研究動機

因 ACLED 相較於 DCLED 的各種優點與方便性，且業界也積極的開發 相關產品，但 ACLED 目前的發光效率仍略低於 DCLED。ACLED 實際上可 分為兩大類，其一為串並型 ACLED(Anti-parallel-ACLED, AP-ACLED)，其二 為橋式型 ACLED(Wheatstone Bridge-ACLED, WB-ACLED)，WB-ACLED 的 光輸出功率與面積利用率上較 AB-ACLED 還來得好，而目前有關於優化 ACLED 光輸出功率方面的研究甚少，本論文之研究將透過最佳化 ACLED 的 微晶粒 LED 顆數與面積利用率來改善 WB-ACLED 的光輸出功率，使 ACLED 在市場上能更具有優勢。

省電燈炮 ACLED

耗電量 (度/千小時) 15 12

電費 (元/月) 3.75 3.0

壽命 (小時) 6,000 >20,000

燈源成本 (元/2萬小時) 450 (150元/個×3) 480

設備總成本 (燈源+燈具) 550 630

設備+耗電成本 1,300 1,230

資料來源：工研院電子與光電研究所

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第二章

WB-ACLED 工作原理

2.1 LED 原理

LED 為一種會發光的半導體電子元件，和一般二極體的結構相同，會預 先摻雜其它元素以產生 pn 接面結構，由直接能隙半導體材料構成，例如 GaAs、

GaN 等。在順下偏壓操作下，主動區(active region)會有電子(electron)從 n-type 半導體區注入與電洞(hole)從 p-type 半導體區注入，並形成電子電洞對復合進 而放出光子，放出光子的行為即為輻射復合(radiative recombination)，釋放出 的光子能量近似於能隙能量hν≈Eg。圖 2.1.1 為 LED 未加任何偏壓下的 pn⁺接 面元件之能帶圖，其中 n 側相較 p 側為重摻雜，因而 pn+元件的空乏區大部 分落在 p 側。在平衡且不外加偏壓下整體元件的費米能階必頇維持一致，因 此於能帶圖中，從 n 側 Ec側 p 側 Ec間會有一位能障 eVo(△Ec=eV0)，V0為內 建電壓，在 n 側因重摻雜下擁有高濃度的傳導電子，因此驅使自由電子由 n 側擴散至 p 側，但淨電子擴散卻會被位障 eV0阻擋。

圖 2.1.1 LED 的 pn+接面在無外加偏壓下之能帶示意圖

LED 元件主要的電阻大都位於空乏區內，所以只要外加一順向偏壓 V，

p

n⁺

eV0

eV₀

Eg

E_C

E_F E_V

E_C E_F

E_V

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當電壓降座落於空乏區，內建電壓將從 V₀降至為 V₀-V，這時 n⁺的電子會擴 散或被注入至 p 側，如圖 2.1.2 所示。於 pn⁺這種結構中，從 p 到 n⁺側的電洞 注入會較從 n⁺到 p 側之電子注入小很多，因此注入的電子在空乏區和中性 p 側處復合導致光子自發放射；主要復合會發生在空乏區內延伸至電子擴散長 度 Le 在 p 側所涵蓋的體積內，此復合區經常被稱為主動區。因電子電洞對復 合而產生光輻射的現象，是由於少數載子的注入所產生，此行為被稱為電激 螢光(injection electroluminescence)。此外，由於電子和電洞復合的統計本質，

所發射出的光子為隨意方向即為自發輻射(spontaneous emission)。

圖 2.1.2 外加順向偏壓下 LED 的 pn+接面在無外加偏壓下之能帶示意圖 LED 必頇將交流電經由整流變壓器與控制電路等電子電路轉換為穩定的 直流電才能使用，DCLED 電源轉換系統如圖 2.1.3 所示，從原始交流電經過 變壓器降壓，二極體整流器將半波轉換為全波，電容濾波成為鏈波，最後電 壓穩壓器的穩定電壓才加載在 DCLED 上。

p

n⁺

Eg

hν≈Eg

+ V

-7

圖 2.1.3 DCLED 電源轉換系統示意圖

2.2 ACLED 原理與種類

ACLED 的發光機制其實與 DCLED 一樣，但在電源轉換上就沒有 DCLED 那麼複雜，交流源輸入可直接加載於 ACLED，如圖 2.2.1 所示。

Rectifier Filter Voltage

Regulator DCLED

Constant voltage

Constant current I-V transfer function of diode

V

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的移動，因此電流是為非正弦波電流。

圖 2.2.3 ACLED 操作於交流下的特性

最一開始的 ACLED 是由兩串微晶粒 LED 反向並聯連接而成的 ACLED，

被稱為串並型 ACLED(Anti-parallel, AP-ACLED)[13,17]，在一半週期下只能 導通一半的微晶粒 LED，與 DCLED 接近 100%的晶片面積利用率(chip area utilization ration) 比 較 AP-ACLED 只 有 50% 的 晶 片 面 積 利 用 率 ， 因 此 AP-ACLED 的光輸出功率較低於 DCLED。後來延申設計出另一種 ACLED 設計形式，台灣工業技術研究院(ITRI)利用將微晶粒 LED 佈局成惠斯頓電橋 (Wheatstone Bridge)微電路架構，成功的將晶片面積利用率提升到 66%以上。

2.2.1 串並型 ACLED(Anti-parallel ACLED, AP-ACLED)

圖 2.2.1 (a)為 AP-ACLED 微電路示意圖而(b)為實體元件圖，串並型 ACLED 是由韓國首爾半導體最先開發出來的 ACLED，其優點具有較高 的逆向電壓承受度穩定性佳，但在晶片面積利用率上不佳只有 50%的利用 率，而造成了光輸出功率無法有效提升。

(a) (b)

I-V transfer function of diode

t

Alternating sinusoid voltage

Alternating non-sinusoid current

9

圖 2.2.1 (a)AP-ACLED 微電路示意圖與(b)實體元件圖

2.2.2 橋式型 ACLED(Wheatstone bridge ACLED, WB-ACLED)

為 了 增 加 ACLED 的 晶 片 面 積 利 用 率 WB-ACLED 因 而 誕 生 ， WB-ACLED 的微電路架構如圖 2.2.2(a)所示，WB-ACLED 共由 5 條支路 互相連接而成，其中旁邊 4 條為半波整流用由微晶粒 LED 串接而成，中 間一條為全波整流用由微晶粒 LED 串接而成，在正半週下將正向導通 2 串半波整流微晶粒 LED 串與中間全波整流微晶粒 LED 串，負半週下將逆 向導通另兩串半波整流微晶粒 LED 串與同一串中間全波整流微晶粒 LED 串，如此為一個完整週期的循環。經由這樣的設計 WB-ACLED 的面積利 用率將高於 AP-ACLED，而當晶片面積利用率獲得改善後，隨之光輸出 功率也將有所提高，雖然與 DCLED 相比還是有一段差距，但在適當的微 晶粒 LED 顆數與面積比值設計下此差距將有機會被縮短。

圖 2.2.2 (a)WB-ACLED 微電路示意圖與(b)實體元件圖

2.3 WB-ACLED 參數定義

這一小節要為接下來的模擬與實驗先行定義會用到的參數：

有效功率 (Real Power, Preal)：

交流電的瞬時功率並不是一個常數固定不變的值，因此必對一

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視在功率 (Apparent power, P_apparent)：

有效值電壓與有效值電流之乘積即為視在功率，包含了有效功

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第三章

SPICE 模擬 WB-ACLED 電路效率最佳化分析

3.1 SPICE 模擬軟體介紹

Simulation Program for Integrated Circuits Emphasis (SPICE) 是大家所公 認的一套強大類比電路模擬軟體，它被使用來驗證電路設計的正確性與預測 電路的功能，是套實用性很高的集成電路模擬軟體。SPICE 軟體最初是由美 國加州大學(University of California)與柏克萊大學(University of Berkeley)電子 研究實驗室的於 1975 所開發。

SPICE 可用來做很多種型式的電路分析，以下列舉出較重要的幾項：

 直流非線性分析(Non-linear DC analysis)：計算直流的轉換曲線

 暫態非線性分析(Non-linear transient analysis)：在大訊號下，可計算時變 函數的電壓與電流

 交流線性分析(Linear AC Analysis)：計算頻率函數的輸出

 雜訊分析(Noise analysis)

 靈敏度分析(Sensitivity analysis)

 失真分析(Distortion analysis)

 富立葉分析(Fourier analysis)：計算並畫出頻譜圖

在 SPICE 電路裡可包含以下的元件：

 獨立與相依電壓電流源

 電阻

 電容

 電導

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 共生電感

 傳輸線

 OPA 放大器

 切換器

 二極體

 BJT 電晶體

 MOS 電晶體

 JFET

 MESFET

3.1.1 SPICE 二極體模型

SPICE 內建二極體模型的參數如表格 3.1.1 所示[20-21]。這些參數可 被分類為四種模型，並代表著各模型方程式的變數，以作為模擬許多種情 況下二極體之特性。這四種模型分別為直流大訊號模型(large-signal dc model)、交流小訊號模型(small-signal ac model)、溫度與面積影響、雜訊 模型。

Name Parameter Units

I_S Reverse saturation current A

RS Series resistance Ohm

N Ideal factor

TT Forward transit time Sec

CJO Zero-bias junction capacitance F

VJ Contact potential V

M

Junction capacitance grading exponent

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EG Energy gap eV

XTI IS temperature exponent

KF Flicker noise coefficient

AF Flicker noise exponent

FC CJ forward-bias coefficient

BV Reverse breakdown voltage V

IBV Current at BV A

表 3.1.1 SPICE 二極體內建參數

直流大訊號模型：

SPICE 二極體裡大訊號的行為是指直流電流與電壓到接地端之間的 關係。這個模型裡使用到的參數有 IS, RS, N, BV, and IBV。IS 代表在理想 二極體情況下的逆向飽合電流 I_s (reverse saturation current)。RS 是指串聯 電阻 R_s(series resistance)是金屬接觸與空乏區在高電流注入下的電阻。N 是指理想因子(ideal factor)為修正電流對電壓(I-V)特性曲線下的斜率。最 後的 BV 與 IBV 參數是表現二極體在崩潰下的行為。

圖 3.1.1 表示 SPICE 二極體在直流大訊號下的等交模型。這個等效電 路包含了內建二極體 D₁，串聯電阻 R_S，並聯電阻 R_p。SPICE 增加這個電 阻是為了讓使用者更清楚 PN 接面附近的整合更接近於實際二極體大直流 大訊號下的操作特性。

14

15

16

capacitance )CJ、動態電導 GD 和擴散電容 CD；這些參數是由理想二極體 的模型所延伸出來，是為了讓二極體更能接近實際應用情況下的特性表 現。

接面電容(junction capacitance)可由 CJO、VJ、M 和 FC 這些參數運算 所得。當偏壓為零時 VJO 與 VJ 是一樣的，所以我們可以用 C_j(0)與 V_j去 描述理想二極體。參數 M 是漸近指數(grading exponent)可被使用來改變接 面電容對電壓(C-V)特性曲線的斜率。對陡峭或階梯型的接面來說 M 值為 0.5，若是線性漸近型的接面 M 值為 0.333。參數 FC 被使用來塑造電容在 順向偏壓條件下時的情形。

完整的 SPICE 二極體交流小訊號模型如圖 3.1.3 所示。圖中 Rs與 Rp

與前述的定義相同。

圖 3.1.3 SPICE 二極體的 交流小訊號型模

溫度與面積影響：

SPICE 二極體的溫度行為可透過一些與溫度有關的參數來達到。這些 參數分別為 IS、VJ、CJO 與 FC。我們定義 TNOM 為參考溫度 27℃，當 然這個值只是預設值，可在.options 這行程式裡做更改。如果.temp 這行 程式被刪除則，變數 T 解析溫度(analysis temperature, ℃)預設值為 27℃，

＋

－ V_F

R_p R_S

I_D

GD CJ CD

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當然若是不刪除可從這行程式碼來做更改值的動作。

對一個理想的二極體來說，接面面積(junction area)是一個很重要的參 數。SPICE 提供一個與面積相關的參數面積因子(AREA factor)，這個參數 可從電路檔案的程式語言做更改。面積因子所影響的參數有 IS、RS、CJO

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圖 3.2.4 SPIC 二極體包含雜訊源的交流小訊號模型

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。

＋

－ V_F

R_p R_S

I_D

GD CJ CD

i_RS

i_D

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

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

在文檔中 氮化鎵惠斯頓電橋交流電發光二極體最佳化設計 (頁 16-0)