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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

6

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

8

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。

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15

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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

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，

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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

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

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 17-72)