دیود ساطع کننده‌ نور ساختار نامتجانس دوبل ایندیوم گالیم نیترات/آلومینیوم گالیم نیترات

این مدل یک دیود ساطع کننده نور مبتنی بر گالیم نیترات را شبیه‌سازی می‌کند.این مدل نشان می‌دهد که چگونه می‌توان از روابط نیمه‌هادی برای ارزیابی انتشار نور از هدایت الکتریکی افزاره‌های اپتوالکترونیک با استفاده از ویژگی انتقال نوری استفاده کرد. همچنین می‌توان مثالی از چگونگی مسئله هدایت جریان با ایجاد اولین شرط اولیه مناسب از بررسی هدایت ولتاژ رفع نمود.طیف انتشار،شدت و بازدهی کوانتومی به عنوان تابعی از هدایت جریان به منظور ارزیابی شرایط بهینه عملکرد محاسبه می‌شود.توجه داشته باشید که اثرات محدودیت کوانتومی در ناحیه فعال نازک در مدل گنجانده نشده است.

مقدمه:

دیودهای ساطع کننده نور در صنعت نورپردازی دگرگون کرده‌اند، زیرا آنها معمولاً بسیار کارآمدتر و باداوام تر از فناوری‌های سنتی نور رشته‌ای هستند.به عنوان مثال،معمولاً  لامپ‌های دیود ساطع کننده نور تنها 10-20درصد از انرژی مورد نیاز برای روشن شدن یک لامپ رشته‌ای را با روشنایی همانند آن و طول عمر بیشتر از 25000ساعت درمقایسه باتنها 1000 ساعت عمر مفید لامپ های رشته ای ، مصرف می‌کند.دیودهای ساطع‌کننده نور بسیار کارآمدتر از لامپ‌های رشته‌ای هستند زیرا به روشی بسیار متفاوت عمل می‌کنند. دیودهای ساطع کننده نور افزاره‌های نیمه‌هادی هستند که هنگام انتقال الکترون‌ها در باند هدایت در میان شکاف باند از طریق بازترکیب تابشی با حفره‌ها در باند ظرفیت،نور را منتشر می‌کنند.لامپ‌های رشته‌ای برروی مقاومت گرمایی در برابر یک رشته تکیه می‌کنند، که در هنگام گرم شدن به اندازه کافی نور منتشر می‌کند.این کار انرژی زیادی فقط برای گرم‌کردن رشته بکار میبرد و تنها بخش کوچکی از انرژی خروجی به تولید نور منجر می‌شود.دمای بالای درگیر نیز منجر به طول عمر کمتر می‌شود، زیرا رشته‌های سوخته تقریباً همیشه علت خرابی لامپ‌های رشته‌ای هستند.

برخلاف لامپ‌های رشته‌ای، دیودهای ساطع کننده نور در رنج بسیار باریکی از طول موج نور انتشار می‌کنند.در ابتدا،دیودهای ساطع کننده نور قرمز،سبز و زرد در دهه 1950و1960توسعه یافتند.با این حال، این اختراع دیود ساطع کننده نور آبی بود که منجر به ایجاد منابع جدید نور سفید کارآمد شد.نور آبی ساطع شده از چنین دیودهای ساطع کننده نور می‌تواند جهت تحرک طیف گسترده‌تری از انتشار در یک لایه فسفر در اطراف پوشش دیود ساطع کننده نور استفاده شود یا می‌تواند مستقیماً با دیودهای ساطع کننده نور قرمز و سبز ترکیب شود تا نور سفید ایجاد شود.

دیودهای ساطع کننده نور آبی به دلیل اینکه به ماده‌ای با شکاف باند بزرگتر نیاز دارند تا حدودی به چالش کشیده شده بودند.نخستین دیود ساطع کننده نور آبی با بازدهی بالا در سال 1994ساخته شد و جایزه نوبل فیزیک 2014به ایسامو آکازاکی،هیروشی آمانو و شوجی ناکامورا به دلیل تلاش‌هایشان در جهت دستیابی به این موفقیت اهدا شد.خلاصه‌ای از تاریخچه توسعه دیود ساطع کننده نور را می‌توانید در مرجع 1 بیابید.

اگرچه دیودهای ساطع کننده نور نسبت به فناوری روشنایی قبلی بسیار کارآمدتر هستند، اما هنوز برخی از چالش‌های علمی و مهندسی برای غلبه بر آنها و طراحی بازدهی بالاتر آنها وجود دارد.بطور خاص، بازدهی دیودهای ساطع کننده نور در هدایت جریان بالاتر کاهش پیدا می‌کند.این پدیده به‌عنوان افت دیود ساطع کننده نور شناخته می‌شود و باعث می‌شود که کل نور ساطع شده با افزایش جریان بایاس به طور زیر خطی افزایش یابد و با حفظ بازدهی بالا،شدت قابل دستیابی را محدود می‌کند.در نتیجه، برای افزایش روشنایی کلی،اغلب لازم است تا مساحت افزاره افزایش یابد یا دیود ساطع کننده نور اضافی به جای لامپ اضافه شود نه اینکه فقط جریان بیشتری استفاده شود.این به هزینه لامپ می‌افزاید و هزینه محصولات دیود ساطع کننده نور را افزایش می‌دهد.

در این مدل،ناحیه فعال تابش نور از یک دیود ساطع کننده نور آبی مبتنی بر گالیم نیترات مدلسازی شده است.خواص انتشار به عنوان تابعی از هدایت جریان مورد بررسی قرار گرفته و بازده محاسبه می‌شود.

تعریف مدل:

مواد و هندسه این مدل براساس افزاره‌ای است که توسط ناکامورا و همکارانش در مرجع2 شرح داده شده است.فقط ناحیه فعال پیوند نامتجانس دوتایی که از آن طول موج نور مطلوب ساطع می‌شود،مدل شده است.این ناحیه شامل یک لایه In0.06Ga0.94N با ضخامت 50نانومتر که بین دولایه Al0.15Ga0.85N با ضخامت 0.15میکرومتر ساندویچ شده است.از آنجا که افزاره از نظر جانبی

نامتغیر است می‌توان آن را با استفاده از برش یک خط یک‌بعدی در جهت zمدلسازی کرد،همانطور که در شکل1نشان داده شده است.

شکل1:هندسه و دوپینگ در افزاره دیود ساطع کننده نور-سمت چپ:ساختار از دیود ساطع کننده نور که این مدل برپایه آن قرار دارد،بخشی که مدل شده با یک نوار قرمز مشخص شده است.-بالا سمت راست:هندسه ناحیه ساختار نامتجانس دوتایی در کل افزاره مدل می‌کند.پائین سمت راست:مشخصات دوپینگ در یک دیودPINکه لایه InGaN ناحیه ذاتی آن را تشکیل می‌دهد.

سطح مقطع افزاره با فرض ناحیه فعال دارای ابعاد افقی 200در 200میکرومترکه یک اندازه معمولی از جثه دیود ساطع کننده نور، محاسبه می‌شود.

لایه پایین و بالایی از نوع  AlGaN با دوپینگ نوعNوP ، لایه InGaN بدون دوپینگ که این یک ساختار دیودPIN با لایه InGaN ساطع کننده نور در مرکز ناحیه ذاتی (بدون دوپینگ) ایجاد می‌شود.خواص مواد براساس مادهGaN از کتابخانه مواد ماژول نیمه‌هادی است.با این حال، مقادیر انرژی شکاف باند و الکترون خواهی با تغییر ترکیبات آلیاژ آلومینیوم و ایندیوم بازتابی دارند.توجه داشته باشید که شکاف باند مواد ایندیوم گالیوم نیترات برای مطابقت با طیف وسیعی از انتشار در افزاره از مرجع 2 استفاده شده است.علاوه‌براین برای بهبود این خصوصیات، ضرائب بازترکیب اوژه و طول عمر حامل برای بازترکیب شراکت تله به مواد از مرجع 3 و 4 اضافه شده‌اند. توجه کنید که محدودیت کوانتومی و اثرات بار پولاریزاسیون در این مدل شامل نشده است. به منظور اعمال ولتاژ و بایاس جریان در افزاره،شرایط مرزی اتصال فلزی به مرزهای هندسه اعمال می‌کنیم.علاوه‌بر‌این، یک پیوستگی ثانویه/شرط مرزی پیوند نامتجانس برای فعال کردن ارتباط بین سطح شبه فرمی پیوسته و مدلهای پیوسته پیوند نامتجانس انتشار گرمایونی اضافه شده است.یک ویژگی انتقال نوری برای محاسبه انتشار خودبه‌خودی در افزاره استفاده شده است.مکانیزم‌های بازترکیب غیرتابشی از طریق ویژگی‌های بازترکیب اوژه و بازترکیب شراکت تله که به همه نواحی اضافه می‌شود،شامل می‌شوند.

سه بررسی برای حل مدل هدایت جریان استفاده شده است.بررسی اول،بررسی مقدماتی که از گام بررسی تعادل نیمه‌هادی برای حل تعادل به‌عنوان شرط اولیه بررسی زیر استفاده می‌شود.سیستم معادله عددی برای پیوندهای نامتجانس بسیار غیرخطی و چالش برانگیز است.در اینجا از گام بررسی تعادل نیمه هادی برای دستیابی به همگرایی بهتر استفاده می‌کنیم.

دومین بررسی، بررسی بایاس ولتاژ است،که گام‌های ولتاژ درکل افزاره از 0تا3.3ولت اعمال می‌کنیم.از این بررسی،نمودار سطح انرژی برای افزاره به همراه توزیع غلظت حامل و یک منحنی ولتاژ-جریان ایجاد می‌شود.

بررسی نهایی یک بررسی بایاس جریان است،که گام‌های هدایت جریان در کل افزاره براساس چندین مرتبه مقدار از 1میکروآمپر تا700میلی آمپر اعمال می‌کنیم.این بررسی از یک حل بررسی هدایت جریان به عنوان شرط اولیه به منظور همگرایی استفاده می‌کند.داده‌های این بررسی برای ایجاد اطمینان از تطبیق منحنی ولتاژ-جریان با مورد هدایت ولتاژ اضافه می‌شود.میزان انتشار در کل افزاره،طیف تابشی از مواد ایندیوم گالیم نیترات،یکپارچگی کل میزان انتشار در لایه ایندیوم گالیم نیترات و بازدهی کوانتومی داخلی بعنوان تابعی از بایاس جریان ترسیم می‌شوند.