بررسی کارایی LED از طریق شبیه سازی چندفیزیکی

دیودهای ساطع کننده نور روشن (LED) صنعت روشنایی را متحول می کنند و ال ای دی های آبی به طور خاص عصر جدیدی از روشنایی LED کارآمد گسترده را آغاز می کنند. اهمیت LED های آبی با جایزه نوبل فیزیک امسال مشخص شد که به مخترعان رسید. اما، از آنجا که LED های روشن توسط جریان های بزرگتر هدایت می شوند، از کاهش بازده رنج می برند – پدیده ای که به عنوان افتادگی LED شناخته می شود . با استفاده از شبیه‌سازی‌های چندفیزیکی، می‌توانیم مکانیسم‌های پشت بازده LED را بررسی و درک کنیم.

LED های سفید روشن کارآمد

دیودهای ساطع نور (LED) در مقایسه با فناوری روشنایی سنتی بسیار کارآمد هستند. ال ای دی ها معمولاً تنها به 10 تا 20 درصد از توان مورد نیاز برای راه اندازی یک لامپ رشته ای معادل نیاز دارند و طول عمر عملیاتی آنها بیش از 25 برابر بیشتر است.

ال ای دی در مقابل لامپ های سنتی

ال ای دی ها با عملکرد بسیار متفاوتی نسبت به لامپ های رشته سیمی سنتی، عملکرد بسیار بهبود یافته خود را به دست می آورند. ال‌ای‌دی‌ها دستگاه‌های نیمه‌رسانایی هستند که وقتی الکترون‌ها در نوار رسانایی از طریق بازترکیب تابشی با حفره‌هایی در نوار ظرفیت عبور می‌کنند، در سراسر شکاف باند، نور ساطع می‌کنند. در حالت عادی، این فرآیند گرمای بسیار کمی تولید می کند و این اجازه می دهد تا بخش زیادی از انرژی محرک به نور تبدیل شود.

لامپ‌های رشته‌ای متکی به گرمایش مقاومتی رشته‌ای هستند که وقتی به اندازه کافی داغ می‌شود تا درخشنده شود، نور ساطع می‌کند. این فقط برای گرم کردن رشته انرژی زیادی مصرف می کند و تنها بخش کوچکی از انرژی خروجی به تولید نور می رود. دمای بالا نیز منجر به طول عمر کوتاه‌تر می‌شود، زیرا رشته‌های سوخته تقریباً همیشه علت خرابی لامپ‌های رشته‌ای هستند.

چرا رنگ برای LED ها اهمیت دارد؟

برخلاف لامپ های رشته ای، LED ها نور را در محدوده بسیار باریکی از طول موج ساطع می کنند که منجر به شکایت در مورد کیفیت “غیر طبیعی” نور تولید شده توسط لامپ های LED اولیه می شود.

LED های قرمز، سبز و زرد چندین دهه است که وجود دارند، اما این اختراع LED آبی است که روشنایی LED کارآمد سفید روشن را به واقعیت تبدیل کرده است. LED های آبی تا حد زیادی روشنایی و کیفیت طیفی انتشار LED را بهبود می بخشند. رنگ چه فرقی می کند؟

خوب، LED های آبی بسیار مهم هستند زیرا فوتون های آبی به سمت انتهای بالایی محدوده انرژی هستند که توسط چشم انسان قابل تشخیص است. این اجازه می دهد تا از فوتون های آبی برای تحریک گسیل گسترده تر از لایه های فسفر در اطراف پوشش LED استفاده شود که در نتیجه گسیل طیفی از فوتون های انرژی پایین تر را ایجاد می کند. این به نوبه خود طیف انتشار گسترده تری را ایجاد می کند که مردم اغلب آن را “گرمتر” توصیف می کنند.

به طور متناوب، LED های آبی را می توان با LED های قرمز و سبز ترکیب کرد و روشنایی نسبی آنها را متعادل کرد تا هر رنگ دلخواه ایجاد شود. این چشم انداز چراغ های قابل تنظیم را باز می کند که در آن روشنایی و رنگ هر دو می توانند متفاوت باشند. در واقع، این ایده انقلابی را در صنعت روشنایی ایجاد کرده است. مسابقه برای توسعه محصولات نورپردازی کارآمد و قابل تنظیم جدید ادامه دارد.

مدل سازی LED های آبی با شبیه سازی چند فیزیک

اگرچه LED ها نسبت به فناوری روشنایی قبلی پیشرفت زیادی در کارایی ارائه می دهند، هنوز برخی از چالش های علمی و مهندسی برای غلبه بر آنها وجود دارد.

اثر ناخواسته: LED Droop

به طور خاص، کارایی LED ها با افزایش چگالی جریان رانندگی کاهش می یابد و منجر به افتادگی LED می شود. این بدان معناست که برای حفظ تولید نور کارآمد، LED ها باید در جریان های بسیار کم کار کنند. به دلیل اثرات افتادگی LED، یا باید مساحت دستگاه LED را افزایش دهیم یا LED های بیشتری را به یک لامپ اضافه کنیم تا روشنایی را بدون کاهش کارایی افزایش دهیم.

اگر بتوانیم افتادگی LED را از بین ببریم، ال‌ای‌دی‌ها را می‌توان به سادگی با هدایت آن‌ها با جریان‌های بزرگ‌تر بسیار روشن‌تر کرد. این امر همچنین هزینه های مالی و اثرات زیست محیطی تولید لامپ های LED را کاهش می دهد. علت افتادگی LED موضوع بسیاری از تحقیقات مداوم است. یکی از راه‌های به دست آوردن بینشی در مورد مسئله، استفاده از شبیه‌سازی‌های چندفیزیکی برای بررسی مکانیسم‌های احتمالی است که ممکن است مسئول این اثر باشند.

مثال شبیه سازی چند فیزیک

به عنوان مثال، اولین LED آبی با کارایی بالا را در نظر بگیرید که جایزه نوبل فیزیک 2014 برای آن اعطا شد .

فاصله باند بزرگ مورد نیاز برای انتشار فوتون آبی با استفاده از مواد مبتنی بر نیترید گالیوم به دست می آید. به طور خاص، یک دستگاه ناهم ساختار دوگانه InGaN/AlGaN مورد استفاده قرار گرفت که در آن یک لایه از مواد InGaN با شکاف باند پایین‌تر توسط AlGaN شکاف باند بزرگ‌تر ساندویچ می‌شود. این دستگاه برای تشکیل یک دیود پین با لایه InGaN ساطع کننده نور در مرکز ناحیه ذاتی دوپ شده است.

مجموعه ای از تصاویر که هندسه و دوپینگ یک دستگاه LED آبی را نشان می دهد.
هندسه و دوپینگ یک دستگاه LED آبی. سمت چپ: نمایش ساختار لایه ای دستگاه. یک ترانشه در لایه n دوپ شده حک می شود تا امکان قرار دادن یک تماس n را فراهم کند و یک تماس p روی سطح رسوب کند. بالا سمت راست: هندسه مدل یک مقطع 1 بعدی از بخش ناهم ساختار دوگانه فعال دستگاه است. پایین سمت راست: غلظت ناخالص مشخص شده در سراسر دستگاه نشان می دهد که لایه InGaN ساطع کننده نور در ناحیه ذاتی ساختار دیود پین قرار دارد.

طراحی ناهمسان دوتایی به به حداکثر رساندن کارایی دستگاه LED کمک می کند. لایه InGaN شکاف باند پایینی یک چاه پتانسیل تشکیل می دهد که الکترون ها را در نوار رسانایی و حفره هایی در نوار ظرفیت جذب می کند. در حالت تعادل، زمانی که هیچ ولتاژی اعمال نمی شود، پتانسیل تعبیه شده در سراسر محل اتصال پین باعث ایجاد یک مانع پتانسیل می شود که از جریان جریان جلوگیری می کند. استفاده از بایاس رو به جلو، ارتفاع مانع را کاهش می دهد و به حامل ها اجازه می دهد تا چاه پتانسیل را در لایه InGaN اشغال کنند.

این را می توان با ترسیم نمودار انرژی برای دستگاه در دو ولتاژ اعمالی مختلف، مانند شکل زیر مشاهده کرد:

نمودارهای سطح انرژی برای LED ناهم ساختار دوگانه. سمت چپ: سوگیری صفر. راست: تعصب رو به جلو. لایه InGaN که 0.15 ≤ x ≤ 0.155 میکرومتر را پوشش می دهد، یک چاه پتانسیل در هر دو نوار هدایت و ظرفیت ایجاد می کند. مانع بالقوه بین دو طرف نوع n و نوع p دستگاه با اعمال بایاس رو به جلو کاهش می یابد. نوارهای رسانایی و ظرفیت به ترتیب semi.Ec و semi.Ev و ترازهای شبه فرمی الکترون و سوراخ با semi.Efn و semi.Efp برچسب‌گذاری می‌شوند.

همراه با کاهش مانع بالقوه در سراسر دستگاه، اعمال یک سوگیری رو به جلو نیز بر سطوح شبه فرمی تأثیر می گذارد. این پیامدهای مهمی برای تراکم حامل در سراسر دستگاه دارد. در بایاس صفر، سطوح شبه فرمی از لبه‌های باند دور هستند و در نتیجه جمعیت حامل کم در چاه پتانسیل InGaN ایجاد می‌شود. هنگامی که یک بایاس رو به جلو اعمال می شود، سطوح شبه فرمی روی نوارهای هدایت و ظرفیت در چاه پتانسیل همپوشانی دارند و منجر به غلظت بالایی از الکترون ها و حفره ها در لایه InGaN می شود. این اثرات را می توان در دو نمودار بعدی که غلظت حامل را نشان می دهد، مشاهده کرد.

به منظور ترکیب مجدد، الکترون و حفره هر دو باید در یک مختصات x باشند ، بنابراین چاه پتانسیل انتشار را در لایه InGaN محلی می کند. از آنجایی که طول موج مورد نظر تنها توسط ماده InGaN ساطع می‌شود و محلی‌سازی انتشار، نسبت نوترکیبی را که در لایه InGaN رخ می‌دهد افزایش می‌دهد، کارایی LED افزایش می‌یابد.

نموداری که غلظت حامل را برای دستگاه با بایاس صفر نشان می دهد.

غلظت حامل در سراسر دستگاه سمت چپ: سوگیری صفر. راست: تعصب رو به جلو. در هر دو مورد فوق، پتانسیل InGaN به خوبی الکترون ها و حفره ها را می گیرد. با این حال، چگالی حامل در چاه پتانسیل با استفاده از یک بایاس رو به جلو به شدت افزایش می یابد.

طیف انتشار از مواد InGaN را می توان از دینامیک حامل در این منطقه با استفاده از یک تقریب باند سهمی و یک مدل انتقال مستقیم باند محاسبه کرد. اوج طول موج در طیف انتشار به ترکیب آلیاژ Inx Ga (1-x) N بستگی دارد _، زیرا _انرژی گپ باند ماده را کنترل می‌کند. در مورد ما در اینجا، فاصله باند مواد InGaN برای اطمینان از انتشار بین 430 و 450 نانومتر تنظیم شده است که در محدوده آبی طیف مرئی قرار می گیرد. در زیر می‌توانید طیف حاصل را مشاهده کنید، زمانی که دستگاه با جریان رانندگی 10 میلی آمپر کار می‌کند محاسبه می‌شود.

توجه داشته باشید که عدم وجود ناخالصی‌های مادی و سایر اثرات گسترش‌دهنده منجر به قطع ناگهانی انتشار در طول موجی می‌شود که مربوط به انرژی باند گپ است.

نموداری که طیف الکترولومینسانس محاسبه شده را برجسته می کند.
طیف الکترولومینسانس را از مرکز لایه InGaN محاسبه کرد.

بهینه سازی راندمان خروجی نور LED

ما می‌توانیم با ترسیم نرخ کل انتشار فوتون از لایه InGaN به عنوان تابعی از جریان محرک، اثرات افتادگی LED را تجسم کنیم. در ابتدا، نرخ انتشار کل تقریباً به صورت خطی با جریان افزایش می یابد. با این حال، پس از چند ده میلی آمپر، منحنی می شود تا از نرخ رشد بسیار زیر خطی پیروی کند.

افزایش زیر خطی در نرخ انتشار کل به عنوان تابعی از جریان حرکتی مشخصه افت LED است.

ما کارایی LED را با در نظر گرفتن نسبت کل میزان انتشار فوتون، ادغام شده روی لایه InGaN، به نرخ تزریق حامل ارزیابی می کنیم. این به ما اجازه می دهد تا بازده کوانتومی داخلی را محاسبه کنیم ، که احتمال این را می دهد که یک حامل تزریق شده به صورت تابشی در ناحیه InGaN ساطع کننده نور دوباره ترکیب شود. از آنجایی که سطح مقطع جانبی دستگاه ناهم ساختار دوگانه می تواند متفاوت باشد، مفید است که بازده کوانتومی داخلی را تابعی از چگالی جریان در نظر بگیریم، همانطور که در نمودار بالا نشان داده شده است.

اوج واضحی در بازده در چگالی جریان در حدود 30 Acm ^-2 وجود دارد که با در نظر گرفتن دینامیک حامل قابل توضیح است. در جریان های رانندگی بسیار کم، سطوح شبه فرمی با لبه های نوار همپوشانی ندارند و چاه پتانسیل ترجیحاً با حامل ها اشغال نمی شود. در مقابل، در چگالی جریان بالاتر از ~ 100 Acm ^-2 ، چگالی حامل در چاه پتانسیل بسیار زیاد است و سایر فعل و انفعالات حامل-حامل می تواند کسری را که به صورت تابشی مجدداً ترکیب می شود کاهش دهد.

علاوه بر فعل و انفعالات حامل- حامل که نسبت حامل های محدودی را که به صورت تشعشعی دوباره ترکیب می شوند، کاهش می دهد، ممکن است که نرخ های تزریق حامل بزرگتر مرتبط با افزایش تراکم جریان، نسبت حامل های محدود شده در پتانسیل InGaN را قبل از ترکیب مجدد کاهش دهد. علاوه بر این، گرمایش ژول با افزایش جریان می‌تواند کارایی را کاهش دهد، زیرا انرژی الکترونی که برای گرم کردن دستگاه وارد می‌شود نمی‌تواند برای تولید نور استفاده شود. با این حال، اثرات کاهش احتمال محصور شدن حامل و گرمایش در این شبیه‌سازی گنجانده نشده است.

اگرچه مکانیسم های دقیق درگیر در افتادگی LED به طور کامل شناخته نشده است، شبیه سازی چندفیزیکی ما بر روی اثرات مکانیسم های فروپاشی غیر تشعشعی متمرکز شده است. این مکانیسم ها می توانند با کاهش نسبت رویدادهای نوترکیبی که فوتون ها را ساطع می کنند، کارایی را کاهش دهند. اثرات متقابل حامل-حامل با استفاده از مدل نوترکیبی اوگر و اثرات پراکندگی ناخالصی با استفاده از مدل نوترکیبی با کمک تله گنجانده شده است. تصویر زیر این دو ویژگی غیر تشعشعی موجود در درخت Model Builder را در کنار ویژگی Transitions نوری نشان می‌دهد که نرخ انتشار تشعشع را با استفاده از یک مدل انتقال مستقیم باند گپ محاسبه می‌کند.

مکانیسم های نوترکیبی در درخت COMSOL Model Builder.
تصویری از درخت COMSOL Model Builder که مکانیسم‌های نوترکیبی گنجانده شده را برجسته می‌کند.

نوترکیبی اوگر – که نیاز به فعل و انفعالات حامل – حامل در هر باند دارد – بیشترین تأثیر را بر بازده انتشار دارد. سرعت نوترکیبی اوگر متناسب با مکعب چگالی حامل است، در حالی که نرخ نوترکیب تابشی مستقیم با مجذور چگالی حامل متناسب است. این بدان معناست که با افزایش چگالی حامل، نرخ نسبی نوترکیبی اوگر افزایش می‌یابد و کسر حامل‌هایی را که با گسیل فوتون ترکیب می‌شوند، کاهش می‌یابد. بنابراین، راندمان کاهش می یابد.

منحنی جریان-ولتاژ دستگاه، کارایی LED را برجسته می کند.
منحنی جریان ولتاژ برای دستگاه. خط آبی داده های به دست آمده از یک مطالعه مبتنی بر ولتاژ را نشان می دهد که در آن شرایط مرزی ولتاژ بر روی کنتاکت ها اعمال شده و جریان حاصل محاسبه شده است. نشانگرهای سبز داده‌های به‌دست‌آمده از یک مطالعه مبتنی بر جریان را نشان می‌دهند که در آن جریان در تماس p ثابت شده و ولتاژ حاصل محاسبه شده است. دایره زرد نشان دهنده محدوده فعلی است که با اوج در بازده کوانتومی داخلی مطابقت دارد.

این دستگاه با ابعاد جانبی 200 در 200 میکرومتر مدل سازی شده است. اوج بازده کوانتومی داخلی مربوط به 10-30 میلی آمپر جریان رانندگی است که برای LED های با این اندازه معمول است. در نظر گرفتن منحنی جریان-ولتاژ برای دستگاه، که در شکل بالا نشان داده شده است، به ما اجازه می دهد تا عواقب افتادگی LED را به وضوح مشاهده کنیم. دستگاه رفتار دیود معمولی را با ولتاژ روشن حدود 3.3 ولت نشان می دهد. خط آبی و نشانگرهای سبز نتایج محاسبه شده از شبیه سازی ولتاژ و جریان را نشان می دهند. دایره زرد نشان دهنده محدوده جریان هایی است که LED می تواند به طور موثر در آن کار کند.

به دلیل افتادگی LED، LED محدود به کارکردن در جریان های اطراف ولتاژ روشن شدن دیود است. این بدان معناست که برای افزایش سرعت کل انتشار فوتون بدون کاهش کارایی، باید مساحت دستگاه را افزایش دهیم. از بین بردن یا کاهش افتادگی LED باعث می شود که روشنایی LED صرفاً با هدایت آن با جریان بزرگتر، بدون کاهش کارایی، افزایش یابد. از آنجایی که مواد نیمه هادی کمتری برای خروجی نور مورد نیاز است، این امر هزینه و اثرات زیست محیطی محصولات روشنایی LED را کاهش می دهد.

نتیجه گیری و مطالعه بیشتر

با استفاده از قدرت شبیه‌سازی چندفیزیکی، ویژگی‌های انتشار و محدوده عملیاتی ایده‌آل یک دستگاه LED را بررسی کرده‌ایم. ما اهمیت مکانیسم‌های نوترکیبی غیر تشعشعی و نحوه کمک آنها به افتادگی LED را در نتایج مدل خود دیدیم. در ترکیب با نتایج تجربی برای تأیید اینکه کدام فرآیندها باید گنجانده شوند و اهمیت نسبی هر مکانیزم کاهش کارایی ممکن، شبیه‌سازی می‌تواند ابزار مهمی در افزایش فعالیت‌های توسعه محصول باشد.