精密电流采样模式LED驱动电路设计与研究图文精.docx

精密电流采样模式LED驱动电路设计与研究图文精.docx

《精密电流采样模式LED驱动电路设计与研究图文精.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精密电流采样模式LED驱动电路设计与研究图文精.docx（49页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

精密电流采样模式LED驱动电路设计与研究图文精

浙江大学信息科学与工程学院

硕士学位论文

精密电流采样模式LED驱动电路设计与研究

姓名：

杨幸

申请学位级别：

硕士

专业：

微电子学与固体电子学

指导教师：

朱大中

20100101

浙江火学硕士学位论文（２０１０）摘要

摘要

半导体照明具有广阔的发展前景，被《国家中长期科学和技术发展规划纲要》列为能源领域工业节能优先主题以及作为加快推广扩大内需的产品。

发光二极管（ＬＥＤ，ｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ）凭借其高效节能、绿色环保、寿命长、可靠性高等优点得到了广泛应用，正在逐渐取代传统的白炽灯、荧光灯成为新一代照明光源。

随着大功率白光ＬＥＤ在灯光装饰、背光源和照明中的普遍应用，大功率白光ＬＥＤ驱动芯片的需求也越来越大，因此开发与功率型ＬＥＤ配套的大功率ＬＥＤ驱动芯片具有十分广阔的市场前景。

线性恒流驱动的ＬＥＤ驱动集成电路一般利用采样电阻直接检测ＬＥＤ驱动电流的大小产生采样电压经过负反馈回路控制调整ＬＥＤ驱动电流以维持ＬＥＤ电流的恒定。

随着ＬＥＤ驱动芯片功率的不断增大，采样电阻上的功耗损失严重影响了电路效率，影响了实用性，改进的方法是利用电流镜的原理，对输出电流进行比例采样，利用较小的采样电流产生一定的采样电压，大大地降低了采样功耗。

本文在传统比例采样模式ＬＥＤ驱动的基础上研究了精密比例采样模式ＬＥＤ驱动电路，在提高了采样精度的同时，提高了驱动电路的输出等效阻抗，获得了更好的恒流特性。

电路主要包括带隙基准源、输出级大功率ＭＯＳ管、缓冲器、运算放大器、传感采样电路、反馈控制电路等基本模块构成，电路通过运算放大器反馈控制使采样ＭＯＳ管和功率ＭＯＳ管的三端电位相等，实现采样电流对输出电流的精确传感，通过电路的小信号模型分析，得到精密比例采样模式的小信号等效输出电阻远大于传统比例采样模式，因此恒流特性得到了提高。

驱动芯片采用ＣＳＭＣ０．５１．ｔｍ标准ＣＭＯＳ工艺研制，芯片面积为１．４５５ｍｍｘ０．９６０ｍｍ，测试结果表明当ＬＥＤ驱动电流为３５０ｍＡ，电源电压６Ｖ正负波动１０％时，精密比例采样模式ＬＥＤ驱动电路输出电流变化小于７ｍＡ，恒流精度小于２％，比传统比例采样模式ＬＥＤ驱动电路的恒流特性稳定度提高了４１％。

关键词：

半导体照明；大功率白光ＬＥＤ；大功率ＭＯＳ管；恒流驱动；比例采样；恒流控制精度

浙江大学硕士学位论文（２０１０）ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｓ

ａｐｒｏｍｉｓｉｎｇｌｉｇｈｔｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌｉｇｈｔｉｎｇｉｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄａｓｔｈｅｐｒｉｏｒｉｔｙ

ｔｈｅｍｅｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｎｅｎｅｒｇｙｆｉｅｌｄａｎｄｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｓｔｏｅｘｐａｎｄｄｏｍｅｓｔｉｃｄｅｍａｎｄｓｂｙ‘＇ＮａｔｉｏｎａｌＬｏｎｇ—ｔｅｒｍＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｌａｎ”．Ｗｉｔｈｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓ

ｏｆｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｌｏｗｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｌｏｎｇｌｉｆｅｔｉｍｅ，ｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ＬＥＤ

ｉｓｇｒａｄｕａｌｌｙｒｅｐｌａｃｉｎｇｉｎｃａｎｄｅｓｃｅｎｔｌａｍｐａｎｄｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔｌａｍｐ

ｔｏｂｅａｎｅｗｌｉｇｈｔｉｎｇｓｏｕｃｅｆｏｒｇｅｎｅｒａｌｌｉｇｈｔｉｎｇ．Ａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ

ｈｉｇｈ—ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓｗｈｉｔｅＬＥＤｆｏｒｂａｃｋｌｉｇｈｔａｎｄｇｅｎｅｒａｌｌｉｇｈｔｉｎｇ，ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｃｏｎｓｔａｎｔ－ｃｕｒｒｅｎｔｄｒｉｖｉｎｇＩＣｆｏｒｗｈｉｔｅＬＥＤｈａｓａｂｒｏａｄ

ｐｒｏｓｐｅｃｔａｎｄｉｓｍｅａｎｉｎｇｆｕｌ．

ＩｎｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔｄｒｉｖｉｎｇｍｏｄｅＬＥＤｄｒｉｖｅｒＩＣ，ａｓａｍｐｌｉｎｇｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｓａｌｗａｙｓｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｄｉｒｅｃｔｌｙａｎｄｐｒｏｄｕｃｅｓａｍｐｌｉｎｇｖｏｌｔａｇｅ．ＴｈｉｓｓａｍｐｌｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｈｅＬＥＤｄｒｉｖｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｉｎｃｏｎｓｔａｎｔｂｙｎｅｇａｔｉｖｅｆｅｅｄｂａｃｋ．ＡｓｔｈｅｐｏｗｅｒｏｆＬＥＤｄｒｉｖｉｎｇＩＣｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｉｔｓｄｒｉｖｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｗｉｌｌｒｅａｃｈｓｅｖｅｒａｌｄｏｚｅｎｓｏｆｍｉｌｌｉａｍｐｅｒｅｔｏｓｅｖｅｒａｌＡｍｐｅｒｅ．ＴｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｐｏｗｅｒｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｏｎｓａｍｐｌｉｎｇｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｗｉｌｌｃａｕｓｅｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｐｏｗｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｉｓｄｒｉｖｉｎｇＩＣａｎｄｌｉｍｉｔｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ａｌｔｈｏｕｇｈｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｖａｌｕｅｏｆｓａｍｐｌｉｎｇｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃａｎｄｅｃｒｅａｓｅｔｈｅｓａｍｐｌｉｎｇｐｏｗｅｒｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ｂｕｔｉｔｗｉｌｌａｌｓｏｄｅｇｒａｄｅｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｃｕｒｒｅｎｔｓａｍｐｌｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ．

Ｉｎｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈ，ａｎ

ａｃｃｕｒａｔｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｃｕｒｒｅｎｔｓａｍｐｌｉｎｇＬＥＤｄｒｉｖｉｎｇＩＣｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｃｕｒｒｅｎｔｓａｍｐｌｉｎｇｍｏｄｅａｎｄｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ

ｃｉｒｃｕｉｔａｎａｌｙｓｉｓｏｎｉｔｓｃｏｎｓｔａｎｔｏｕｔｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ

ｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．ＴｈｅａｃｃｕｒａｔｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｃｕｒｒｅｎｔｓａｍｐｌｉｎｇｍｏｄｅＩＣ

Ｃａｎｉｎｃｒｅａｓｅｂｏｔｈｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｏｕｔｐｕｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｓａｍｐｌｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｔｏｏｂｔａｉｎｂｅｔｔｅｒｃｏｎｓｔａｎｔ

ｏｕｔｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｂａｎｄｇａｐｖｏｌｔａｇｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，ｐｏｗｅｒＭＯＳＦＥＴ，ｂｕｆｆｅｒ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ

ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｓａｍｐｌｅｆｅｅｄｂａｃｋｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ｉｔｒｅａｌｉｚｅｓａｃｃｕｒａｔｅｓｅｎｓｉｎｇｏｆｓａｍｐｌｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｃｈａｎｇｅｄｗｉｔｈｏｕｔｐｕｔ

ｄｒｉｖｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｇｅｔｓｂｅｔｔｅｒｃｏｎｓｔａｎｔｏｕｔｐｕｔ

ｃｕｒｒｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｂｙｕｓｉｎｇａｎａｍｐｌｉｆｉｅｒｔｏｃｌａｍｐｂｏｔｈｄｒａｉｎｖｏｌｔａｇｅｏｆｓａｍｐｌｉｎｇＭＯＳＦＥＴａｎｄｐｏｗｅｒＭＯＳＦＥＴｔｏｔｈｅｓａｍｅｖａｌｕｅｗｉｔｈｔｈｅＶ

浙江人学硕＋Ｉ二学位论文（２０１０）ＡＢＳＴＲＡＣＴｆｅｅｄｂａｃｋｃｏｎｔｒ０１．Ｔｈｒｏｕｇｈｓｍａｌｌｓｉｇｎａｌｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔａｎａｌｙｓｉｓ，ｉｔｉｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｓｍａｌｌｓｉｇｎａｌｏｕｔｐｕｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｎａｃｃｕｒａｔｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｃｕｒｒｅｎｔｓａｍｐｌｉｎｇｍｏｄｅｃｉｒｃｕｉｔｉｓｍｕｃｈｌａｒｇｅｒ

ｔｈａｎｔｈａｔｉｎｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｃｕｒｒｅｎｔｓａｍｐｌｉｎｇｍｏｄｅｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｅｓｗｉｌｌ

ｂｅｅｎｈａｎｃｅｄ．Ｔｈｅｃｈｉｐｈａｓ

ａｎａｒｅａｏｆ１．４５５ｍｍｘ０．９６０ｍｍａｎｄｉｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｉｎＣＳＭＣＯ．５１ａｍｓｔａｎｄａｒｄ

ＣＭＯＳｐｒｏｃｅｓｓ．ＴｈｅｔｅｓｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｓｈｏｗｎｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅＬＥＤｄｒｉｖｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｉｓ３５０ｍＡａｎｄｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｓ６Ｖｗｉｔｈ士１０％ｖａｒｉａｔｉｏｎ．ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｏｕｔｐｕｔｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔｏｆａｃｃｕｒａｔｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｃｕｒｒｅｎｔｓａｍｐｌｉｎｇｍｏｄｅＬＥＤｄｒｉｖｉｎｇＩＣｗｉｌｌｇｅｔ４１％ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｃｕｒｒｅｎｔｓａｍｐｌｉｎｇｍｏｄｅＬＥＤｄｒｉｖｉｎｇＩＣ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌｉｇｈｔｉｎｇ；ｈｉｇｈ・・ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓｗｈｉｔｅＬＥＤ；ｃｏｎｓｔａｎｔ－－ｃｕｒｒｅｎｔｄｒｉｖｉｎｇ；ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｃｕｒｒｅｎｔｓａｍｐｌｉｎｇ；ｃｏｎｓｔａｎｔ・ｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌａｃｃｕｒａｃｙＶＩ

浙江大学研究生学位论文独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝垄盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名：

杨青签字吼砂产年妇７日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解逝’江盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。

本人授权逝姿盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后适用本授权节）

学位论文作者签名：

顿幸导师签名：

签字日期：

矽户年３月７日签字日期：

函｜Ｄ日月】伊年

浙江人学硕士学位论文（２０１０）致谢

致谢

时光荏苒，岁月如梭，在浙大六年半的学习生涯即将结束，回首既往，自己一生最宝贵的时光能于求是园中度过，实是荣幸之极，师长的教诲，学友的帮助，家人的关怀，都令我难以忘怀。

首先要感谢我的导师朱大中教授，朱老师严谨的治学作风、扎实的理论功底、丰富的科研经验以及对待学生认真负责的态度让我受益匪浅，是我今后学习工作的榜样。

身为一个科研工作者，朱老师的钻研探索精神以及对工作认真负责的科研态度令我钦佩万分。

在完成本课题的过程中，朱老师总是能够指出问题的关键点及课题的突破口并认真指导我的学习工作，在我遇到困难时总是能够给我指出正确的前进道路，对我顺利完成毕业设计起到了极大的帮助，朱老师的点滴教诲和丝丝关怀学生将铭记于心。

其次要感谢郭维老师、孙颖老师，你们在我课题上的指导与帮助，让我有了很大的提高，同时还要感谢沈相国老师、韩雁老师、董树荣老师、丁扣宝老师、何杞鑫老师、韩晓霞老师、汪涛老师、郭清老师，感谢你们对我学习生活上的关心与帮助，祝所有的老师们能培养越来越多的优秀人才，桃李满天下。

感谢实验室其他同学的关心和帮助，感谢我的同学王廷宇、张艳、赵士恒、廉玉平、韩成功、黄大海，感谢已经毕业的郑晓东、戴春祥、董小英、施朝霞、黄小伟、周海峰等师兄师姐，感谢微电所的各位学友，和你们一起工作学习是最快乐的事情，我会永远记住与你们朝夕相处的每一天。

最后要感谢我的父母和家人，你们在我的生活和成长方面倾尽心血，总是在我身后默默的支持我，你们对我无私的爱是一直是我不断前进的动力。

感谢所有关心和帮助过我的家人、师长、同学、朋友们，真诚地祝福大家一切顺利！

感谢浙江省科技计划项目《大功率照明ＬＥＤ驱动集成电路的设计开发》的资助。

杨幸２０１０年１月于求是园

浙江大学硕上学位论文（２０１０）绪论１绪论一白光ＬＥＤ综述

１．１白光ＬＥＤ简介

１．１．１ＬＥＤ发展简介

１９０７年ＨｅｎｒｙＪｏｓｅｐｈＲｏｕｎｄ第一次在碳化硅材料中观察到电致发光现象，由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用，且碳化硅与电致发光不能很好的适应，研究被摒弃了。

１９３６年，ＧｅｏｒｇｅＤｅｓｔｉａｕ版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告，继而出现了“电致发光”这个术语【¨。

二十世纪５０年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的ＬＥＤ，并于６０年代面世，当时所用的材料是ＧａＡｓＰ，发红光（Ｌｐ＝６５０ｎｍ），在驱动电流为２０毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约０．１Ｉｍ／Ｗ。

第一个商用ＬＥＤ产生于１９６０年，仅仅只能发出不可视的红外光，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，如图１．１。

透明环氧树脂封装ＬＥＤ芯片

，有发射碗的阴极杆

光二极管的构造圈

图１．１发光二极管构造图

８０年代早期到中期对ＧａＡｓ、ＧａＡｌｌｎＰ的研究促成了第一代高亮度的ＬＥＤ的诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色。

到９０年代中期，出现了超高亮度的ＧａＮＬＥＤ，１９９３年，当时在日本ＮｉｃｈｉａＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（日亚化工）工作的中村修二（ＳｈｕｊｉＮａｋａｍｕｒａ）发明了基于宽禁带半导体材料氮化稼（ＧａＮ）和铟氮化稼（ＩｎＧａＮ）的具有商业应用价值的蓝光ＬＥＤ，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光ＩｎＧａＮＬＥＤ，ＳｈｕｊｉＮａｋａｍｕｒａ也凭借此项具有革命性的技术荣获２００６年千禧技术奖。

超高亮度蓝光芯片是白光ＬＥＤ的核心，在这个发光芯片上抹上荧光磷，然后荧光磷通过吸收来自芯片上的蓝色光源再转化为白光。

浙江大学硕士学位论文（２０１０）绪论

制作白光ＬＥＤ的方法首先是由ＮｉｃｈｉａＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ所开发蓝从１９９６年开始用在生产白光ＬＥＤ上。

这种ＬＥＤ是将ＧａＮ芯片和钇铝石榴石（ＹＡＧ）封装在一起做成。

ＧａＮ芯片发蓝光（ｋｐ＝４６５ｎｍ，Ｗｄ＝３０ｎｍ），高温烧结制成的含Ｃｅ３＋的ＹＡＧ荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值５５０ｎｍ。

蓝光ＬＥＤ基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有ＹＡＧ的树脂薄层，约２００．５００ｎｍ。

ＬＥＤ基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光，如图１．２。

现在，对于ＩｎＧａＮ／ＹＡＧ色ＬＥＤ，通过改变ＹＡＧ荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温３５００．１００００Ｋ的各色白光【２】。

一种白色ＬＥＤ的结构示意图

ＹＡＧ荧光粉层金线ＬＥＤ芯片

图１．２白色ＬＥＤ结构示意图

如今ＬＥＤ已经成为继白炽灯、荧光灯之后的新一代的照明光源，被公认为是２ｌ世纪最具发展前景的高新技术领域之一。

半导体照明（ＬＥＤ）产业正在经历了一个快速发展的时期，２００４年全球ＬＥＤ市场规模为４７１＇Ｌ美元，Ｉｓｕｐｐｌｉ预计至Ｊ］２００８年将增长多］６９１＇Ｌ美元，年平均增长率约为１３％，其中高亮度和超高亮度ＬＥＤ市场年平均增长率将达到２０％左右，至１１２００８年二者合计占总体市场份额的三分之二，届时超高亮度ＬＥＤ单独的市场规模将达到１６４Ｌ美元【３】。

２

箩瓿－

ＩＬｙＥＦ

浙江大学硕士学位论文（２０１０）绪论

笼台增长搴１９％

．．，

甓．乏？

圈／黧笈食耀长攀弘％，∥圈慰圉。

／圆豳圈豳慝豳囫繇ｌ莲》ｉ陵瞄》豸慝ｌ，ｉ貔崩褫绷级∞荔缓燃２００１；糊２００５２００４嬲嬲嬲豁硷睫

滔蛰亮峨－凑亮度啦＿趣凑亮度懒

奎琢ＬＢＤ节场铹譬髹撑长韪势‘摹伍：

１０亿氮元）

图１．３全球ＬＥＤ市场销售增长趋势

节能减排已经成为全国乃至全球的共同呼声，而半导体照明产业作为新一轮高科技产业发展的焦点，得到了各级政府的大力支持，国家和各省、市纷纷出台大力扶持半导体照明产业发展的政策，半导体照明产业的广阔前景也获得了投资业界的高度认同和关注，ＬＥＤ产业必将在今后得到飞跃发展，并将主宰整个照明行业。

１．１．２白光ＬＥＤ原理及特性

１．１．２．１ＬＥＤ发光原理与材料

ＬＥＤ是一种新型半导体固态冷光源，它是由ＩＩＩ．Ｖ族化合物，如ＧａＡｓ（砷化镓）、ＧａＰ（磷化镓）、ＧａＡｓＰ（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是ＰＮ结。

因此它具有一般Ｐ－Ｎ结的Ｉ．Ｖ特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。

此外，。

在一定条件下，它还具有发光特性。

在正向电压下，电子由Ｎ区注入Ｐ区，空穴由Ｐ区注入Ｎ区。

进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图１．４所示

８

７

囊Ｓ

ｌ

Ｓ

奢

ｌＯ

浙江人学硕Ｉ－６位论文（２０１０）绪论

：

●

图１．４白光ＬＥＤ发光原理

假设发光是在Ｐ区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。

除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。

发光二极管所发出的光的波长，及其颜色，是由组成ｐｎ结的半导体物料的禁带能量所决定。

发光二极管所用的材料大多为直接禁带型，能有较高的发光效率，这些禁带能量对应着近红外线、可见光、或近紫外线波段的光能量。

在发展初期，采用砷化镓（ＧａＡｓ）的发光二极管只能发出红外线或红，随着材料科学的进步，人们已经制造出可发出更短波长的、各种颜色的发光二极管【４１。

目前ＬＥＤ使用的半导体材料中具有代表性的主要是ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ和金刚石，这类第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度快、介电常数小、抗辐射能力强、化学稳定性良好等优点，使其在光电器件中倍受青睐。

其中ＺｎＯ和金刚石还在研发阶段，未实现商品化，但其潜力已被广泛看好，而ＧａＮ凭借比ＳｉＣ更高的发光效率、更快的电子迁移率成为目前ＬＥＤ应用最广泛的半导体材料。

对于ＧａＮ薄膜材料，目前还没有体单晶ＧａＮ可以进行同质外延，而是依靠有机金属气相沉淀法（ＭＯＣＶＤ）在相关的异型支撑衬底上生长的。

由于使用支撑衬底材料的不同，制作的ＬＥＤ器件无论在性能上还是在制作工艺复杂程度和工艺流程上都有很大差别。

蓝宝石是目前ＧａＮ基蓝绿ＬＥＤ的主要衬底材料，但它与ＧａＮ之间较大的晶格失配，较低的热导率、较低的生长质量降低了产品性能，且蓝宝石衬底制作４

浙江大学硕上学位论文（２０１０）绪论工艺复杂，影响了它的实用性，相比较之下，ＳｉＣ衬、ＺｎＯ材料技术虽然还未成熟，但其在品格失配、热导率、导电性、制作工艺上都优于蓝宝石，也必将成为未来ＬＥＤ衬底的主要材料。

Ｐ昆

■话葳

（Ｉ）嘲蕞绝镶蒹片上复杂的制作下艺；‘２’ｓｉＣ或ｚＨＯ导也蒜片上衙摹的制作Ｉ：

艺

图１．５两种衬底上外延ＧａＮ的工艺对比

图１．６ＧａＮ基三种外延衬底基片材料主要性能对比【５１

１．１．２．２白光ＬＥＤ实现方式

目前，ＬＥＤ实现白光的方法主要有三种：

１）蓝光ＬＥＤ芯片激发黄色荧光粉，由ＬＥＤ蓝光和荧光粉发出的黄绿光合成白光；２）紫外光ＬＥＤ芯片激发荧光粉发出三基色合成白光；３）通过ＬＥＤ红绿蓝的三基色多芯片组和发光合成白光。

＊Ⅱ上学ｍ｝半＆论Ｚｃ２０１０镕论

ＹｅｌｌｏｗｐｈｏｓｐｈｏｒＲＧＢｐｈｏｓＰｈｏｒｓ

…’”／，一～、ｒ厂、、

雩＠纠Ｔ一刑

图ｌ７三种白光ＬＥＤ实现方式三种方法的优缺点参见表１．１，目前第二种方法蓝光ＬＥＤ芯片激发黄色荧光粉，由ＬＥＤ蓝光和荧光粉发出的黄绿光合成白光是技术相对简单的主流方法

白光ＬＥＤ实现方法

优点缺点蓝光ＬＥＤ芯片激发黄色荧

效率高、制各简单．温度显色性一般、色温随角度光粉，由ＬＥＤ蓝光和荧光

稳定性较好、工艺成熟

变化粉发出的黄绿光合成白光

紫外光ＬＥＤ芯片激发荧光

不易制作，效率最低，有显色性好粉发出三基色合成白光

紫外光泄漏问题三基色光衰不同导致色湿通过ＬＥＤ红绿蓝的三基色效率最高、色温可控、显

多芯片组和发光合成白光

色性较好不稳定，控制电路较复杂、

成本较高表１

１ＬＥＤ实现白光的方法的比较１．１．２．３ＬＥＤ光学特性

（１）发光法向光强及其角分布１０：

发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。

ＬＥＤ大量应用要求是圆柱，圆珠封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：

位于法向方向光强最大，其与水平面交角为９０。

。

当偏离正法向不同０角度，光强也随之变化，发光强度的角分布Ｉｅ是描述ＬＥＤ发光在空间各个方向上的光强分布。

它主要取决干封装的工艺（包括支架．横粒头、环氧树脂中ｊ恭加散射剂与否），为获得高指向性的角分布，就要使视角越小趑好。

（半值角０１ｎ和视角：

ｅｌｅ是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。

半值角的２倍为视角）基本的方法包括：

１）ＬＥＤ管芯位置离模粒头远些；２）使用圆锥状（子弹

浙江大学硕十学位论文（２０１０）绪论头）的模粒头；３）封装的环氧树脂中勿加散射剂。

采取上述措施可使ＬＥＤ２０ｌ／２＝６０左右，大大提高了指向性。

指向性弱（２８１Ｊ１．２大）

图１．８ＬＥＤ发光法向光强及其角分布１０

（２）发光峰值波长及其光谱分布：

ＬＥＤ光源所发出的光并非单一波长，而是包含一定波长范围的复色光，ＬＥＤ光源发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，它们之间的关系曲线称为光谱分布曲线。

ＬＥＤ的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及ｐｎ结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关【６】。

主．Ｏ

Ｏ。

８

Ｏ．６

Ｏ．４

Ｇ．２

２ＣＧ３００４００５００６００７００８００９００１０００１１００１２００

ＬＥＤ光潜分布曲线

１蓝光Ｉｒ好ａＮ／ＧａＮ２绿光ＧａＰ：

Ｎ３红光ＧａＰ：

Ｚｎ－Ｏ

４红外Ｇ出５Ｓｉ光敏光电管６标准钨丝灯

图１．９不同化合物半导体及掺杂制得ＬＥＤ光谱响应曲线

蓝色ＩｎＧａＮ／ＧａＮ发光二极管发光谱峰Ｌｐ＝４６０～４６５ｎｍ；绿色ＧａＰ：

Ｎ的ＬＥＤ，发光谱峰Ｘｐ＝５５０ｎｍ；红色ＧａＰ：

Ｚｎ．Ｏ的ＬＥＤ，发光谱峰Ｘｐ＝６８０～＂７００ｎｍ；红外ＬＥＤ使用ＧａＡｓ材料，发光谱峰Ｘｐ＝９１０ｎｍ；Ｓｉ光电二极管，通常作光

电接收用

由图Ｉ．９可见，无论什么材料制成的ＬＥＤ，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），－９之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用坤表示。

在ＬＥＤ谱线的峰值两侧士△九处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点分别对应砷．△九，砷＋△九之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。

半高宽度反映谱线宽窄，即ＬＥＤ单色性的参数，ＬＥＤ半宽小于４０ｎｌＴｌ。

某些ＬＥＤ的光谱分布曲线不止一个峰值波长，甚至有多个峰值，并非单色光，这与发光芯片的材料有关，如ＧａＰ材料可发出多个峰值波长的光。

为此描述ＬＥＤ色度特性而引入主波长。

主波长指人眼所能观察到的，由ＬＥＤ发出主要单色光的波长，即主波长描述了ＬＥＤ的发光颜色。

单色性越好，则砷也就是主波长。

（３）光通量：

光通量是表征ＬＥＤ总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。

Ｆ为ＬＥＤ向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。

随着电流增加，ＬＥＤ光通量随之增大。

可见光ＬＥＤ的光通量单位为流明（１ｍ）。

ＬＥＤ向外辐射的功率——光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。

目前单色ＬＥＤ的光通量最大约１ｌｍ，白光ＬＥＤ的Ｆ＝１．５～１．８ｌｍ（小芯片），对于ｌｍｍ×ｌｍｍ的功率级芯片制成白光ＬＥＤ，其Ｆ＝１８ｌｍ。

（４）发光效率和视觉灵敏度：

光源发出的总光通量０与光源的耗电功率的比值，称为光源的发光效率或流明效率，表示光源将消耗的能量转换为光通量（视觉）的能力，用于评价具有外封装ＬＥＤ的特性，ＬＥＤ的流明效率高是指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大。

ＬＥＤ入１３

材料可见光发光效率外量子效率

发光颜色（ｎｍ）（１ｍ／ｗ）最高僵平均值

７００ＧａＰ：

Ｚａ．Ｏ２．４１２１￣３

红光６６０ＧａＡｌＡｓＯ．２７Ｏ．５０３

６５０ＧａＡｓＰＯ．３８

Ｏ．５Ｏ－２黄光５９０ＧａＰ：

Ｎ．Ｎ０．４５

０．１