Теплоэлектрические процессы в гетеропереходном светоизлучающем диоде при воздействии на него мощного импульсного СВЧ излучения

Аннотация

Представлена теплоэлектрическая модель теплового поражения гетеропереходного светодиода мощным СВЧ электромагнитным импульсом, с учетом нелинейных температурных зависимостей плотности тепловой мощности и теплофизических характеристик материалов структуры. Приводится рассчитанная по разработанной модели зависимость мощности теплового поражения полупроводниковой структуры от длительности воздействующего импульса для различных типов гетероструктур светоизлучающих диодов.

• тепловое поражение
• thermal damage
• импульс СВЧ излучения
• мощность теплового поражения
• температура

Abstract (in English)

One of the possible causes of failures of heterojunction light-emitting diodes under the influence of powerful microwave electromagnetic radiation are thermal processes that occur in a LED’s heterojunction structure. A mathematical thermoelectric model of thermal damage of a heterojunction LED was developed in order to investigate the dependence of catastrophic failure of heterojunction LEDs with maximum power of microwave radiation pulse P_k on its length τ_k. The mathematical description of the model is the joint solution of time-dependent equations of electric and heat conductivity with temperature-dependent thermo-physical and electrical characteristics of the elements of the device structure and bulk density of thermal power. Three LED heating phases corresponding to sequential regimes of work and different external conditions were considered: the LED structure heat in the operation mode until the temperature reaches a steady value; thermal heating of the structure by means of incoming operating electric power of the device and power of electromagnetic radiation; and then melting of its structure. Calculation studies were carried out for AlGaAs/GaAs and InGaN/GaN structures of high-power LEDs on 6H-SiC and Si substrates. Resulting graph calculated from the represented model contains a part of adiabatic heating with heating pulses lengths much less than characteristic time of heat diffusion in the semiconductor structure of the LED and a part of gradual output to the quasistatic heating mode with a minimum striking power. The obtained results were compared with results calculated using the generic Wunsch-Bell model.

Для цитирования

Литература

1. Алексеев В.Ф., Журавлев В.И. Тепловые модели отказов полупроводниковых структур при воздействии мощных электромагнитных импульсов // Доклады БГУИР. 2005. №2. Стр. 65-72.
2. Wunsh D.C., Bell R.R. Determination of threshold failure levels of semiconductor diodes and transistors due to pulse voltage // IEEE Transaction on Nuclear Science. 1968. V. NS-15. N 6. P. 244-259.
3. Dwyer V.M., Franklin A.J., Campbell D.S. Thermal failure in semiconductor devices//Solid-State Electronics. 1990. V.33. N5. P. 553-560.
4. Добыкин В.Д. Развитие теории теплового поражения полупроводниковых структур мощным электромагнитным излучением // Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53. №1. Стр. 108-111.
5. Кравченко В.И., Серков А.А., Бреславец В.С. и др. Моделирование физических механизмов возникновения необратимых отказов полупроводниковых приборов в условиях электромагнитного воздействия // Вестник НТУ «ХПИ». 2015. №51. Стр. 56- 59.
6. Hiroyuki Shibata, Yoshio Waseda, Hiromichi Ohta at.al. High thermal conductivity of gallium nitride (GaN) crystals grows by HVPE process // Materials Transactions. 2007. V.48. N10. P. 2782-2786.
7. NSM Archive Physical Properties of Semiconductors. // URL: http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/.
8. Сергеев В. А., Ходаков А. М. Теплоэлектрические модели мощных биполярных полупроводниковых приборов. Часть II. Нелинейная теплоэлектрическая модель мощных светоизлучающих диодов. // Радиотехника и электроника. 2015. Т. 60. №12. Стр. 1254-1258.
9. Сергеев В.А., Ходаков А.М. Нелинейные тепловые модели полупроводниковых приборов. Ульяновск: УлГТУ, 2012.
10. Bin Du, Hudgins J.L. Santi E. at al. Transient Electrothermal Simulation of Power Semiconductor Devices // IEEE Transactions on power electronics. 2010. V. 25. N1. P. 237-248.
11. T.K. Gachovska, B. Du, J.L. Hudgins, E. Santi. Transient Electro-Thermal Modeling of Bipolar Power Semiconductor Devices. Morgan & Claypool: San Rafael, 2013.
12. Shan O., Dai Q., Chhajed S. Analysis of thermal properties of GaInN light-emitting diodes and laser diodes. // Journal of applied physics. 2010. N108. P. 30-38.
13. Lee, S. Spreading Resistance Model for Electronic packaging / S. Lee, S. Song,V. Au // Proceedings of ASME/JSME Thermal Engineering Conference. 1995. V. 4. P. 199
14. Шуберт Ф. Светодиоды. М.: Физматлит, 2008.
15. Сергеев В.А., Ходаков А.М. и Молгачев А.А. Моделирование теплового поражения СВЧ диода мощным импульсом электромагнитного излучения // Известия вузов. Электроника. 2016. Т. 21. №3. Стр. 289-292.
16. Сергеев В.А., Ходаков А.М. Моделирование нестационарных теплоэлектрических процессов в структуре мощного светодиода. // Известия вузов. Электроника. 2011. №6. Стр. 80-82.
17. Johnston, A. H. Proton Degradation of Light-Emitting Diodes / A. H. Johnston, B. G. Rax, L. E. Selva and C. E. Barnes // IEEE Transactions on Nuclear Science. 1999. V. 46. P. 1781.
18. Светодиоды arlight // URL: http://www.arlight.ru/catalog/svetodiody-100001/.
19. Shun-Lien Chuang, Akira Ishibashi, Satoru Kijima et al. Kinetic model for degradation of light-emitting diode // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1997 V. 33. N6. P.970-979.
20. Taska D.M. Pulse power failure modes in semiconductors // IEEE Transaction on Nuclear Science. 1970. V. NS-17. N 7. P. 364-372.