (СПб., Наука, 2001).

[4] Y.T. Rebane, N.I. Bochkareva, V.E. Bougrov, D.V. Tarkhin, Y.G. Shreter, E.A. Girnov, S.I. Stepanov, W.N. Wang, P.T. Chang, P.J. Wang. Proceedings of SPIE, 4996, 113 (2003).

[5] Н.И. Бочкарева, E.A. Zhirnov, А.А. Ефремов, Ю.Т. Ребане, Р.И. Горбунов, Ю.Г. Шретер. ФТП, 39, 627 (2005).

[6] S. Lee, S. Song, V. Au, K.P. Moran. Proceedings of ASME/JSME Thermal Engin. Conf., 4, 199 (1995).

[7] T. Mukai, M. Yamada, S. Nakamura. Jpn. J. Appl. Phys., 38, 3976 (1999).

[8] Y. Xi, E.F. Schubert. Appl. Phys. Lett., 85, 2163 (2004).

[9] Y. Xi, J.-Q. Xi, Th. Gessmann, J.M. Shah, J.K. Kim, E.F. Schubert, A.J. Fisher, M.H. Crawford, K.H.A. Bogart, A.A. Allerman. Appl. Phys. Lett., 86, 031 907 (2005).

[10] M. Kuball, S. Pajasingam, A. Sarua, M.J. Uren, T. Martin, B.T. Hughes, K.P. Hilton, R.S. Balmer. Appl. Phys. Lett., 82, 124 (2003).

[11] C. Winnewiesser, J. Schneider. J. Appl. Phys., 89, 3091 (2001).

[12] http: //literature.agilent.com/litweb/pdf/5965-8097E.pdf.

[13] D.A. Steigerwald, J.C. Bhat, D. Collins, R.M. Fletcher, M.O. Holcomb, M.J. Ludowise, P.S. Martin, S.L. Rudas. IEEE J. Select. Top. Quant. Electron., 8, 310 (2002).

[14] F.P. Incropera, D.P. De Witt. Fundamentals of Heat and Mass Transfer (John Wiley & Sons, New York, NY, 1990).

Редактор Л.В. Беляков Influence of Joule heating on quantum efficiency and heat regime options of high power blue InGaN/GaN light-emitting diodes A.A. Efremov, N.I. Bochkareva, R.I. Gorbunov, D.A. Lavrinovich, Y.T. Rebane, D.V. Tarkhin, Y.G. Shreter St.-Petersburg State Polytechnical University, 194251 St.-Petersburg, Russia Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia

Abstract

The heat model of light-emitting diode (LED) with InGaN/GaN quantum well in the active region is considered.

Effects of the temperature and drive currents, as well as of the radiator size and material on light output and efficiency of blue LED are studied. It is shown that in the case of optimal heat sink a decrease of efficiency with current increase up to 100 mA is due to electric field effect on injection efficiency of charge carriers in the quantum well. Joule heating causes the efficiency decrease at further current increase up to 400 mA. It is shown that operating currents of LEDs can be increased up to 5–7 times under of optimal heat sinking. Recommendations on the cooling of LEDs depending on their power are given.

Pages:     | 1 ||



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.