10.4.Растекание тока при замыкании на землю
Электрическим замыканием на землюназывается случайное электрическое
соединение находящихся под напряжением
частей электроустановки непосредственно
с землей или с металлическими нетоковедущими
частями, не изолированными от земли.
Замыкание на землю может произойти
вследствие появления контакта между
токоведущими частями и заземленными
корпусом или конструктивными частями
оборудования, при падении на землю
оборванного провода, при пробое изоляции
оборудования высокого напряжения и
т. п. Во всех этих случаях ток от частей,
находящихся под напряжением, проходит
в землю через электрод, который
осуществляет контакт с грунтом.
Специальный металлический электрод
принято называтьзаземлителем.Размеры электрода могут быть различными
(от нескольких сантиметров до десятков
и сотен метров), форма может быть очень
сложной, и закон распределения потенциалов
в электрическом поле электрода
определяется сложной зависимостью.
Состав, а значит, и электрические свойства
грунта неоднородны, особенно, если
учесть слоистое строение грунта.
С целью упростить картину электрического поля и его анализ сделаем допущение, что ток стекает в землю через одиночный заземлитель полусферической формы, погруженный в однородный и изотропный грунт с удельным сопротивлением р, во много раз превышающим удельное сопротивление материала заземлителя (рис. 26). Плотность тока в точке А на поверхности грунта па расстояниихот заземлителя определяется как отношение тока замыкания на землю к площади поверхности полушария радиусом х:
Эта поверхность является эквипотенциальной поверхностью.Для определения потенциала точкиА,лежащей на поверхности с радиусом х,выделим элементарный слой толщинойdx.Падение напряжения в этом слоеdU = Edx.Потенциал точки А (или напряжение этой точки относительно земли) равен суммарному падению W
Рис. 26. Растекание тока в грунте через полусферический заземлитель (потенциалы точек грунта в поле растекания изменяются по гиперболическому закону)
напряжения от точки А до земли, то есть бесконечно удаленной точки с нулевым потенциалом:
Напряженностьэлектрического поля в точке А определяется из закона Ома, выраженного в дифференциальной форме:
Подставив это значение, получим
где
то
естьA=UA=k/x.
Это выражение является уравнением гиперболы, а это значит, что потенциалы точек грунта в поле растекания изменяются по гиперболическому закону (рис. 26),уменьшаясь от своего максимального значения у электрода до нуля по мере удаления от электрода (заземлителя). Такое распределение потенциалов объясняется формой проводника-грунта, поперечное сечение которого возрастает пропорционально квадрату расстояния от центра заземлителя
В объеме земли, где проходит ток, возникает
так называемое поле растекания тока.Теоретически оно простирается
до бесконечности. Однако в действительных
условиях уже на расстоянии
20м от заземлителя речение слоя
земли, через который проходит ток,
оказывается столь большим, что плотность
тока здесь практически равна нулю, то
есть поле растекания тока можно считать
ограниченным объемом сферы радиусом
примерно 20м. В цепи замыкания на землю
наибольшим потенциалом обладает
заземлитель. Точки, лежащие на поверхности
грунта, имеют тем меньший потенциал,
чем дальше они находятся от заземлителя.
Область поверхности грунта, потенциал которой равен нулю, называется электротехнической землей(практически она начинается с расстояниях == 10 … 20м от заземлителя). Область грунта, лежащая вблизи заземлителя, где потенциалы не равны нулю, называется полем растекания тока. Сопротивление заземлителя растеканию тока (сопротивление растеканию) может быть определено как суммарное сопротивление грунта от заземлителя до любой точки с нулевым потенциалом (земли). Таким образом, сопротивление току замыкания на землю оказывает грунт, находящийся в поле растекания. За пределами поля растекания грунт представляет собой проводник с бесконечно большим поперечным сечением и не оказывает сопротивления.
Человек, находящийся в поле растекания заземлителя, оказывается под напряжением, если его ноги находятся в точках с разными потенциалами. На рис. 27показано распределение потенциалов в поле растекания одиночного заземлителя. Напряжение шага определяется как разность потенциалов между точками А иБ:
Так как точка А удалена от заземлителя на расстояние х, потенциал ее при полусферическом заземлителе
Точка Ботстоит от заземлителя на х +а, где а —расстояние шага человека, то есть ее потенциал
Тогда
159
Рис.
27. Распределение
потенциалов в поле растекания одиночного
заземлителя:
а, б — напряжения шага и прикосновения: в — растекание тока в грунте с опорной поверхности ног человека, попавшего под напряжение шага; г—то же, под напряжением прикосновения
где 1, —коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой (для полу сферического заземлителя ;для заземлителей другой формы значения 1 приведены в справочных таблицах).
Напряжение шага зависит от сопротивления опорной поверхности ног R н == s/хн, где s — удельное сопротивление поверхностного слоя грунта и хн = 7 см — эквивалентный радиус опорной поверхности ног. Влияние этого сопротивления учитывается коэффициентом
где Rh—сопротивление
тела человека, Ом;Rchполное сопротивление
цепи человека, Ом;Rоб сопротивление
обуви, Ом.
Опасность представляет и напряжение прикосновения —разность потенциалов между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек. В этом случае для человека, который стоит на грунте и касается оказавшегося под напряжением заземленного корпуса, напряжение прикосновения может быть определено из выражения
Так как человек касается корпуса, потенциал руки ресть потенциал корпуса или напряжение относительно земли:
Ноги человека находятся в точке А и потенциал ног равен
На рис. 27,бпоказано
несколько корпусов потребителей
(электродвигателей), присоединенных к
заземлителюRз.
Потенциалы на поверхности грунта при
замыкании на корпус любого потребителя
распределяются по кривой I.Потенциалы всех корпусов одинаковы,
так как корпуса электрически связаны
между собой заземляющим проводом,
падением напряжения в котором можно
пренебречь. Чтобы получить напряжения
прикосновения корпуса, нужно из
напряжения относительно земли вычесть
потенциал точки грунта, на которой стоит
человек.
Для человека, стоящего над
заземлителем, напряжение прикосновения
равно нулю, так как потенциалы рук и ног
одинаковы и равны потенциалу корпусов.
По мере удаления от заземлителя напряжение
прикосновения возрастает и у последнего
(третьего) корпуса оно равно напряжению
относительно земли, так как человек
стоит на земле и потенциал его ног равен
нулю. В общем случае напряжение
прикосновения есть часть напряжения
относительно земли и в поле растекания
заземлителей любой конфигурации:
где 1— коэффициент напряжения прикосновения (принимается по таблице в зависимости от формы заземлителя). Напряжение прикосновения с учетом дополнительных сопротивлений в цепи человека
где
С некоторым приближением выражение для определения Rнможно использовать и для учета сопротивления пола, на котором стоит человек.
Растекание электрического тока с заземлителей
Страница 13 из 27
При замыкании одной из фаз электроустановки на заземленный корпус электрооборудования ток замыкания растекается в земле с элементов заземляющего устройства.
Величину этой напряженности можно определить на основании закона Ома в дифференциальной форме:
(3-4) где j — плотность электрического тока в зоне растекания в земле.
При равномерном распределении тока его плотность убывает по мере удаления от заземлителя:
(3-5)
где х — расстояние от заземлителя.
Падение напряжения на участке грунта можно определить, зная расстояние до заземлителя х:
Рис. 3-2. Напряжения, под которые попадает человек в зоне растекания тока с заземляющего устройства. а — напряжение прикосновения ; б — напряжение шага
При расстояниях от заземлителя, значительно превышающих его размеры (), можно пренебречь вторым
членом в скобках:
(3-6)
где— сопротивление заземлителя.
Следовательно, сопротивление заземлителя прямо пропорционально удельному электрическому сопротивлению грунта и обратно пропорционально геометрическим размерам заземлителя, поэтому небольших значений сопротивления заземлителя можно добиваться увеличением его геометрических размеров либо уменьшением удельного сопротивления грунта. Этот вывод применим к любой форме заземлителя, так как заземлитель любой формы можно привести к расчетному, определяя его эквивалентный диаметр. Для расчета сопротивления основных типов заземлителей, применяющихся при сооружении заземляющих устройств, советские ученые предложили выражения, позволяющие учитывать неоднородность электрической структуры грунта [Л.3-1]. Сопротивление вертикального заземлителя рассчитывается по формуле
Для электроустановок выше 1 000 В с большими токами замыкания на землю допустимый потенциал заземлителя принимается равным 10 000 В.
Помимо напряжения прикосновения человек в зоне растекания электрического тока в земле попадает под шаговое напряжение, обусловленное различными потенциалами земли на площадках под ногами человека (рис.
3-2, б):
(3-11)
На расстояниях от заземлителя х больших, чем длина шага, шаговое напряжение уменьшается пропорционально квадрату расстояния:
Очевидно, что величина шагового напряжения зависит от крутизны кривой распределения напряженности электрического поля в зоне растекания тока. При прочих равных условиях шаговое напряжение всегда меньше по величине, чем напряжение прикосновения, поэтому оценку эффективности заземляющих устройств производят по величине напряжений прикосновения. При этом, учитывая одинаковую зависимость напряжений шага и прикосновения от характера кривой распределения напряженности электрического поля, любые мероприятия по снижению напряжений прикосновения автоматически снижают и шаговые напряжения.
Рассмотрим подробнее зависимость напряжений прикосновения от параметров заземляющих устройств.
Потенциалы земли в зоне растекания тока определяются характером изменения напряженности электрического поля, определяемой в свою очередь конструкцией заземляющих устройств и параметрами электрической структуры земли.
Очевидно, что потенциал земли при прочих равных условиях убывает по мере удаления от заземлителей. При однородном грунте потенциал земли при растекании тока с точечного заземлителя, расположенного на поверхности земли, распределяется по гиперболическому закону и практически снижается до нуля в радиусе 20 м от заземлителя (рис. 3-3,а).
По мере углубления заземлителя зона растекания электрического тока увеличивается, поэтому радиус распространения напряженности электрического поля в земле возрастает и соответственно уменьшается крутизна кривой распределения напряженности (рис. 3-3,б). При групповом заземлителе наименьшие потенциалы наблюдаются в точках земли, наиболее удаленных от элементов заземляющего устройства. Для распространенного заземляющего устройства — заземляющей сетки — наиболее удаленные точки находятся в центре ячеек сетки (рис. 3-3, в). Очевидно, что для уменьшения напряжений прикосновения необходимо стремиться к максимальному выравниванию потенциалов в зоне заземляющего устройства и на подходах к нему, уменьшая тем самым разность потенциалов φκ—φ3.
Рис. 3-3. Распределение потенциалов в зоне растекания тока с различных заземлителей.
а — точечный заземлитель; б — вертикальный заземлитель; в — заземляющая сетка.
Одним из методов такого выравнивания является увеличение частоты ячеек заземляющей сетки и увеличение длины вертикальных электродов. Другими словами, для уменьшения напряжений прикосновения в однородном грунте необходимо добиваться такой конструкции заземляющего устройства, при которой
где t — глубина заложения горизонтальных заземлителей, м; b — линейный размер (ширина) ячейки заземляющей сетки, м; S — площадь заземляющего устройства, м2; lв — длина вертикальных заземлителей, м; т — число ячеек в заземляющей сетке.
Неоднородность грунта вносит существенные изменения в картину распределения напряженности электрического поля в земле. В этом случае плотность электрического тока и напряженность поля распределяются пропорционально проводимости различных слоев грунта. Так, при большем удельном электрическом сопротивлении поверхностного слоя (что может объясняться его высыханием летом и промерзанием зимой) основная часть линий электрического тока рассеивается в глубь почвы, и на поверхности земли возникают менее опасные потенциалы.
Этот принцип снижения напряжений прикосновения и шага используется на подстанциях высокого напряжения, на которых устраиваются гравийные и щебеночные покрытия толщиной 0,2 м с удельным сопротивлением ρ≈(6-8)· 103 Ом-м. Обратная картина может возникнуть при уменьшении удельного сопротивления поверхностного слоя земли (так называемого слоя сезонных изменений). Поэтому при расчете напряжений прикосновения необходимо учитывать неоднородность электрической структуры земли с учетом ее сезонных изменений.
Для количественной оценки величины напряжений прикосновения вводят специальный коэффициент прикосновения, показывающий во сколько раз напряжение прикосновения меньше напряжения на корпусе относительно земли:
(3-12)
Иногда напряжение прикосновения заметно уменьшается за счет падения напряжения на переходном сопротивлении ног человека, которое принимается равным 1,5 ρ5. Это уменьшение учитывается в расчете введением коэффициента β:
где αпр — наибольшее значение коэффициента прикосновения, рассчитываемое по известным геометрическим
размерам заземляющего устройства и параметрам электрической структуры грунта,
d — эквивалентный диаметр горизонтальных элементов (для полосы шириной с диаметр принимается равным 0,5 с), м; t — глубина заложения сетки, м; b — ширина ячейки заземляющей сетки, м; рэ.
и — эквивалентное удельное сопротивление земли для расчета наибольшего напряжения прикосновения заземляющей сетки (приложение 2).
Для расчета заземляющих устройств в электроустановках напряжением выше 1 000 В с большими токами замыкания на землю приняты следующие допустимые напряжения прикосновения:
- Назад
- Вперёд
Распределение тока в светодиодах на основе GaN
Цитировать эту статью
Li Qiang, Li Yufeng, Zhang Minyan, Ding Wen, Yun Feng. Растекание тока в светодиодах на основе GaN. Китайская физика B , 2016, 25(11): 117102
Разрешения
Распределение тока в светодиодах на основе GaN
Ли Цян 1, 2 , Ли Юфэн 1, 2 , Чжан Миньян 2 , Дин Вэнь 1, 2 , Yun Feng 1, 2, †,
1Ключевая лаборатория физической электроники и устройств Министерства образования и Ключевая лаборатория фотоники и информационных технологий провинции Шэньси, Сианьский университет Цзяотун, Сиань 710049, Китай
2Исследовательский центр твердотельной светотехники Сианьского университета Цзяотун, Сиань 710049, Китай
† Автор, ответственный за переписку.
Электронная почта: [email protected]
Проект поддержан Национальной программой исследований и разработок в области высоких технологий Китая (грант № 2014AA032608), Национальным фондом естественных наук Китая (грант № 61404101) и Китайский фонд докторантуры (грант № 2014M562415).
Abstract
Abstract Мы исследовали факторы, влияющие на длину растекания тока (CSL) в светоизлучающих диодах (LED) на основе GaN, путем получения теоретических выражений и выполнения моделирования с помощью APSYS. Для светодиодов с меза-структурой впервые учитывается влияние как оксида индия-олова (ITO), так и n-GaN, и вводится новый коэффициент добротности для объяснения влияния различных путей протекания тока на CSL. Расчеты и моделирование показывают, что CSL можно увеличить, увеличив толщину слоя ITO и удельное сопротивление слоя n-GaN или уменьшив удельное сопротивление слоя ITO и толщину слоя n-GaN. Результаты обеспечивают теоретическую поддержку для четкого и непосредственного расчета CSL.
Для светодиодов с вертикальной структурой было проанализировано влияние удельного сопротивления и толщины CSL на внутреннюю квантовую эффективность (IQE). Получено теоретическое выражение, связывающее плотность тока и параметры (удельное сопротивление и толщина) CSL, после чего результаты проверяются моделированием. Обсуждается IQE при различных условиях подачи тока. Влияние удельного сопротивления CSL играет ключевую роль при сильноточной инжекции, и оптимальная толщина для наибольшего IQE существует только при слаботочной инжекции.
ПАК: 71.15.–м;73.61.Ey;71.55.Eq
Ключевые слова: длина растекания тока, светодиоды, оксид индия и олова, квантовая эффективность.
Показать цифры
1. Введение
Распространение тока является важной проблемой для многих материалов для светоизлучающих диодов (LED), [1–4] , особенно для материалов с низкой проводимостью. [5] Для светодиодов с меза-структурой распространение тока в верхнем p-слое очень слабое из-за высокого удельного сопротивления верхнего слоя p-типа оболочки.
Этой проблемы удалось избежать благодаря токораспределяющему слою, который распределяет ток под верхним электродом в области, не покрытые непрозрачным верхним электродом. Обычно оксид индия-олова (ITO) используется в качестве токопроводящего слоя p-типа над слоем p-GaN. [6,7] Многие исследования анализировали влияние ITO на распространение тока. [8–15] Существуют также некоторые исследования влияния удельного сопротивления и толщины n-GaN на длину растекания тока (CSL). [16,17] В этой работе учитываются эффекты как ITO, так и n-GaN, и вводится новый фактор Q для объяснения влияния различных путей протекания тока на CSL.
Светодиоды с вертикальной структурой, по сравнению со светодиодами с меза-структурой, имеют меньшее последовательное сопротивление и лучшее рассеивание тепла, что позволяет достичь более высокой плотности тока. [18] Желательно поддерживать высокую внутреннюю квантовую эффективность (IQE) даже при высоком уровне плотности тока, поскольку высокий IQE является ключевым фактором для продвижения светодиодных приложений и энергосбережения.
Однако эффект скопления тока начинает более значительно препятствовать улучшению IQE при подаче сильного тока, помимо других факторов падения. [19] Для решения этой проблемы в эпиструктурах светодиодов с верхним излучением преимущественно используются слои, распределяющие ток. На сегодняшний день в литературе имеется много таких экспериментальных или основанных на моделировании исследований. [20–26] УСР с низким удельным сопротивлением превосходят высокоомные, а способность к растеканию тока у толстых УСР лучше, чем у тонких. Более того, существует оптимальная толщина ОКС, соответствующая пику ВКЭ при низкой плотности тока. [27,28] Однако поведение фундаментальных параметров УСС в зависимости от плотности тока, а также их влияние на ВКЭ в режиме высокой плотности тока до сих пор недостаточно изучены и дифференцированы в литературе. Это требует прямого исследования теоретической связи между, например, удельным сопротивлением/толщиной CSL и IQE чипа.
В этой работе мы исследовали влияние CSL на IQE светодиодов на основе GaN с вертикальной структурой путем изменения основных физических свойств, таких как удельное сопротивление и толщина слоя CSL.
2. Расчет для различных конструкций
2.1. Светодиод с мезаструктурой
Путь растекания тока и эквивалентная схема обычного светодиода с мезаструктурой показаны на рис. 1. Сопротивление области растекания тока в поперечном направлении на единицу длины полоски d y определяется выражением R = ρL S / t d y . Ток, протекающий вертикально через переход в области растекания тока, приблизительно равен I = J 0 L S d y .
Используя закон Ома, получаем
Solving this equation for L S [29]
| |
Fig. 1. (a) Schematic cross- разрез мезаструктуры B; (б) схематическая диаграмма распространения тока в слое ITO; (c) эквивалентная схема, состоящая из сопротивления слоя ITO, сопротивления слоя n-GaN и идеальных диодов, представляет p-n-переход. |
Показанные на рис. 1(a), пути A и B обозначают экстремальные пути тока от p- к n-pad. Если рассматривается только путь A (т. е. влияние уровня ITO), CSL можно выразить как
Таким же образом, если рассматривать только путь B (т.е. влияние слоя n-GaN), CSL можно выразить как
На самом деле пути A и B присутствуют в обоих, и, учитывая влияние обоих, CSL может быть интегрирован как
При разных условиях пропорции путей А и В не равны; таким образом, мы вводим коэффициент Q , определяемый как: , т. е. Q = C B / C A . Из уравнения (5), мы знаем, что чем ниже коэффициент Q , тем лучше эффект распространения ITO.
2.2. Светодиод с вертикальной структурой
На рис. 2 показан светодиод с вертикальной структурой из n-металла в форме полосы. Вт , т и d — ширина металла в форме полосы, толщина CSL и общая толщина множественных квантовых ям (MQW) соответственно. Уровень вводимой плотности тока можно охарактеризовать CSL, как определено в уравнении. (2). Когда длина распространения тока ( L S ) более чем в 10 раз превышает ширину электрода, уровень плотности тока считается низким. Однако когда L S находится в пределах ширины электрода, уровень инжектируемой плотности тока считается высоким. ВКЭ внутри активной области МКЯ анализируется с помощью хорошо адаптированной модели ABC, в которой плотность тока и концентрация инжектированных носителей связаны соотношением
Для расчета ВКЭ при различных удельных сопротивлениях и толщинах ОКС из рис. 2(б) плотность полного тока Дж можно выразить как
где Дж 0 и Дж х — плотность тока под контактом и в области растекания соответственно.
J x и J 0 взаимосвязаны, поэтому выражение можно переопределить как
Здесь k — коэффициент корреляции.
| |
| Рис. 2. (A) Schematic Shematic Shemate Shemate Shemateed Cipeed с Aerticeed Cipeed. (б) Схематическое изображение распространения тока в конструкции с линейным полосковым контактом. |
Текущая длина разбрасывания ( L S ) пропорциональна мощности t и обратно пропорциональна удельному сопротивлению ρ . Таким образом, k можно определить как
Мы определяем C 0 = L S1 / W , где L S1 — длина распространения тока при 300 K в условиях J.
. — это длина распространения тока в 300 K в условиях J 2 2 2 . 100 мА/мм 2 , ρ 0 = 1 × 10 −4 Ом·см, t 0 = 5 мкм и W = 2 мкм. Из приведенного выше выражения для J получается как
3. Моделирование и обсуждение
3.1. Результаты моделирования для светодиода
с мезаструктурой Модель моделируемой структуры представлена на рис. 1. Слоистые структуры светодиодов выращены на сапфировой подложке. Активные слои МКЯ состоят из пяти квантовых ям (КЯ) In 0,11 Ga 0,89 N толщиной 2,5 нм, разделенных барьерами из GaN толщиной 15 нм. Под каждым слоем MQW находится слой GaN n-типа, который действует как слой растекания тока n-типа. Al 9 p-типа толщиной 20 нм0081 0,1 Ga 0,9 Над каждым слоем МКЯ выращен слой N, блокирующий электроны (EBL), и слой GaN p-типа толщиной 200 нм.
Концентрация электронов в слое n-GaN и концентрация дырок в слое p-типа задаются как 5 × 10 24 м −3 и 5 × 10 23 м −3 соответственно. ITO находится над слоем p-типа, который действует как слой распределения тока p-типа. Толщина ITO составляет 200 нм. В модели ширина светодиодного чипа составляет 300 мкм, а ширина p- и n-электрода — 35 мкм.
Проведено моделирование влияния n-GaN на растекание тока, результаты которого представлены на рис. 4(г)–4(е). Изменились только удельное сопротивление и толщина n-GaN. Из рис. 3(b) и 4(d), CSL становится короче из-за удвоения толщины n-GaN. Однако удвоение удельного сопротивления n-GaN увеличивает ОКР, как видно из сравнения рис. 3(б) и 4(д). CSL также такой же, как на рис. 3 (b), за счет удвоения толщины и удельного сопротивления n-GaN, и результат показан на рис. 4 (f). Кажется, что приведенные выше выводы не все соответствуют теоретическому объяснению в уравнении. (5) , поэтому вводится добротность.
Во-первых, исследуется влияние ITO на распространение тока. На рис. 3 показано двумерное распределение плотности тока при инжектируемом токе 300 мА. На рис. 3(а) показан случай светодиодного чипа без слоя ITO. Ток собирается под электродом, и длина распространения тока очень короткая. На рис. 3(б) показан случай светодиодного чипа со слоем ITO (удельное сопротивление ρ = 3,5 × 10 −6 Ом·м, толщина t = 200 нм). Здесь эффект распространения тока очень силен. Сравнивая рис. 3(a) и 3(b), было доказано, что слой ITO усиливает эффект распространения тока.
| |
| Рис. 3. Двухмерная распределение (а). |
|
(б) Удельное сопротивление слоя ITO только в два раза ( ρ ито = 7,0 × 10 -6 Ом·м, т ито = 200 нм). (c) Удвойте толщину и удельное сопротивление слоя ITO ( ρ ито = 7,0 × 10 -6 Ом·м, t ито = 400 нм). (г) Только удвоенная толщина слоя n-GaN ( ρ = 90,09 × 10 −4 Ом·м, t = 5 мкм). (e) Только удвоить удельное сопротивление слоя n-GaN ( ρ = 18,18 × 10 −4 Ом·м, t = 2,5 мкм). (f) Удвойте толщину и удельное сопротивление слоя n-GaN ( ρ = 18,18 × 10 −4 Ом·м, t = 5 мкм). Для проверки влияния удельного сопротивления и толщины слоя ITO на CSL рассмотрим рис. 4(а)–4(в). Из рис. 3(b) и 4(a), CSL становится длиннее, когда толщина удваивается (при фиксированном удельном сопротивлении). Увеличивая толщину ITO, можно усилить эффект распространения тока. CSL становится короче за счет удвоения удельного сопротивления (для фиксированной толщины), и результаты показаны на рис.
3(б) и 4(б). Эффект растекания тока можно уменьшить, увеличив удельное сопротивление слоя ITO. Когда удельное сопротивление и толщина слоя ITO удваиваются, результат (рис. 4 (с)) такой же, как на рис. 3 (б). Следовательно, соотношение в уравнении (5) надежный.
Ниже приводится подробное объяснение с учетом коэффициента Q . Увеличение удельного сопротивления ( ρ n ) приводит к увеличению эквивалентного сопротивления (путь B на рис. 1(а)). Общий ток B уменьшается, а затем увеличивается остаточный ток A. Когда ток инжекции фиксирован, коэффициент Q ( Q = C B ↓/ C A ↑) уменьшается. Несмотря на увеличение ρ n , конечный результат уменьшается. Исходя из текущей длины разбрасывания L S становится длиннее. В другом случае путь B становится более четким за счет увеличения толщины ( t n ) слоя n-GaN, поскольку эквивалентное сопротивление пути B меньше, чем раньше.
Коэффициент Q ( Q = C B ↑/ C A ↓) становится больше, что приводит к увеличению конечного результата. Таким образом, длина растекания тока ( L S ) сократилась за счет увеличения толщины слоя n-GaN.
На основании анализа теоретическое объяснение эффектов слоя n-GaN было улучшено введением коэффициента Q .
3.2. Результаты расчета для светодиода с вертикальной структурой
В нашем расчете использованы параметры рис. 2(а), включая слой n-GaN с высокой проводимостью (5 мкм, легирование 5 × 10 18 см −3 ) который имеет тот же эффект, что и CSL в VLED, нелегированные МКЯ InGaN/GaN (14/3 нм, пятипериодные), Al 0.1 Ga 0.9 ЭПС на основе N (20 нм, легирование 5 × 10 19 см −3 ) и слой p-GaN (150 нм, легирование 5 × 10 19 см −3 ). Размеры прибора приняты 200 × 200 мкм 2 .
Сообщалось, что безызлучательная рекомбинация Оже играет основную роль в падении эффективности светодиодов с МКЯ при высокой плотности тока. [25] Если не учитывать член оже-рекомбинации, т. е. C = 0 в модели ABC, принимая B = 2 × 10 −11 см 3 · с −1 (при 300 K) [30] и подставив уравнение (10) в η IQE = Bn 2 /( J / ed активный ), показан результат (на рис. 5, 31, 312) 9 ). IQE светодиодов с CSL намного выше, чем у светодиодов без CSL при низкой плотности тока (область I), но в случае высокой плотности тока (область III) этот эффект уменьшается. Чтобы проверить влияние толщины ОКС на ВКЭ, мы предположили тот же материал ОСР (с фиксированным удельным сопротивлением) и увеличили его толщину в 10 раз. Было обнаружено, что ВКЭ явно усиливается в области I с увеличением толщины ОКС, т.е. в то время как в области III это не столь очевидно.
Далее, при фиксированной толщине и увеличении удельного сопротивления в 10 раз, ВКЭ резко уменьшается. Таким образом, увеличение толщины и уменьшение удельного сопротивления CSL могут улучшить IQE при низкой плотности тока.
|
Далее рассматривается оже-рекомбинация при 300 К, принимая ). Показано, что с оже-рекомбинацией IQE значительно улучшилась с CSL при низкой плотности тока (область I), но падение эффективности более серьезно при высоких плотностях тока (область III), что означает, что CSL может до определенной степени степени, усугубить эффект падения эффективности. Влияние на IQE за счет увеличения толщины CSL согласуется с рис. 5 (a), где оже-рекомбинация не рассматривалась; однако падение эффективности можно уменьшить, увеличив удельное сопротивление при низкой плотности тока с учетом Оже.
Уравнение (10) показывает более прямую зависимость между IQE и удельным сопротивлением/толщиной, как показано на рис. 6. Из рис. 6(a) видно, что увеличение удельного сопротивления CSL оказывает значительное влияние на улучшение IQE при больших токах. инъекция. Кроме того, существует максимум IQE, соответствующий оптимальной толщине CSL, как показано на рис. 6(b). Этот вывод об оптимальной толщине CSL для IQE хорошо согласуется с опубликованными экспериментальными результатами при низкой плотности тока, [33,34] , но далее указывает на то, что при расширении уровня плотности тока до высокой инжекции эта тенденция не сохраняется, и ВКЭ всегда уменьшается независимо от толщины слоя УСЛ.
| |
Рис. 6. Связь между (A) IQE и RESITION 9005, 9005, , 9005, 9005, 9005, 9005, 9005, . . Дж (0) = 100 А/см 2 определяется как высокая плотность тока, а на порядок меньше этого определяется как низкая плотность тока. Все данные не нормализованы. |
Для дальнейшей проверки влияния УКС на ВКЭ в приборе (имеются дефекты и дислокации в приборе, т.е. с учетом утечки электроники) для моделирования используется программа APSYS. Результаты моделирования показаны на рис. 7.
Из рис. 7(а) при малом токе инжекции IQE очень незначительно снижается с увеличением концентрации легирующей примеси. На вставке показано увеличение шкалы IQE, при этом тенденция противоположна таковой при сильноточной подаче. Удельное сопротивление CSL в основном определяется концентрацией легирования, но также ограничивается качеством эпитаксиального роста. [35] На рис. 7(а), исходя из текущего уровня эпитаксиального роста, при увеличении концентрации легирования n-типа от 10 18 до 10 21 см −3 соответствующее изменение диапазон удельного сопротивления от 2×10 −4 до 1×10 −6 Ом·м.
Из-за пропорциональности удельного сопротивления n-GaN концентрации легирования результаты моделирования не согласуются с результатами теоретических расчетов (рис. 6(а), с учетом только оже-рекомбинации и без учета электронной утечки). Известно, что утечка электронов может быть усилена увеличением концентрации легирования и инжекции тока. [26] ЭПС AlGaN в этой модельной структуре (рис. 2(a)) не может эффективно предотвратить утечку электронов при инжекции сильного тока. Из приведенного выше анализа видно, что оже-рекомбинация не является основной причиной снижения эффективности; скорее, электронная утечка может быть главным виновником подачи сильного тока. Мы должны сосредоточиться на том, как улучшить структуру светодиодов, чтобы предотвратить утечку электронных компонентов. Из рис. 7(b) оптимальная толщина CSL по-прежнему существует только при низкой подаче тока, а IQE увеличивается и незначительно колеблется при высокой плотности тока. Влияние толщины CSL на IQE более очевидно при низком токе, что согласуется с окончательными результатами на рис.
6 (b).
| |
| Рис. 7. . Взаимосвязь между (а). , на основе моделирования APSYS. |
4. Заключение
Мы исследовали факторы влияния CSL в светодиодах с мезаструктурой. Эффект растекания тока можно усилить, увеличив толщину или уменьшив удельное сопротивление слоя ITO. А 9Для изучения влияния слоя n-GaN на растекание тока введен коэффициент 0057 Q , величину которого можно уменьшить, увеличив сопротивление или уменьшив толщину n-GaN, тем самым улучшив КСР. Наконец, теоретические выражения проверяются с помощью программного обеспечения для моделирования APSYS. Результаты этой работы обеспечивают теоретическую поддержку для более четкого и непосредственного расчета CSL светодиодов с различной меза-структурой.
Кроме того, для вертикальных светодиодов на основе GaN получена теоретическая связь между плотностью тока и параметрами (удельным сопротивлением и толщиной) CSL.
ВКЭ обсуждается для различных условий ввода тока, которое увеличивается с уменьшением удельного сопротивления УСР и увеличением толщины УСР только в области малых плотностей тока. При расчете с оже-рекомбинацией и без нее, IQE неуклонно увеличивается, а падение эффективности уменьшается с увеличением удельного сопротивления CSL при подаче сильного тока; таким образом, влияние удельного сопротивления CSL играет ключевую роль. Только при слаботочной инжекции существует оптимальная толщина для максимального ВКЭ, когда доминирующую роль играют эффекты толщины.
Справочник
| 1 | Кудрый Ю.ЗиновчукА В2011 Полуконд. науч. Технол. 26 095007 |
| 2 | LiuH HChenP RLeeG YChyiJ I2011 IEEE Electron Dev. лат. 32 1409 |
| 3 | KimHParkS JHwangh3001 IEEE Trans. Electron Devices 48 1065 |
| 4 | YunJ SHwangS MShimJ I2007 Proc. ШПАЙ 6841 68410L |
| 5 | ChenJ CShenG JHwuF SChenH ISheuJ KLeeT XSunC C2009 Опц. 16 213 |
| 6 | SeoT HLeek JParkA HHongC HSuhE KChaeS JLeeY HCuongT VPhamV HChungJ SKIM JJeonS R2011 Opt. Express 19 23111 |
| 7 | TunC JSheuJ KPongB JLeeM LLeeM YHsiehC KHuC CChiG C2006 IEEE Photonics Technol. лат. 18 274 |
| 8 | СЕОД ЖШИМЖ ЧойС БСЕОТ ХСУХЕ КЛЭЕД С2012 Опц. Express 20 A991 |
| 9 | PerksR MPorchAMorganD V2006 J. Appl. физ. 100 083109 |
| 10 | CaoX AStokesE BSandvikPTaskarNKietchmerJWalkerD2002 Solid State Electron. 46 1235 |
| 11 | KimHChoJLeeJ WYoonSKimHSoneCParkYSeongT Y2007 заявл. физ. лат. 90 063510 |
| 12 | KimHLeeS N2010 J. Electrochem. соц. 157 H562 |
| 13 | WangPWeiWCaoBGanZ YLiuS2010 Опц. Лазерная технология. 42 737 |
| 14 | HuangS JFanB FCchenZ MZhengZ YLuoH TWuZ S2013 J. Display Technol. 9 266 |
| 15 | ЛИЦ КросмеуленМСимоенЭВуЙ R2014 IEEE Trans. Electron Devices 61 511 |
| 16 | LiC KWuY R2012 IEEE Trans. Electron Devies 59 400 |
| 17 | ChandramohanSKoK BYangY HRyuB DKatharriay SKimT YChoB JHongC h3014 J. Appl. физ. 115 054503 |
| 18 | KimS JKimK HKimT G2013 Опц. Экспресс 21 8062 |
| 19 | ШЕНИ КМюллерГ ОватанабеСГарднер ФМунхольмакРамесМ R2007 заявл. физ. лат. 91 141101 |
| 20 | IvelandJMartinelliLPerettiJSpeckJSWeisbuchC2013 Phys. Преподобный Летт. 110 177406 |
| 21 | VampolaK JIzaMKellerSDenbaarsS PNakamuraS2009 Заявл. физ. лат. 94 061116 |
| 22 | РюХ ЫШИНД СшимИ И2012 Заявл. физ. лат. 100 131109 |
| 23 | WuY RShivaramanRWangK CSpeckJ S2012 Заявл. физ. лат. 101 083505 |
| 24 | WangLLuCLuJLiuLLiuNChenYZhangYGuEHuX2011 Опц. Express 19 14182 |
| 25 | HanS HleeD YLees JChoC YKwonM KLees PNohD YKimD JKimY CParkS J2009 Appl. физ. лат. 94 231123 |
| 26 | ЛИНР МЮС ФЧАНГС ДЖИАНГТ H3012 Заявл. физ. лат. 101 081120 |
| 27 | UedaTIshidaMTamuraSFujimotoYYuriMSaitoTUedaD2003 Физ. Стат. Сол. 7 2219 |
| 28 | ZhouLEplerJ EKramesM RGoetzWГерасимоваMRenZHanJKneisslMJohnsonM2006 Appl. физ. лат. 89 241113 |
| 29 | SchubertE F2006Light-Emitting Diodes2nd ednCambridgeCambridge University Press138 |
| 3 30124 | КудрикЮ ЮТкаченко А КЗиновчук А В2012 Полуконд. науч. Технол. 27 055013 |
| 31 | Lium LMinQ YYeZ Q2012Acta Phys. Sin.61178503 (на китайском языке) |
| 32 | WangJ XWangLHaoZ BLuoY2011 Китай. физ. лат. 28 118105 |
| 33 | HuangK HYuJ GKuoC PFletcherR MOSentowskiT DStinsonL JCrafordM GliaoA S h2922 Appl. физ. лат. 61 1045 |
| 34 | EbongAArthurSDowneyECaoX ALeBoeufSMerfeldD W2003 Solid State Electron. 47 1817 |
| 35 | GuoXSchubertE F2001 J. Appl. физ. 90 4191 |
jsr-08-531.DVI
%PDF-1.6 % 265 0 объект > эндообъект 259 0 объект > эндообъект 260 0 объект >поток 04.12.2008 2:36:21 PMPCTeX 5.1 Приложение для дистилляции/pdf
