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。

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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

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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

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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，

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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，V_in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

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

 ^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

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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

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

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 21-0)