Könnte jemand helfen, dieses aktuelle Spannungsdiagramm für eine LED in flüssigem Stickstoff zu erklären?

Ich habe meine Kursarbeit gemacht, um LEDs bei verschiedenen Temperaturen zu untersuchen, und bin auf ein interessantes Phänomen gestoßen, das niemand, den ich gefragt habe, gründlich erklären konnte - während die LED bei Raumtemperatur eine standardmäßige exponentielle Antwort gibt, wenn sie eingesetzt wird Flüssigstickstoff (bei -196 C) ist die Grafik ziemlich seltsam. Diese Daten wurden mit einem Konstantstromnetzteil aufgezeichnet und sind eine Kombination aus drei verschiedenen Experimenten - es funktionierte nach jedem Experiment bei Raumtemperatur immer noch einwandfrei.

Ich habe ein paar meiner Lehrer gefragt, und die Antworten, die sie gaben, reichten von „das Gitter könnte sich bei kühleren Temperaturen ändern und zusammenziehen“ bis „die Innentemperatur der LED könnte ansteigen, wenn sie höhere Ströme hat“. Ich habe mich gefragt, ob jemand mehr domänenspezifisches Wissen als meine Lehrer hat und helfen könnte, dies zu erklären :)

Hier ist die Grafik dieser speziellen LED bei Raumtemperatur (in diesem Fall etwa 24 ° C):

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Hier ist die in LN2:

Verwirrende Grafik, die auf und ab geht ...

Wenn es hilft, war die LED cyanfarben und hatte eine Wellenlänge von ungefähr 485 nm in LN2 und 497 nm bei 80 ° C.

Danke vielmals,

Tom

Nur aus Gründen der Bequemlichkeit und Kohärenz könnten Sie Ihr erstes Diagramm so ändern, dass es die gleiche Achsenreihenfolge wie das zweite hat.
Wie messen Sie? Verwenden Sie eine Stromrampe? Wenn ja, wie hoch ist die Rate (mA/s)?
Ich stelle den Strom manuell ein, ich habe es zufällig gemacht (eingestellt auf einen zufälligen Wert und dann den Spannungsabfall und den Strom mit zwei Multimetern aufgezeichnet), um eine Verzerrung aufgrund der Erwärmung des flüssigen Stickstoffs im Laufe des zu vermeiden Experiment.
Diode könnte gesättigt sein
Bist du dir sicher mit der Wellenlänge? 429 nm ist tiefblau.
Ich habe die Daten gerade noch einmal überprüft - ich habe mich in diesen Beitrag vertippt. Es war 485 in LN2 und 497 bei 80 °C.
Dies ist ein Nitpick, aber ein wichtiger: Wenn Sie Daten anderen Personen präsentieren möchten, tun Sie ihnen bitte die Höflichkeit, die Achsenbeschriftungen und Häkchen groß genug zu machen, um sie lesen zu können.

Antworten (2)

Es gibt hier wirklich zwei Fragen (glaube ich):

  • Warum ist der Spannungsabfall für die kalte LED so unterschiedlich (beachten Sie, dass er bei LN-Temperatur von 3,5 bis 4,5 V reicht, aber von 2,0 bis 3,2 bei Raumtemperatur)

  • Warum weist die LN-Kurve die seltsame Krümmung auf?

CuriousOne hat die Antwort bereits angedeutet – das hat mit der Temperatur der LED zu tun. Insbesondere die bei konstantem Strom entwickelte Spannung ist bei niedrigen Temperaturen viel größer.

Im Fall des in LN eingetauchten Geräts ist die Erwärmung anfänglich recht gering, da der Strom klein ist. Somit ändert sich die Sperrschichttemperatur nicht sehr. Aber sobald der Strom ansteigt, steigt auch die Wärmeableitung - und dann erwärmt sich die Sperrschicht und die Durchlassspannung sinkt. Wie CuriousOne vorgeschlagen hat, könnten sehr kurze Stromimpulse unterschiedlicher Stärke einen Teil dieses Effekts beseitigen. Tatsächlich ist bekannt, dass LEDs effizienter sind (ziemlich viel!), wenn sie mit einem gepulsten statt mit konstantem Strom betrieben werden - dies hängt hauptsächlich mit der Sättigung der Absorptionszentren im Gitter (Bleichen), aber auch etwas mit Erwärmungseffekten zusammen.

Was bewirkt also, dass die Überspannung eine Funktion der Temperatur ist? Dies wird in diesem Artikel erläutert , der zeigt, dass sich die Überspannung eines Diodenübergangs in der Nähe der Raumtemperatur um etwa 2,5 mV / °C ändert. Bei LN-Temperaturen (ca. -195 °C) würde man erwarten, dass die Spannung mindestens 0,5 V höher ist als bei Raumtemperatur: Dass es etwas mehr ist, liegt daran, dass es sich nicht um eine "kleine" Temperaturänderung handelt, so der einfache Ausdruck trifft nicht ganz zu.

Die ideale Diodengleichung besagt

ich D = ich S ( e v D / η v T − 1 )

In dieser Gleichung die Thermospannung v T = k T q - die Boltzmann-Konstante multipliziert mit der Temperatur dividiert durch die Ladung des Elektrons.

Da die Boltmann-Konstante und die Ladung konstant sind, folgt daraus, dass die Thermospannung mit der Temperatur und dem Sättigungsstrom skaliert ich S hängt stark von der Temperatur ab (sie ist viel niedriger, wenn die Temperatur niedriger ist, da weniger Elektronen vorhanden sind, die genügend Energie haben, um die Bandlücke zu überqueren).

Es gibt eine bessere Analyse von all dem unter diesem Educypedia-Link, wo sie das Verhalten untersuchen und grafisch darstellen. Insbesondere erklärt es, dass die starke Temperaturabhängigkeit der Durchlassspannung direkt mit dem Sättigungsstrom zusammenhängt, der selbst eine starke Funktion der Bandlücke (ziemlich groß für blaue LEDs) und der Temperatur ist. Das ist der Effekt, von dem ich glaube, dass er hier dominiert.

Die Temperatur der LED steigt. Führen Sie dasselbe Experiment mit kurzen Stromimpulsen durch (1 ms einmal pro Sekunde wiederholt) und Sie werden sehen, dass es sich um einen Temperatureffekt handelt.

Ich stimme zu, aber es ist keine vollständige Antwort: Sie müssen noch erklären, warum das Erhitzen der LED den Spannungsabfall verringern könnte.
Dazu muss man die Strom-Spannungs-Kurve als Funktion der Temperatur messen und wir müssten die tatsächliche Temperatur des Chips messen (anstatt sie zu schätzen). Bisher ist das "Mysterium" für mich lediglich das Ergebnis eines trivialen Messfehlers.
Vielen Dank für diese Antwort, ich schätze sie sehr - und ich schätze auch die von Ihnen bereitgestellte Lösung zum genauen Messen. Ich hatte die Hypothese aufgestellt, dass dies ein Problem sein könnte, aber ich hatte keine Möglichkeit, es zu testen, als ich das Experiment durchführte.
@TomH: Viel Glück!
Ja. Ich erinnere mich, dass ich dieses Experiment in den 80er Jahren mit gelben LEDs durchgeführt habe, die (IIRC) mehr "orange" wurden, als sie die Temperatur änderten. An der Farbänderung (und der wahnsinnigen Helligkeit!) konnte man sehen, dass etwas Interessantes passierte.
Könnte jemand helfen, dieses aktuelle Spannungsdiagramm für eine LED in flüssigem Stickstoff zu erklären?
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