Chapter 3 SPICE 模擬 WB-ACLED 電路效率最佳化分析
3.2 建立 LED 模型
為了建立完整且接近實際工作情形的 WB-ACLED 模型，我們必頇先建 立微晶粒 LED(micro-LED)在直流工作下的模型，再由微晶粒 LED 在交流下 的工作情形去模擬出 WB-ACLED 在交流工作下的特性。
先設計出 20 種不同面積的微晶粒 LED，如表 3.2.1 所示。
LED Size
25um×25um 50um×50um 75um×75um 100um×100um 125um×125um 150um×150um 175um×175um 200um×200um 225um×225um 250um×250um 275um×275um 300um×300um 325um×325um 350um×350um 375um×375um 425um×425um 450um×450um 475um×475um 500um×500um
表 3.2.1 為 20 種不同面積的微晶粒 LED
光罩設計如圖 3.2.1 左圖所示，為了讓電流分佈能較均勻，在距離大於 200um 時會在 P 電極端加上寬 5um 的金屬線(Finger)來避免電流有擁擠的現 象，圖 3.2.1 右圖為 450um×450um 的實體微晶粒 LED 顯微鏡圖。
＋
－ VF
Rp RS
ID
GD CJ CD
iRS
iD
19
圖 3.2.1 為 20 種不同面積的微晶粒 LED 光罩圖與 450um×450um 微晶粒 LED 的 OM 圖
接下來我們使用 keithley 2400 Source meter 當作電流源，Agilent 4156B Parameter Analyzer 來量測電流與電壓值，量測系統架構如圖 3.2.2 所示，圖 中只秀出 15 種微晶粒 LED 的 I-V 曲線是因為最前 3 組面積太小而最後 2 組 面積太大，不符合 WB-ACLED 接下來的設計條件故屏除。
圖 3.2.2 微晶粒 LED 電流-電壓量測系統架構
圖 3.3.3 即為不同面積之微晶粒 LED 的 I-V 量測圖，從圖中我們可發現
200um
Power Supply
Agilent 4156B Parameter Analyzer
Computer CCD
Objective
Prober Prober
Keithley 2400 Source Meter
20
隨著微晶粒 LED 面積變大 IV 曲線會愈陡峭的趨勢，是因為當 LED 面積愈大 則在相同電流的注入下電流密度則愈低，串聯電阻會較小。
圖 3.2.3 微晶粒 LED 之 I-V 特性曲線
因為需粹取出 SPICE 模擬需要的參數 Rs、N 與 Is，我使用的方法需要畫 出順向時的 I-V 特性曲線，且 Y 軸的電流值必需取對數(Logarithmically)來當 刻度，如圖 3.3.4 所示在圖中曲線上選出 VF1、VF2和 VF3，將這三個值帶入
21 150um×150um(藍線與綠線)兩種微晶粒 LED 數據，實心黑線與藍線為模擬結 果，空心紅線與綠線為量測結果，我們可知道模擬與量測結果為互相吻合，
22
圖 3.2.5 SPICE 裡模擬微晶粒 LED 之電路模型與模擬結果
為了能模擬微晶粒 LED 在不同面積下的光輸出功率特性，我們利用電激 發光使用光二極體感測器(Photodiode Sensor)來收集微晶粒 LED 正向出光的 強度。量測示意如圖 3.2.2，電源供應器為 Kethley 238 ，再外加上一台 Power 0.022mm2_Simu 0.022mm2
Light output power (a.u.)
Current (A)
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影響，必頇將電流換算為電流密度，如此才能清楚知道單位面積與單位光輸 出功率之間的關係。換算出的 L-J 曲線如圖 3.2.7 所示，我們將這些數據建成 WB-ACLED 的 光 輸 出 功 率 (light output power) 的 資 料 庫 ， 以 供 後 續 WB-ACLED 計算使用。
圖 3.2.7 微晶粒 LED 之 L-J 特性曲線
3.3 建立 WB-ACLED 電路模型
上一小節我們已完成微晶粒 LED 之建立，接下來將利用此微晶粒模型來 組成一 WB-ACLED 電路模型。因 WB-ACLED 工作於用交流不需額外的 AC to DC 轉換器(Converter)，所以此電路模型將直接外加於交流訊號源上，並串 接一額外的限流電阻(Current limiting resistor)，因交流源為一時變的電壓源，
在沒有外加限流電阻的情形下 LED 電流差值將會非常大，結果會造成元件的 損害與壽命減短，因此串接額外的限流電阻是有其必要性，不但能保護元件 不受損害在優良的設計條件下還能提升元件的工作效率。
WB-ACLED 電路模型如圖 3.3.1 所示，由惠斯頓電橋的原理來看可將電 路分解為半波整流電路與全波整流電路兩部分來看，其中半波整流電路中的
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.00000
0.00025 0.00050 0.00075 0.00100
Light output power (a.u.)
J (mA/um^2)
(100um)2 (125um)2 (150um)2
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微晶粒 LED 為 D1 到 D40，全波整流電路中的微晶粒 LED 為 D41 到 D55，
R5 為額外串接的限流電阻，而圖中左邊為整個電路模型之 60Hz 110V 交流 源。
圖 3.3.1 SPICE 裡 WB-ACLED 電路模型
執行結果如圖 3.3.2 所示，Current 指瞬時電流值，Vin指輸入的瞬時電壓 值，Vchip指跨壓在 WB-ACLED 兩端之瞬時電壓值，由圖中可知道 WB-ACLED 在輸入電壓約為 105V 才導通，是因為這個 WB-ACLED 是設計為整顆晶片總 共有 55 顆微晶粒 LED，導向導通為 35 顆微晶粒 LED，單顆微晶粒導通電壓 約為 3V，電流大最值值約為 20mA，有效值電流約為 10mA，一個週期下導 通時間約為 63%，瞬間電流脈衝時間約為 5msec。
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圖 3.3.2 SPICE 模擬 WB-ACLED 之時變 I-V 特性曲線
以上是建立 WB-ACLED 電性的模型，接下來我們還要建立 WB-ACLED 光性的模型，首先必頇先定義計算光輸出功率的算式，如下所示：
0.000 0.005 0.010 0.015
-0.03
26
T
0 dt
T
L L(t) (3.3.2 式)
經由 3.3.2 式對一固定週期內的光輸出功率積分後除與週期時間，即為該 WB-ACLED 晶片之光輸出功率。如此我們的 WB-ACLED 的電性與光性模型 建立完成，之後改變的參數將由這些算式於 Matlab 計算所得後並寫入 SPICE 模擬軟體裡跑完電性再與光性資料再連結並比對計算後即為模擬結果。
3.4 最佳化 WB-ACLED 設計方法
WB-ACLED 可分為半波整的微晶粒 LED 串與全波整流的微晶粒 LED 串，
在固定 WB-ACLED 之晶片總面積前提下，可知道有兩樣設計因素將會影響 到 WB-ACLED 晶片的工作效率，第一個因素為不同數目的半波整流之微晶 粒 LED 與全波整流之微晶粒 LED，第二個因素為不同半波整流之微晶粒 LED 與全波整流之微晶粒 LED 的面積比例設計，以上兩樣因素改變皆會影響到 WB-ACLED 的操作功率與單一週期導通下發光面積佔全部面積的多寡。
此小節將介紹如何利用前述兩樣因素來找出 WB-ACLED 在什麼樣的條 件下設計才是最佳化的結果。
3.4.1 WB-ACLED 顆數比分析
WB-ACLED 在設計於交流電 110V 下工作時，必頇考慮到導通時每 顆微晶粒 LED 之平均跨壓必需操作於正常電壓範圍，至少要 3.2V LED 才 算導通，順向總偏壓最大為 155V 瞬間電壓值，故順向導通之微晶粒 LED 總導通電壓不能設計超過此電壓值，否則 WB-ACLED 將無法導通；而逆 向偏壓不能超過其半波整流微晶粒 LED 串的總崩潰電壓值，經由量測單 顆 LED 操作於逆向偏壓其崩潰電壓值約為 40V，故從 WB-ACLED 電路 結構上來看半波整流微晶粒 LED 一串(如圖 3.4.1 之 A 點至 B 點支路)至 少要大於 4 顆的微晶粒 LED 使能確保 WB-ACLED 不至於崩潰。由圖 3.4.1 WB-ACLED 之微晶粒 LED 顆數設計示意圖所示，半波整流微晶粒 LED
27
串數目設計為 4~10 顆，而全波整流微晶粒 LED 串顆數設計為 1~27 顆，
WB-ACLED 全部顆數為 17 至 67 顆。
圖 3.4.1 WB-ACLED 之微晶粒 LED 顆數設計示意圖
設定好顆數的下限值與上限值後，再來還要固定 WB-ACLED 晶片總 面積與輸入功率這兩項因素，因為在固定晶片總面積與輸入功率下我們去 比較光輸出功率與晶片電效率才會有意義，否則在不固定的總面積下會影 響到串聯電阻進而變動到輸入功率，輸入功率的變動對光輸出功率是影響 很顯著的。我們模擬時固定晶片總面積為 1.24mm2與 0.55mm2這兩種，
輸入功率定為 1W 與 2W 兩種。
為了達到整個 WB-ACLED 模組的輸入功率能達到一定值，必頇透過 額外的限流電阻來限制輸入功率。圖 3.4.2 為我們自己寫的 Matlab 程式，
主要是透過 Matlab 來固定電路條件與計算微晶粒 LED 模型的參數並寫入 SPICE 電路檔裡。圖中 Side LED[4:1:10]表示半波整流微晶粒 LED 從最初 4 顆遞增 1 顆一直到 10 顆為止，Center LED[1:1:27]表示全波整流微晶粒 LED 從最初 1 顆遞增 1 顆一直到 27 顆為止。Root-Mean-Square Irms 指輸 入有效值電流固定於 10mA 表示將會固定輸入功率顧 1W。Ratio of area 代 表全波整流微晶粒 LED 面積除與半波整微晶粒 LED 面積的比值。
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WB-ACLED Chip Area 代表 WB-ACLED 晶片總面積的固定值，如圖中我 們固定為 1.24mm2。以上述條件為例來做設定，跑完模擬後共後會獲得 189 顆在固定面積比值(ratio of area, r)、晶片面積與輸入功率下不同晶片顆 數的 WB-ACLED 晶片。
圖 3.4.2 Matlab 連結 SPICE 軟體固定參數之設定介面
接下來進入 WB-ACLED 模擬結果分析部分，我們設定半波整流微晶 粒 LED 顆數為 4 到 10 顆，全波整流微晶粒 LED 顆數為 1 到 27 顆，晶片 總面積固定為 1.24mm2、面積比值為 1。
當輸入功率為 1W 時：
由圖 3.4.3 WB-ACLED 晶片模型變微晶粒 LED 顆數總串聯 電阻值中可知道隨著 WB-ACLED 之半波整流微晶粒 LED 顆數 與全波整流微晶粒 LED 顆數的增加，則總串聯電阻 Rs 會愈來愈 大(顏色由藍到紅表示為小到大)，由之前述第三章第一小節裡的 關係式，我們知道當總晶片面積固定的前提下，隨著晶片微晶粒 LED 顆數的增加則每顆微晶粒 LED 之面積變小會造成串聯電阻
29 愈多則串聯電阻值愈大，克希荷夫電壓定律(Kirchhoff's voltage law)定義在任何一個閉合迴路中，電源的電動勢代數和等於各元 件電壓降的代數和[28]，而座落於 WB-ACLED 的電壓會隨著微 晶粒 LED 顆數的增加而愈來愈高，因此 WB-ACLED 的消耗功
Center LED Number (pcs)
Side LED Number (pcs)
0.000
30
Center LED Number (pcs)
19.40
Side LED Number (pcs)
(%)
31
圖 3.4.5 SPICE 之 WB-ACLED 晶片模型變微晶粒 LED 顆數光輸出功率比 較
當輸入功率為 2W 時：
接下來將輸入功率提到升到 2W，相當於將電流密度提升了 2 倍，在半波整流微晶粒 LED 與全波整流微晶粒 LED 的面積比 值為 1 時則總 WB-ACLED 的總串聯電阻並不會改變，如圖 3.4.6 所示。
5 10 15 20 25
4 5 6 7 8 9 10
Light output power
Side LED Number (pcs)
Center LED Number (pcs)
0.0060 0.0092 0.012 0.016 0.019 0.022
(a.u.)
32
Center LED Number (pcs)
Side LED Number (pcs)
0.000
Center LED Number (pcs)
Side LED Number (pcs)
20.00
33
Light output power
Center LED Number (pcs)
Side LED Number (pcs)
0.012
34
35
值方面，兩種不同面積的 WB-ACLED 均在面積比值為 20.5時有最高的光 輸出功率的表現。
圖 3.4.10 SPICE 之 WB-ACLED 晶片模型變面積比值與光輸出功率比較
3.5 WB-ACLED 電性與光性結果討論
在固定 WB-ACLED 晶片面積比值與總面積時，我們發現隨著半波整流 微晶粒 LED 的顆數與全波整流微晶粒的顆數增加，晶片效率會愈來愈高，尤 其以增加全波整流微晶粒的顆數更為明顯。
在固定 WB-ACLED 晶片面積比值與總面積時，我們去改變半波整流微 晶粒 LED 的顆數與全波整流微晶粒 LED 的顆數，發現輸入功率為 1W 時在 半波整流微晶粒 LED 顆數為 7，而全波整流微晶粒顆數為 27 時，有最高的 光輸出功率；當輸入功率為 2W 時，最高的光輸出功率在半波整流微晶粒 LED 顆數為 5 而全波整流微晶粒 LED 顆數為 27 時。
在固定 WB-ACLED 晶片半波整流微晶粒 LED 與全波整流微晶粒 LED 的顆數與總面積時，我們去改變面積比值，發現輸入功率為 1W 時在面積比 值為 2 下，WB-ACLED 有最大的光輸出功率。
0 5 10 15 20 25
0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11
Light output power (a.u.)
Ratio of area (cm2/cm2)
Ratio of area (cm2/cm2)