بررسی کارایی LED از طریق شبیه سازی مولتی فیزیکی

دیودهای ساطع کننده نور (LED) انقلابی بزرگ در صنعت روشنایی ایجاد ‌کرده‌اند، به ویژه LED های آبی، که عصر جدیدی از روشنایی گسترده و کارآمد LED را آغاز کرده است. جایزه نوبل فیزیک سال 2014 که به مخترعین LED اعطا شد، که نشان از اهمیت LED های آبی است. اما، از آنجا که LED های روشن توسط جریان‌های بزرگ‌تری هدایت می‌شوند، منجر شده کارایی آن‌ها کاهش یابد (پدیده ای که به افتادگی LED معروف است). با استفاده از شبیه سازی های مولتی فیزیکی، می‌توان مکانیسم‌های کارایی LED را بررسی و درک کرد.

LED های سفید روشن

دیودهای ساطع کننده نور (LED) در مقایسه با فناوری روشنایی سنتی بسیار کارآمد هستند. LED ها معمولاً فقط به 10 تا 20 درصد از برق مورد نیاز برای راه اندازی یک لامپ رشته ای نیاز دارند و طول عمر عملیاتی آنان نیز 25 برابر بیشتر از لامپ رشته ای است.

کارایی LED ها در مقابل لامپ‌های سنتی

LED ها عملکرد بهبود یافته خود را با روشی کاملاً متفاوت از لامپ‌های رشته ای به دست آورده‌اند. LED ها دستگاه‌های نیمه هادی هستند که هنگام انتقال الکترون در باند هدایت از طریق نوترکیبی تابشی با سوراخ‌های باند ظرفیت، نور را از خود ساطع می‌کنند. در حالت عادی این فرآیند، گرمای بسیار کمی تولید می‌کند و  اجازه می‌دهد بخش زیادی از انرژی محرک به نور تبدیل شود.

در مقابل لامپ‌های رشته ای به گرم شدن یک رشته متکی هستند، که با گرم شدن آن به اندازه کافی روشن می‌شود و نور را ساطع می‌کند. که صرفاً برای گرم کردن رشته از انرژی زیادی استفاده می‌کند و فقط بخش کوچکی از انرژی خروجی به تولید نور منجر می‌شود. دمای بالا نیز منجر به کاهش طول عمر می‌شود، زیرا رشته‌های سوخته تقریباً بیشتر اوقات علت خرابی لامپ‌های رشته ای هستند.

چرا رنگ برای LED مهم است

برخلاف لامپ‌های رشته ای، LED ها نور را از طیف بسیار باریکی از طول موج‌ها ساطع می‌کنند و منجر به شکایت در مورد کیفیت “غیر طبیعی” نور تولید شده توسط لامپ‌های اولیه LED شد.

LED های قرمز، سبز و زرد از دهه‌ها قبل وجود داشته­اند، اما اختراع LED آبی باعث شده روشنایی LED کارآمد با رنگ سفید روشن به واقعیت تبدیل شود. LED های آبی، روشنایی و کیفیت طیفی انتشار LED را تا حد زیادی بهبود می‌بخشند. اینجاست که این سوال پیش می­آید که رنگ چه تفاوتی ایجاد می‌کند؟

در جواب می­توان گفت که LED های آبی بسیار حیاتی هستند زیرا فوتون‌های آبی در انتهای فوقانی محدوده انرژی که توسط چشم انسان قابل‌تشخیص است قرار دارند. همین خصوصیت باعث شده از فوتون‌های آبی برای تحریک انتشار وسیع تر از لایه‌های فسفر در اطراف بدنه LED استفاده شود که منجر به انتشار طیفی از فوتون با انرژی کم‌تر می‌شود. این به نوبه خود طیف وسیع تری را ایجاد می‌کند که مردم اغلب آن را “گرم‌تر” توصیف می‌کنند.

به طور متناوب، LED های آبی می‌توانند با LED های قرمز و سبز ترکیب شده و روشنایی نسبی آن‌ها متعادل شود و هر رنگ دلخواهی ایجاد کند. این امر باعث ایجاد چشم اندازی برای ایجاد چراغ شود که در آن هر دو میزان روشنایی و رنگ می‌توانند قابل تنظیم باشد. در واقع، این ایده انقلابی در صنعت روشنایی ایجاد کرده است و رقابتی برای تولید محصولات روشنایی جدید و قابل تنظیم ایجاد کرده است.

مدل سازی LED های آبی با شبیه سازی مولتی فیزیک

اگرچه LED ها نسبت به فناوری روشنایی قبلی پیشرفت چشمگیری در بهره وری ایجاد کرده است، اما چالش‌های علمی و مهندسی نیز وجود نیز دارد که باید برطرف شوند.

اثر ناخواسته‌ی لامپ‌های LED

به طور خاص، کارایی LED ها با افزایش چگالی جریان محرک کاهش می‌یابد و منجر به افت LED می‌شود. این بدان معناست که برای حفظ کارآیی تولید نور، LED ها باید در جریان‌های بسیار کم کار کنند. با توجه به اثرات افت LED، ما باید سطح دستگاه LED را افزایش دهیم یا LED های بیشتری را به یک لامپ اضافه کنیم تا روشنایی را افزایش دهیم بدون اینکه کارایی را به خطر بیندازیم.

اگر بتوانیم افت LED را کاهش دهیم یا حذف کنیم، LED ها را می‌توان به سادگی از طریق هدایت با جریان‌های بزرگ‌تر، روشن تر کرد. این امر همچنین باعث کاهش هزینه‌های مالی و تأثیرات زیست محیطی تولید لامپ‌های LED می‌شود. علت افت LED موضوع تحقیقات بسیاری در حال حاضر است. یکی از راه‌های کسب بینش در مورد این مسئله استفاده از شبیه سازی های چند فیزیکی برای بررسی مکانیسم‌های احتمالی است که ممکن است عامل تأثیر گذار باشد.

مثال شبیه سازی چند فیزیکی

به عنوان مثال، اولین LED آبی با کارایی بالا را در نظر بگیرید که جایزه نوبل فیزیک در سال 2014 به آن اعطا شد. که در آن شکاف باند بزرگ مورد نیاز برای انتشار فوتون آبی با استفاده از مواد مبتنی بر نیترید گالیم حاصل می‌شود. به طور خاص، از یک دستگاه پیش ساختار دوتایی InGaN / AlGaN استفاده شده که در آن لایه ای از مواد InGaN با شکاف باند پایین توسط مواد AlGaN با شکاف باند بزرگ‌تر احاطه می‌شود. این دستگاه با تشکیل یک لایه ساطع کننده نور InGaN در مرکز منطقه درونی، یک دیود p-i-n تشکیل می‌شود.

هندسه و دوپینگ یک دستگاه LED آبی. شکل سمت چپ: پیش نمایشی از ساختار لایه ای دستگاه. یک ترانشه در لایه n-doped حک شده است تا اجازه داده شود n-contact برقرار شود و p-contact روی سطح رسوب کند. شکل بالا سمت راست: هندسه یک مدل مقطع عرضی 1D از یک دستگاه پیش ساختار دوتایی. شکل پایین سمت راست: غلظت نشان داده شده در سرتاسر دستگاه نشان می‌دهد که لایه InGaN ساطع کننده نور در منطقه درونی ساختار دیود p-i-n است.

طراحی یک دستگاه پیش ساختار دوتایی به حداکثر رساندن کارایی دستگاه LED کمک می‌کند. در واقع InGaN دارای شکاف باند پایین یک محدوده­ی پتانسیلی تشکیل می‌دهد که الکترون‌های باند هدایت و سوراخ‌های باند ظرفیت را می‌گیرد. در حالت تعادل، هنگامی که ولتاژ اعمال نشود، پتانسیل داخلی در محل اتصال p-i-n باعث ایجاد یک سد پتانسیلی می‌شود که از جریان جاری شده جلوگیری می‌کند. اعمال بایاس مستقیم، ارتفاع مانع را کاهش می‌دهد و به حامل‌ها اجازه می‌دهد تا پتانسیل خوبی را در لایه InGaN اشغال کنند.

این را می‌توان با رسم نمودار انرژی برای دستگاه در دو ولتاژ مختلف اعمال شده مشاهده کرد، همانطور که در زیر نشان داده شده است:

نمودارهای سطح انرژی برای LED دارای پیش ساختار دوتایی. شکل چپ: بایاس صفر. شکل راست: بایاس مستقیم. لایه InGaN که دامنه 0.15 ≤ x ≤ 0.155 میکرومتر را تشکیل می‌دهد، یک محدوده پتانسیلی را در هر دو باند هدایت و ظرفیت ایجاد می‌کند. مانع احتمالی بین تیپ- n و تیپ- p دستگاه با استفاده از بایاس مستقیم کاهش می‌یابد. باند هدایت و ظرفیت به ترتیب با برچسب‌های نیمه semi.Ec و semi.Ev و سطح شبه فرمی الکترون و حفره با برچسب‌های semi.Efn و Semi.Epp نشان داده شده است.

همراه با کاهش سد احتمالی در سراسر دستگاه، اعمال بایاس مستقیم بر سطح شبه فرمی نیز تأثیر می‌گذارد. این امر پیامدهای مهمی برای تراکم حامل در سراسر دستگاه دارد. در بایاس صفر، سطح شبه فرمی از لبه‌های باند دور هستند، در نتیجه جمعیت حامل کمی در محدوده پتانسیل InGaN وجود دارد. هنگامی که بایاس مستقیم اعمال می‌شود، سطح شبه فرمی با باندهای هدایتی و ظرفیتی در محدوده پتانسیل همپوشانی دارد و در نتیجه غلظت بالایی از الکترون و سوراخ در لایه InGaN وجود خواهند داشت. این تأثیرات را می‌توان در دو نمودار زیر مشاهده کرد که غلظت حامل را نشان می‌دهد.

برای ترکیب مجدد، یک الکترون و یک سوراخ هر دو باید در مختصات x مشابه باشند، بنابراین پتانسیل به خوبی محل انتشار را در داخل لایه InGaN قرار می‌دهد. از آنجا که طول موج مورد نظر فقط توسط ماده InGaN ساطع می‌شود و بومی سازی میزان انتشار باعث افزایش نسبت نوترکیبی در لایه InGaN می‌شود، بنابراین بازده LED افزایش می‌یابد.

غلظت حامل در طول دستگاه. شکل چپ: بایاس صفر. شکل راست: بایاس مستقیم. در هر دو مورد فوق، پتانسیل InGaN الکترون‌ها و سوراخ‌ها را می‌گیرد. با این حال، تراکم حامل در محدوده بالقوه با استفاده از بایاس مستقیم افزایش می‌یابد.

طیف انتشار از مواد InGaN را می‌توان از پویایی حامل در این منطقه با استفاده از تقریب باند سهمی و یک مدل انتقال شکاف نوری مستقیم محاسبه کرد. طول موج پیک در طیف انتشار به ترکیب آلیاژ InxGa (1-x) N بستگی دارد، زیرا این امر انرژی شکاف نوری ماده را کنترل می‌کند. در مورد مثال ما در اینجا، شکاف نوری مواد InGaN، برای اطمینان از انتشار، بین 430 تا 450 نانومتر تنظیم شده است که در محدوده آبی طیف مرئی قرار دارد. در زیر می‌توانید طیف حاصله را مشاهده کنید( محاسبه شده هنگام کار دستگاه با جریان 10 میلی آمپر).

توجه داشته باشید که عدم وجود ناخالصی‌های مواد و سایر اثرات منبسط کننده منجر به قطع ناگهانی انتشار در طول موج می‌شود که با انرژی شکاف نوری مطابقت دارد.

طیف الکترو لومینسانس محاسبه شده از مرکز لایه InGaN.

بهره وری بهینه از خروجی نور LED

ما می‌توانیم با رسم میزان کلی انتشار فوتون از لایه InGaN به عنوان تابعی از جریان محرک، اثرات افت LED را تجسم کنیم. در ابتدا، میزان انتشار کلی تقریباً به صورت خطی با جریان افزایش می‌یابد. با این حال، پس از چند ده میلی آمپر، آن را خم می‌کند تا نرخ رشد ساب- لاینر را دنبال کند.

افزایش رشد ساب- لاینر در میزان انتشار کل به عنوان تابعی از جریان محرکه مشخصه افت LED

ما با در نظر گرفتن نسبت میزان کل انتشار فوتون (به صورت یکپارچه شده روی لایه InGaN) به میزان تزریق حامل، کارایی LED را ارزیابی می‌کنیم. در.اقع به ما امکان می‌دهد تا بازده داخلی کوانتومی را محاسبه کنیم، که احتمال می رود حامل تزریق شده در منطقه InGaN ساطع کننده نور، به صورت تابشی ترکیب شود. از آنجا که سطح مقطع عرضی دستگاه پیش ساختار دوتایی می‌تواند متنوع باشد، در نظر گرفتن بازده داخلی کوانتومی به عنوان تابعی از تراکم جریان مفید است. همانطور که در نمودار بالا نشان داده شده است.

در اوج کارایی در تراکم جریان حدود 30 A cm-2 یک پیک روشن وجود دارد که با در نظر گرفتن دینامیک حامل مطرح شده است. در جریان‌های محرک بسیار پایین، سطح شبه فرمی با لبه‌های شکاف همپوشانی ندارد و محدوده­ی پتانسیل ترجیحاً با حامل‌ها اشغال نمی‌شود. در مقابل، در تراکم جریان بالای ~ 100 A cm-2، تراکم حامل درون محدوده­ی پتانسیلی بسیار زیاد است و سایر تعاملات حامل- حامل می‌تواند کسری را که به صورت تابشی ترکیب می‌شود، کاهش دهد.

علاوه بر تعاملات حامل-حامل، نسبت حاملهای محدودی را که به صورت تابشی ترکیب می‌شوند، کاهش می‌دهد، این امکان وجود دارد که نرخ تزریق حامل بزرگ‌تر همراه با افزایش تراکم جریان، نسبت حاملهای محدود شده در پتانسیل InGaN را قبل از ترکیب مجدد، کاهش دهد. علاوه بر این، گرمای ژول با افزایش جریان می‌تواند کارایی را کاهش دهد، زیرا انرژی الکترونی که برای گرم کردن دستگاه به کار می‌رود، نمی‌تواند برای تولید نور مورد استفاده قرار گیرد. با این حال، اثرات کاهش حبس حامل و گرما در این شبیه سازی گنجانده نشده است.

اگرچه سازوکارهای دقیق در افت نور LED به طور کامل درک نشده‌اند، اما شبیه سازی چند فیزیکی ما بر تأثیر مکانیسم‌های فروپاشی غیر تابشی متمرکز شده است. این مکانیسم‌ها می‌توانند با کاهش نسبت رویدادهای نوترکیبی که فوتون منتشر می‌کنند، کارایی را کاهش دهند. همچنین اثرات متقابل حامل-حامل با استفاده از مدل ترکیبی Auger و اثرات پراکندگی ناخالصی با استفاده از یک مدل نوترکیبی Trap-Assisted مورد بررسی قرار داده است. تصویر زیر این دو ویژگی غیر تابشی موجود در مجموعه Model Builder در کنار ویژگی Optical Transitions را نشان می‌دهد که با استفاده از مدل انتقال شکاف نوری مستقیم، میزان انتشار تابشی را محاسبه می‌کند.

عکس صفحه سازنده مدل در COMSOL که مکانیسم‌های نوترکیبی موجود را برجسته می‌کند.

نوترکیب جدید Auger (که به تعاملات حامل-حامل در هر شکاف نیاز دارد) مهم‌ترین تأثیر را در بازده انتشار دارد. میزان نوترکیبی Auger متناسب با مکعب تراکم حامل است، در حالی که سرعت ترکیبات تابشی مستقیم متناسب با مربع تراکم حامل است. این بدان معنی است که با افزایش چگالی حامل، سرعت نسبی نوترکیب Auger افزایش می‌یابد و کسری از حامل‌هایی که با انتشار فوتون ترکیب می‌شوند، کاهش می‌یابد. بنابراین، کارایی پایین می‌آید.

منحنی ولتاژ جریان برای دستگاه.

خط آبی داده‌های بدست آمده از یک مطالعه ولتاژ محور را نشان می‌دهد که در آن شرایط مرزی ولتاژ بر تماس دهنده‌ها اعمال شده و جریان حاصل محاسبه شده است. نشانگرهای سبز داده‌های بدست آمده از مطالعه جریان هدایت شده را نشان می‌دهند که در آن جریان در نقطه تماس p ثابت شده و ولتاژ حاصل محاسبه شده است. دایره زرد محدوده فعلی را نشان می‌دهد که با اوج کارایی کوانتوم داخلی مطابقت دارد.

این دستگاه با ابعاد جانبی 200 در 200 میکرومتر مدل شده است. اوج کارایی کوانتوم داخلی مربوط به 10-30 میلی آمپر جریان محرک است که برای LED های با این اندازه معمول است. در نظر گرفتن منحنی ولتاژ جریان برای دستگاه، که در شکل بالا نشان داده شده است، به ما این امکان را می‌دهد که عواقب افتادگی LED را به طور واضح تجسم کنیم. این دستگاه رفتار معمولی دیود با ولتاژ روشن حدود 3.3 ولت را نشان می‌دهد. خط آبی و نشانگرهای سبز به ترتیب نتایج محاسبه شده از شبیه سازی ولتاژ و جریان را نشان می‌دهند. دایره زرد محدوده جریانی را نشان می‌دهد که LED می‌توان به طور مؤثر کار کند.

به دلیل افت نور LED، LED محدود به کار در جریان‌های تقریباً ولتاژ روشن دیود است. این بدان معنی است که برای افزایش میزان کل انتشار فوتون بدون از بین رفتن کارایی، باید مساحت دستگاه را افزایش دهیم. حذف یا کاهش افت LED باعث می‌شود تا روشنایی LED به سادگی با هدایت آن با جریان بیشتر و بدون کاهش کارایی افزایش یابد. از آنجا که مواد نیمه هادی کمتری برای خروجی نور داده شده نیاز است، هزینه و تأثیرات زیست محیطی محصولات روشنایی LED کاهش می‌یابد.

نتیجه گیری و مطالعه بیشتر

با استفاده از قدرت شبیه سازی چند فیزیکی، ما ویژگی‌های انتشار و محدوده عملکرد ایده آل یک دستگاه LED را بررسی کرده‌ایم. در نتایج مدل ما اهمیت مکانیسم‌های نوترکیبی غیر تابشی و چگونگی کمک به رفع افت نور LED را مشاهده کردیم. در ترکیب با نتایج تجربی برای تأیید اینکه کدام فرایندها باید گنجانده شوند تا مکانیسم کاهش کارایی به حداکثر خود برسد، شبیه سازی می‌تواند ابزاری مهم در افزایش فعالیت‌های توسعه محصول باشد.

مدل نشان داده شده در این پست وبلاگ را بارگیری کنید:  InGaN/AlGaN Double Heterostructure LED.
درباره جایزه نوبل فیزیک و مکانیسم های نوترکیبی 2014 در دستگاه های LED مبتنی بر GaN بیشتر بخوانید:

“Blue LEDs Recognized with 2014 Nobel Prize in Physics“

“2014 Physics Nobel Prize Journal Articles“

“Auger recombination in InGaN measured by photoluminescence“

“Internal quantum efficiency and nonradiative recombination coefficient of GaInN/GaN multiple quantum wells with different dislocation densities“

این متن از وبسایت comsol به فارسی با عنوان مبررسی کارایی LED از طریق شبیه سازی مولتی فیزیکی برگردان شده است، استفاده از ترجمه با ذکر نام کامسولفا مجاز است. مشاهده متن اصلی