Способ определения температуры активной области светодиода
Владельцы патента RU 2473149:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский Государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (RU)
Изобретение относится к способу определения температуры активной области полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД), который может быть использован для контроля качества СИД на всех этапах производства. В предложенном способе определения температуры активной области СИД при температурной градуировке светодиода получают ряд зависимостей длины волны от температуры для выбранных точек в заданной длинноволновой части спектра излучения светодиода. Затем проводят измерение спектра светодиода при определенном значении прямого тока и из этого спектра определяют значение длин волн в выбранных точках в заданной длинноволновой области спектра, далее по градуировочным зависимостям определяют температуру для каждой выбранной точки и для расчета точной температуры активной области светодиода получают ее среднее значение. Технический результат - предложенный способ позволяет повысить достоверность определения температуры, что обеспечивает надежный, качественный, неразрушающий, дешевый и автоматизированный контроль готовых СИД, дисплеев, ламп и матриц на их основе. 4 ил., 3 табл., 1 пр.
Изобретение относится к испытаниям полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД), а именно к способу определения температуры их активной области, который может быть использован для контроля качества СИД и различных изделий на их основе (лампы, табло, матрицы) на всех этапах производства.
Из существующего уровня техники известен «Метод измерения температуры pn-перехода светодиода» патент US 2010/0004892 А1, опубликованный 07.06.2010, который состоит из нескольких этапов. Во-первых, проводят эксперименты для выбора опорного напряжения, при котором самонагрев кристаллической структуры СИД минимален. Далее на установленном значении опорного напряжения определяется зависимость рабочего тока или других его характеристик от температуры. Полученные зависимости близки к линейным, наклон которых можно определить как К=ΔI/ΔТ. Далее измеряются значения указанных выше характеристик, например тока, при заданной температуре термостата и выбранном опорном напряжении I1 и после прошествия некоторого времени, в течение которого устанавливается температурное равновесие, I2. Рассчитывается разница полученных величин ΔI=I1-I2. Затем определяется изменение температуры ΔТ (путем использования ранее полученных градуировочных зависимостей), которое в совокупности с начальной температурой позволяет получить температуру pn-перехода СИД Tj.
Из существующего уровня техники известны патенты «Система и метод оценки температуры перехода светодиода» US 2011/0031903 А1, опубликованный 10.02.2011, и «Светодиодный драйвер и метод и система оценки температуры перехода светодиода» US 2010/0315019, опубликованный 16.12.2010, которые заключаются в определении температуры активной области путем подачи на светодиод импульса тока, имеющего высокий Ihigh и низкий уровень Ilow (сигнал - миандр) и на основе установленной ранее, не важно каким образом, температурной градуировки или специальной аналитической модели (которые отражают изменение прямого смещения напряжения от температуры) определяют температуру активной области СИД через известное прямое смещение напряжения при уровне тока Ilow.
Из существующего уровня техники известен «Метод измерения температуры перехода СИД» патент US 2009/0306912 А1, опубликован 10.12.2009, который заключается в проведении предварительной температурной градуировки образца (то есть определения коэффициента KV), путем нахождения линейной зависимости падения напряжения от температуры при пропускании через СИД реперного импульсного тока. Это дает возможность определять температуру перехода Tj через падение напряжения при помощи полученного ранее уравнения
где Т0 - температура окружающей среды, VT и V0 - падения напряжения, измеряемые при реперном токе при температурах Т и Т0, KV - температурный коэффициент, который был найден путем предварительной градуировки конкретного типа СИД.
Из существующего уровня техники известен «Прибор для определения температуры перехода СИД» патент US 7052180 В2, опубликованный 30.05.2006. Представленное изобретение использует способ определения температуры активной области через температурную градуировку, то есть через установленную линейную зависимость прямого смещения напряжения СИД от температуры активной области. Градуировка производится путем регистрирования напряжения светоизлучающего прибора при комнатной температуре и при температуре термостата, которая выше окружающей. Полученные значения напряжения при низком и высоком уровне температуры позволяют установить линейную зависимость падения напряжения от температуры.
Все представленные выше методы определения температуры активной области СИД обладают в совокупности следующими недостатками:
а) Методы являются контактными, из-за чего не позволяют диагностировать светодиоды, включенные в электрические цепи, и тем более СИД в готовых изделиях (например, в светодиодных лампах, табло или матрицах), поскольку требуется выпаивание измеряемого образца из общей схемы.
б) Не позволяют с высокой точностью определить реальную температуру активной области. При наличии градиентов температуры как в плоскости p-n-перехода, так по нормали к ней измеряется некая «усредненная» температура по кристаллу в целом. Какой вклад в эту измеряемую величину вносит непосредственно активная область - в большинстве случаев неизвестно.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является «Метод и испытательное оборудование для светодиодов и лазерных диодов» патент US 2008/0205482 А1, опубликованный 28.08.2008, который заключается в температурной градуировке длины волны в максимуме излучения эталонного СИД. Представленный способ состоит из следующих этапов: «эталонный» СИД помещают в термостат. При необходимой температуре термостата после достижения температурного равновесия системы «термостат-СИД» регистрируется зависимость значения длины волны в максимуме спектра излучения от температуры кристалла. Полученная зависимость позволяет определять температуру активной области образцов СИД, близких по своим рабочим параметрам к эталонному СИД.
Недостатком метода является неудовлетворительная достоверность определения температуры активной области исследуемых светодиодов, обусловленная:
а) возможным применением некачественного эталонного образца;
б) большой погрешностью определения температуры активной области через зависимость длины волны в максимуме излучения от температуры из-за наличия шумов и возможной интерференции в спектре излучения СИД (см. фиг.1).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа определения температуры активной области СИД, который позволяет достигать технического результата, заключающегося в повышении достоверности полученного результата.
Сущность изобретения заключается в том, что при температурной градуировке светодиода получают ряд зависимостей длины волны от температуры для выбранных точек в заданной длинноволновой части спектра излучения светодиода. Затем проводят измерение спектра светодиода при определенном значении прямого тока, и из этого спектра определяют значение длин волн в выбранных точках в заданной длинноволновой области спектра, после чего по градуировочным зависимостям определяют температуру для каждой выбранной точки и для расчета точной температуры активной области светодиода получают ее среднее значение.
Особенностью способа является анализ длинноволновой области спектра для определения температуры активной области светодиода, где влияния шумов на точность расчетов мало, что приводит к снижению погрешности. Сдвиг длинноволнового края хорошо аппроксимируется линейной функцией температуры, а также величина градуировочного коэффициента K=Δλ/ΔT не зависит от типа корпуса светодиода, а определяется только типом активного элемента (материалом и структурой гетероперехода). При анализе зависимости длины волны в максимуме излучения от температуры в спектрах некоторых светодиодов может также наблюдаться характерная структура, вызванная интерференционными эффектами (см. фиг.1). С изменением температуры интерференционные максимумы и минимумы смещаются непредсказуемым образом, что значительно затрудняет интерпретацию полученных результатов и приводит к нежелательным ошибкам в процессе исследования. Также, при проведении температурной градуировки, можно пропускать через светодиод как импульсный ток, так и постоянный, но не превышающий определенной величины. При значениях постоянного тока ниже 1 мА воздействие на кристалл светодиода минимально, из-за чего самонагрев кристалла практически отсутствует. Кроме того, представленный способ рекомендует производить температурную градуировку каждого образца отдельно, что исключает возможность неверного определения температуры активной области из-за использования градуировочных характеристик некачественного эталона.
Изобретение иллюстрируется следующими фигурами:
Фиг.1. Спектр излучения светодиода, искаженный влиянием интерференционных эффектов.
Фиг.2. Относительная спектральная зависимость исследуемого светодиода при различных температурах окружающей среды.
Фиг.3. Смещение длинноволнового края спектральной характеристики светодиода от температуры при I=1 мА.
Фиг.4. Спектральная характеристика излучения светодиода при различных токах.
Способ состоит из следующих этапов:
1) Температурной градуировки светодиода или изделия на его основе.
2) Определения температуры активной области светодиодов при различных рабочих токах.
Первый этап состоит из следующих действий:
1.1) Помещение светодиода в термостат;
1.2) Регистрация спектра излучения при комнатной температуре;
1.3) Постепенный нагрев светодиода в термостате;
1.4) Измерение спектра излучения светодиода в заданном диапазоне температур;
1.5) Построение интенсивности спектра излучения СИД в относительных единицах I/Imax=f(λ);
1.6) Анализ длинноволновой области спектра, который заключается в определении зависимости длины волны от температуры на уровне 80-50% от максимума интенсивности излучения;
1.7) Построение зависимостей смещения длинноволнового края спектра от температуры на уровнях 80-50% от максимума интенсивности;
1.8) Определение градуировочных коэффициентов Ki=Δλi/ΔТ;
1.9) Определение линейных зависимостей сдвига длиноволнового края от температуры λi=Ki·Т+λ10.
Второй этап состоит из следующих действий:
2.1) Помещение светодиода в держатель;
2.2) Регистрация спектров излучения СИД при достижении необходимых токов;
2.3) Построение интенсивности спектра излучения СИД в относительных единицах I/Imax=f(λ);
2.4) Анализ длинноволновой области спектра, который заключается в определении зависимости длины волны от тока на уровне 80-50% максимума интенсивности излучения;
2.5) Определение усредненной температуры активной области СИД при заданных токах через полученные на этапе температурной градуировки линейные зависимости сдвига длиноволнового края от температуры
λi=Ki·T+λi0.
Пример
Рассмотрим применение способа на примере образца светодиода. На этапе температурной градуировки светодиод помещался в термостат, температура которого равна комнатной. На светодиоде устанавливался прямой ток 1 мА. Для повышения точности установки значения тока мощность излучения СИД регулировалась с помощью изменения напряжения. При заданных условиях измерялся спектр излучения СИД. Затем термостат постепенно нагревался и регистрировались спектры излучения СИД при температурах в диапазоне 30-100°С. Полученные спектры нормировались по интенсивности, то есть строились в относительных единицах, см. фиг.2. На основе полученных данных проводилась математическая обработка для определения линейных зависимостей сдвига длинноволновой области спектра от температуры λi=Ki·Т+λi0. Для каждого градуировочного спектра определяли длину волны на уровне 50%, 60%, 70%, 80% от максимума интенсивности излучения светодиода. По результатам проведенного анализа строили графики зависимости λ=f(Т), см. фиг.3, из которых и определяли зависимость λi=Ki·Т+λi0 (см. таблицу 1), где K=Δλ/ΔТ - температурный градуировочный коэффициент, i - индекс для соответствующего уровня от максимума интенсивности, на котором было получено значение длины волны (в нашем представленном примере i изменяется от 1 до 4):
| Таблица 1 | |
| На уровне от максимума интенсивности | Линейная зависимость |
| 80% | λ1=0,15·T+590,9 |
| 70% | λ2=0,15·Т+591,7 |
| 60% | λ3=0,15·Т+592,1 |
| 50% | λ4=0,15·Т+592,6 |
На следующем этапе проводилось определение температуры активной области СИД при разных пропускаемых прямых токах (10-100 мА). Для этого светодиод помещался в держатель, и на нем устанавливали различные прямые токи. При достижении необходимого тока производился регистрация спектра излучения. Полученный спектр нормировался по интенсивности, то есть строились в относительных единицах (см. фиг.4). Далее для расчета температуры активной области использовались полученные при температурной градуировке линейные зависимости λi=К·Т+λ0 и нормированный спектр излучения при заданном токе. Из уравнений определялось четыре значения температуры, используя значения длины волны в таблице 2, полученные на уровнях 50%, 60%, 70%, 80% от максимума (см. фиг.4). В результате расчета среднего арифметического получили усредненное значение температуры (см. таблицу 3).
Таким образом, заявляемый способ позволяет повысить достоверность определения температуры, что обеспечивает надежный, качественный, неразрушающий, дешевый и автоматизированный контроль готовых СИД, дисплеев, ламп и матриц на их основе.
| Таблица 2 | ||||
| Ток, мА | Значение длины волны на заданном уровне от максимума | |||
| 80% | 70% | 60% | 50% | |
| 10 | 595.79 | 596.59 | 597.20 | 597.80 |
| 20 | 596.80 | 597.60 | 598.30 | 599.00 |
| 30 | 598.40 | 599.20 | 600.01 | 600.61 |
| 40 | 599.81 | 600.61 | 601.41 | 602.11 |
| 50 | 601.41 | 602.21 | 603.11 | 603.85 |
| 60 | 603.01 | 603.81 | 604.62 | 605.40 |
| 70 | 604.02 | 604.82 | 605.82 | 606.62 |
| 80 | 605.22 | 606.02 | 607.02 | 607.82 |
| 90 | 606.42 | 607.22 | 608.22 | 609.02 |
| 100 | 607.80 | 608.62 | 609.62 | 610.52 |
| Таблица 3 | |||||
| Ток, мА | Расчет температур, °С | ||||
| Величина на уровне от максимума | Усредненное значение температуры активной области | ||||
| 80% | 70% | 60% | 50% | ||
| 10 | 33.7 | 33.7 | 33.6 | 33.5 | 33.6 |
| 20 | 40.6 | 40.6 | 40.9 | 41.3 | 40.8 |
| 30 | 51.6 | 51.6 | 52.1 | 51.7 | 51.8 |
| 40 | 61.2 | 61.3 | 61.4 | 61.5 | 61.3 |
| 50 | 72.3 | 72.3 | 72.7 | 72.7 | 72.5 |
| 60 | 83.3 | 83.3 | 82.6 | 82.8 | 83.0 |
| 70 | 90.1 | 90.1 | 90.5 | 90.7 | 90.4 |
| 80 | 98.4 | 98.4 | 98.4 | 98.5 | 98.4 |
| 90 | 106.6 | 106.6 | 106.4 | 106.2 | 106.5 |
| 100 | 116.1 | 116.2 | 115.6 | 116.0 | 116.0 |
Способ определения температуры активной области светодиода, заключающийся в проведении температурной градуировки светодиода, который включает определение зависимости спектра излучения светодиода от температуры, и расчета температуры активной области светодиода, отличающийся тем, что при градуировке светодиода получают ряд зависимостей длины волны от температуры для заданных точек в выбранной длинноволновой части спектра излучения светодиода, далее проводят измерение спектра светодиода при определенном значении прямого тока и из этого спектра определяют значение длин волн в заданных точках в выбранной длинноволновой области спектра и далее по градуировочным зависимостям определяют температуру для каждой заданной точки и для определения температуры активной области светодиода получают ее среднее значение.
